长江上游降水特征及时空演变规律

汪曼琳 万新宇 钟平安 张宇 刘畅

摘要：基于长江上游1960年-2014年80个国家气象站的降水量资料，统计分析了长江上游降水量特征，并且通过绘制空间分布图，采用Mann-Kendall法、Pettitt法、Morlet小波分析法检验降水量时间序列，综合分析了长江上游降水量的时空演变特征。结果表明，长江上游1960年-2014年多年平均降水量为900.8 mm，平均年降水总量为8 925.1 m³，降水量年际变化大，年降水量极值比为1.5，冬季极值比达3.9，降水量年内分布很不均匀，汛期占80%以上；空间上，长江上游降水量呈现东南部降水量大，西北部小的分布特征；时间上，长江上游年降水量总体上呈现显著的下降趋势，年降水量在1985年发生了突变，长江上游年降水量变化周期由强到弱依次为28 a、13 a、8 a，各分区变化周期以28 a为主。

关键词：长江上游；降水量特征；时空演变；Mann-Kendall；Pettitt；Morlet小波

中图分类号：TV125 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0065-07

Abstract：Based on the precipitation data （1960-2014） from 80 meteorological stations in upper reaches of the Yangtze River，we studied the characteristics of precipitation.Besides，the temporal and spatial evolution was analyzed by drawing the spatial distribution map and using Mann-Kendall test，Pettitt test，Morlet wavelet analysis method.The results showed that，during 1960 to 2014，the mean annual precipitation depth of upper reaches of the Yangtze River was 900.8 mm and the mean annual precipitation volume was 8925.1 m³，the annual variation of precipitation was great，the ratio of extreme annual precipitation was 1.5 and reached 3.9 in winter，monthly and the seasonal mean precipitation was very uneven，and the precipitation in flood season accounted for more than 80%；spatially，precipitation was large in southeast and small in northwest；temporally，significant negative trend was detected in annual precipitation in upper reaches of the Yangtze River，and the abrupt change took place in 1985，the primary period of precipitation in upper reaches of the Yangtze River was 28 a，13 a，8 a in the descending order of strength，and the period of precipitation in the partitions was mainly 28 a.

Key words：upper reaches of the Yangtze River；characteristics of precipitation；temporal and spatial evolution；Mann-Kendall；Pettitt；Morlet wavelet

长江上游幅员辽阔，气候复杂，地形多变，旱涝灾害频发[1]。近几十年，全球气候变暖背景下[2]，长江上游降水特征亦发生显著变化[3-4]，加之日趋激烈的人类活动[5-6]，加剧了该地区水资源的不确定性[7-10]，因此，进行长江上游降水特征及演变规律研究对该区域社会经济发展和旱涝灾害防治具有重要的指导意义。

目前已有不少研究涉及长江上游降水变化[11-15]，但内容多为降水量时程变化趋势分析，且较为笼统，如：孙甲岚等[11]基于整个长江上游面平均降水量，利用Mann-Kendall法分析了降水变化趋势，但未考虑降水空间差异性。部分研究考虑了降水空间的差异性，如：王艳君等[12]研究长江上游1991年-2000年气候及径流变化趋势时，将研究区划分为长江上游干流、源区及金沙江流域、川江流域三部分，分析了三个区域的降水时程变化趋势；冯亚文等[13]将长江上游分为屏山站以上与以下两部分，分别分析了年、季的降水量变化趋势及速率。除此之外，更全面地分析长江上游降水特征及其时空演变规律的研究还鲜有发表。

本文以长江上游降水为研究对象，采用1960年1月-2015年2月降水量资料，首先将长江上游按自然流域划分成5个分区，统计分析长江上游及各分区的降水量特征；其次，通过绘制空间分布图描述降水空间分布及变化规律；最后，采用目前普遍认可的Mann-Kendall法、Pettitt法、Morlet小波分析法对降水进行变化趋势、突变特征、周期特征分析[16]。研究结果可为长江上游水资源合理开发利用、水库群联合调度提供决策依据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区概况

长江从源头到湖北宜昌为长江上游，地处中国西南部，介于97.37-110.18°E，21.13-34.33°N，面积100×10⁴ km²。研究区地势西高东低，西部属横断山脉和青藏高原，平均海拔3 000～5 000 m，东南部海拔多在500 m以下。区内气候类型复杂，西部高原和山地属寒带气候，长冬无夏，其余大部分地区受东南季风和西南季风影响，为亚热带湿润季风气候，雨量充沛、热量丰富。

长江上游长4 504 km，宜宾以上为金沙江，长3 464 km，宜宾至宜昌为长江上游干流，长1 040 km。主要支流有北岸的岷江、沱江、嘉陵江，以及南岸的乌江。按自然流域，长江上游可以分成金沙江流域、岷沱江流域、嘉陵江流域、乌江流域和上游干流区间5个分区，见图1。

1.2 数据来源及处理

本文采用研究区域内80个国家气象站（NMO）1960年1月至2015年2月逐月降水资料。资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn/）。所选站点在流域位置分布（图1）。80个气象站的缺测月份数占总月份数的平均值为0.2%。由于研究区面积辽阔，站点分布稀疏，临近站的观测数据相关度不高，因此对缺测数据采用本站前后两年该月值的平均值来插补，以保证气象要素序列的完整性和连续性。长江上游及各分区的降水量采用算术平均法计算。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验法

长江上游降水量的趋势变化规律分析，采用世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法——Mann-Kendall检验法。

3.1 降水量特征分析

统计结果表明，长江上游1960年-2014年多年平均年降水量为900.8 mm，其中夏季、汛期（4月-9月）分别为473.3 mm、747.3 mm，占多年年平均的52.5%、83.0%。金沙江、岷沱江、嘉陵江、乌江、干流区间1960年-2014年多年平均年降水量分别为700.1 mm、999.2 mm、946.3 mm、1 097.2 mm、1 172.2 mm，就5个分区而言，降水量空间上呈东南部大于西北部的整体布局。各分区中金沙江降水量最小，而降水总量占全长江上游最大，达39.2%。其余特征值见表1。

近55年来，长江上游地区最大年降水量为1 126.1 mm（1968年），最小年降水量为762.7 mm（2006年），极值比为1.5。春、夏、秋季、汛期、枯季的降水量极值比在1.7～2.0，冬季降水量年际变化大，极值比为3.9。各分区极值比特征与整个长江上游一致。长江上游及其各分区历年季降水极大、极小值均分别出现在夏季、冬季。而对于月降水极大值，金沙江、乌江、干流区间与长江上游整体一致，出现在7月，岷沱江、嘉陵江出现在8月；对于月降水极小值，各区间均出现在12月和1月。

长江上游降水量年内分布很不均匀，如图2所示，1月、2月、3月、11月、12月占全年降水量的1%～3%，4月和10月占6%～7%，降水主要分布在夏季（或者说是汛期），7月、8月、6月降水最多，其次是9月、5月，分别占19.4%、16.9%、16.2%、13.3%、11.0%，夏季在50%以上，汛期在80%以上。降水季节变化明显，夏季最大，冬季最小。各分区降水年内分布特征与整体基本一致，春季、秋季略有不同。

3.2 降水量空间分布

绘制长江上游1960年-2014年多年平均年降水量分布见图3。就长江上游80个气象站观测值而言，长江上游整体上呈现东南部降水量大，西北部降水量小的分布特征。金沙江降水量明显小于其他分区，在290～1 130 mm之间，空间上呈西北狭长地区降水量较小、南部地区降水量较大的特点。岷沱江各地区降水量差异巨大，在620～1 750 mm之间，并呈明显的北部小、南部大的分布特点，极大值点出现在位于四川省境内的峨眉山站。嘉陵江多数地区降水量分布均匀，东部略大于西部，南部略大于北部，降水量变化范围为470～1 250 mm。乌江和干流区间的降水量普遍偏大，且分布较为均匀，降水量变化范围分别为970～1 340 mm、1 070～1 260 mm。

3.3 降水量时程演变

3.3.1 降水量变化趋势

采用M-K法检验长江上游80个国家气象站1960年-2014年降水量变化趋势，结果见图4。80个气象站中，有65个站（占81.25%）呈现减少趋势，其中28个站（占35%）减少趋势很显著（显著性水平0.01）；15个站（占18.75%）呈增加趋势，且有2个站（占2.5%）增加趋势很显著（显著性水平0.01）。即长江上游各站点降水量整体上呈现减少趋势，且趋势显著。具有增加趋势的站点主要集中在金沙江流域，其中，乾宁、会泽两站降水量增加趋势很显著，与其临近站变化趋势特征存在差异。这种差异可能是由乾宁、会泽两站海拔高度均高于其临近站导致。

长江上游及其各分区年降水量变化趋势检验结果见表2。由表2可知，1960年-2014年长江上游降水量正以1.34 mm/a的速率减少，统计意义上通过了显著性水平0.05的检验，认为减少趋势很显著。各分区中，金沙江与长江上游整体不一致，有不显著的增加趋势，增加速率为0.08 mm/a，年变化量占多年平均的0.01%；其他分区降水量均发生了减少，其中岷沱江、干流区间减少趋势显著，四个分区减少的速率为0.94～2.85 mm/a，降水量年变化量占多年平均降水量的0.10%～0.24%。

3.3.2 降水量突变特征

采用Pettitt法对长江上游及其各分区的年降水量序列进行突变分析，结果见表3。各分区中，岷沱江降水量在1969年发生不显著突变，而金沙江、嘉陵江、乌江、干流区间降水量均在1984年发生了突变，其中乌江、干流区间分别通过了显著性水平0.05、0.01的检验。就整个长江上游而言，1985年为突变点，且通过了显著性水平为0.1的检验，因此认为长江上游年降水量在1985年发生了突变，这一结论与文献[9]相一致。

以突变点为界，将整个研究时期划分为两个时间段，分析长江上游及其各分区的突变前后的均值可知，长江上游突变后较突变前降水量减少了4.3%。各分区中，金沙江流域突变后较突变前有所增加，变化率为3.4%；其他分区均在突变后发生了减少，变化率为3.7%～8.9%。通过t检验可知，长江上游年降水量突变前均值后在0.05的显著性水平下存在明显差异，乌江、干流区间两段均值也存在明显差异。对长江上游及其各分区两段年降水量的标准差进行F检验，没有显著差异。突变前后变异系数也相近，降水量年际变化程度并未发生明显变化。

3.3.3 降水量周期分析

利用Morlet小波对长江上游及其各分区年降水量序列进行检验，得到变换系数等值线图（图5）。由图5（a）可见，在26～30 a的尺度上，长江上游年降水量表现出较明显的丰枯交替特征，是研究时段内影响长江上游年降水量的主要时间尺度。目前（2015年）长江上游年降水量正处于一个偏丰期的起始，未来降水量会有所增加。在准13 a、准8 a分别有嵌套在大尺度下的相对较弱的周期变化特征。各分区年降水量周期变化特征与长江上游整体一致性较好，其中嘉陵江在准8 a、准13 a、准18 a的尺度上周期特征明显，与整体周期性略有不同，特别是其短周期成分及演变较突出，而在大尺度上成分相对复杂。

从Morlet小波方差图（图6）可见，在28 a、13 a、8 a处分别有3个波峰，波动能量依次减弱，因此认为长江上游年降水量在这3个尺度有显著的震荡周期。同样对各分区进行周期分析，各分区年降水量周期均以28 a为主，结果汇总于表4。

4 结论

（1）长江上游1960年-2014年多年平均年降水量为900.8 mm，年降水总量为8 925.1 m³。长江上游地区降水量年际变化大，年降水量极值比为1.5，冬季极值比达3.9。降水量年内分布很不均匀，7月、8月、6月降水最多，夏季在50%以上，汛期占80%以上。

（2）长江上游降水量空间分布不均，呈现东南部降水量大，西北部小的分布特征。金沙江降水量明显要小于其他分区，乌江、干流区间降水量普遍较大，且分布较均匀。

（3）长江上游及其部分分区年降水量总体上呈现显著的下降趋势，在1985年左右发生了突变；长江上游年降水量变化周期由强到弱依次为28 a、13 a、8 a，各分区变化周期以28 a为主，目前长江上游降水量已进入新的偏丰期，未来一段时间降水会有所增加。

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