赣江流域1966-2015年降水量多尺度时空变化特征分析

鲁向晖, 张海娜, 胡羊羊

(1.南昌工程学院 江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心, 南昌 330099;2.南昌工程学院 水利与生态工程学院, 南昌 330099; 3.南昌工程学院 瑶湖学院, 南昌 330099)

IPCC第4、5、6次评估报告均指出全球气候变化环境下，陆面降水模式发生重大改变。全球的降水量在较长的时间尺度上随着气温的升高而增加，大部分地区干湿两季的降水量呈增大趋势；全球降水量在空间上的差异显著，未来一段时间内中、高纬度的降水量可能增加，且湿润地区与干旱地区的降水量差异将进一步增大；在热带及中纬度的陆地区域，极端降水的出现频率将增大[1-3]。已有研究者对全球气候变化背景下的不同区域降水变化格局进行了分析：孙秀博等[4]研究表明，全国在20世纪60—80年代和2000年以来处于少雨期，20世纪90年代为多雨期；王润等[5]利用文献综述法和CMIP5中的模式数据对汉江流域1961—2049年降水量变化进行了研究，发现汉江流域过去50年及未来的30年内，降水无显著的变化趋势；张宏利等[6]运用累积距平曲线与信噪对比法对渭河流域时间尺度的降水特征进行了研究，近50 a降雨量具有明显的阶段性，但年降水量未发生突变；王利娜等[7]对海河流域近50 a降水量时空变化特征研究得出，海河流域年降水量呈小幅增大趋势，且四季变化不一致；王秀娜等[8]利用1960—2017年河西地区日降水量资料分析结果认为，小雨降水日数增加但降雨强度呈下降趋势，小到中雨降水日数及强度均有增加趋势。已有的研究结果均表明，受全球气候变化的影响，区域降水量的空间分布格局也将会发生改变，且不同区域的变化趋势各不相同，目前尚未有赣江流域降水量受全球气候变化影响的特征研究，因此，本研究的开展，对于指导赣江流域农业生产应对全球气候变化、制定预防气候变化危害具有重要意义。

赣江是鄱阳湖流域的最大支流，是江西省土壤侵蚀最为严重的流域。近年来赣江流域季节性干旱频发，对农业生产及社会发展产生了较大的影响[9]，而降水量的时空演变则是影响赣江流域水土流失状况及季节性干旱灾害重要因素之一。本文以赣江流域1966—2015年的多站点逐日降水量资料，采用时间序列经典数理统计方法分析近50 a来降水量时空分布特征，揭示赣江流域降水量的变化规律，为水土保持措施布局和预防季节性干旱提供依据。

1 研究区概况

赣江流域面积为83 500 km2，占鄱阳湖流域面积的51.5%，流域东西宽度平均为148 km，南北最长550 km，流域形状为不规则四边形(图1)。地貌类型主要有山地、丘陵、低丘、平原及水域，分别占流域面积的43.9%，20.8%，31.5%，3.9%。研究区地处亚热带湿润季风气候区，春夏主要是梅雨季节，秋冬两季降雨量较少，四季分明，无霜期较长，年降雨量处于1 400～1 800 mm，多年平均降雨量1 643.75 mm(1966—2015年)，多年平均气温为17.8℃，多年平均蒸发量1 550 mm。据《江西河湖大典》资料显示，赣江流域历史上特大旱灾发生在1963年、1978年、1986年、1991年，近期主要大旱灾主要发生在2003年、2004年、2007年、2009年、2011年。

图1 赣江流域气象站点分布

2 资料与方法

2.1 资 料

分析资料为赣江流域内及其周边27个气象站1966—2015年日降水量数据，其中位于流域内的站点11个，位于流域周边的站点16个(图1)。资料来自中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn)。本文中有15个站点在2014年5月存在1～6日的数据缺失(绝大部分缺失两天)，但由于占比较小(<0.1%)，因此将缺失的日雨量按0计算。

2.2 方 法

降水量的年际变化趋势采用一元线性回归和Mann-Kendall(M-K)法分析[10]。降水量阶段性分析采用累积距平法进行，采用克里金插值法(Kriging)对降水量空间变化进行分析。赣江流域季节划分时间为：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)，汛期指4—9月。由于一元线性回归、累积距平等方法已在时间序列分析中广泛使用，具体计算方法本文不在赘述。

采用Matlab小波分析工具箱中的Morlet小波为母函数对降水时间序列进行分析[11]，找出降水量变化的主要特征。本文先对降水资料作标准化处理，再进行小波分析，以降低噪声影响。

3 结果与分析

3.1 降水量年际变化

赣江流域1966—2015年多年平均降水量为1 643.75 mm；汛期为1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量为633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分别占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%(表1)。秋季和冬季降水量的极值比和变异系数较大，年降水量的极值比和变异系数值最小，表明秋季和冬季的降水量年际波动剧烈，而年均降水量波动较小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量的M-K检验统计量均大于0但小于1.96，表明赣江流域1966—2015年的年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不显著的增加趋势；春季降水量M-K检验统计量小于0且大于-1.96，表明春季降水量呈不显著的减少趋势。

表1 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量变化特征值

线性回归分析显示，年、汛期、夏季、秋季和冬季的降水量增加速率分别为1.74，0.81，1.69，0.40，0.34 mm/a，春季的降水量减小速率为0.69 mm/a(图2)。5 a滑动平均值曲线显示：年尺度上，赣江流域近50 a的年降水量在1966—1990年波动较小，而1991年之后波动较大，总体呈增加趋势。夏季和汛期降水量都在1991年以后出现较大波动变化，呈现上升趋势；春季、秋季、冬季降水量年际变化波动较小，其中，春季呈现出减少趋势，秋季和冬季呈现出增加趋势，但变化趋势均不显著。

图2 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量年际变化

对研究区域中涉及到的27个站点年降水量变化趋势分析显示，大部分站点呈现增加趋势，且显著增加的站点数达12个(44.4%)，显著减少的站点仅3个(11.1%)；汛期降水量以不显著增加趋势为主，站点达18个，占比66.7%；春季降水量不显著增加和显著增加的站点相同，各有13个，各占比48.1%，无显著减少的站点；夏季、秋季和冬季降水量均以不显著减少为主，三者站点分别为16，13，14个，占比分别为59.3%，48.1%，51.9%(图3)。

图3 赣江流域1966-2015年各站点不同时间尺度降水量变化趋势统计

3.2 降水量的阶段性变化

赣江流域1966—2015年降水量具有明显的阶段性特征，对不同时间尺度降水量进行累积距平分析(图4)，以持续5年以上的变化为基准，除秋季降水量无明显阶段性(整体表现为随机波动)外(图4E)，其他时间尺度降水量均具有明显的阶段特征。

春季和夏季可分为4个阶段(表2)，但时间存在差异。春季第一阶段1966—1979年，无明显阶段性变化，第二阶段1980—1984年呈现上升趋势，第三阶段1985—2006年无明显阶段性变化，第四阶段为2007—2016年，为先波动下降后上升趋势(图4C)；夏季4个阶段为1966—1977年、1978—1992年、1993—2002年和2003—2015年，其中1966—1977年和2003—2015年两个阶段均无明显阶段性变化，1978—1992年和1993—2002年两个阶段分别呈现为降低和上升趋势(图4D)。冬季可分为3个阶段，为1966—1987年、1988—1997年和1998—2015年，分别对应无明显阶段性变化、波动上升和波动下降趋势(图4F)。年、汛期、夏季的降水变化趋势有一定的相似性。

图4 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量累积距平曲线

年和汛期降水量可分为4个阶段(表2，图4A—B)，第一个阶段1966—1984年，其中年降水量表现为平水特征，而汛期降水量在该阶段呈上升趋势，表现为丰水特点；年降水量第二阶段为1985—1991年，汛期降水量第二阶段为1985—1992年，降水量均有所下降，对应枯水特征；年降水量第三阶段为1992—2002年，汛期降水量第三阶段为1993—2002年，该阶段二者降水量增加，为丰水阶段；第四阶段2003—2015年，降水量减少，为枯水阶段。

表2 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量阶段特征

3.3 降水量的周期变化

对赣江流域1966—2015年降水量进行小波分析，年降水量具有8，22，32 a的主变化周期(图5A)，短周期变化剧烈，长周期变化较为稳定，且存在4个降水周期丰枯交替年时间序列，分别为1974—1980年、1986—1990年、1996—2001年、2004—2011年。汛期降水量具有10，24，32 a的主变化周期，长周期及短周期变化均具有明显的规律性，有4个丰枯交替年时间段(图5B)：1974—1978年、1988—1990年、1996—2002年、2004—2010年。春季降水量具有14，20，26 a的主变化周期(图5C)，长周期变化呈现不规律性，短周期变化波动不大，有1个丰枯交替年时间序列，即1984—1988年。夏季降水具有26，30 a的主变化周期(图5D)，整个时间序列的周期性变化规律性不明显，有主要两个丰枯交替年时间段：1986—1992年、1994—1998年。秋季降水量具有7，14，20，30 a的主变化周期(图5E)，长周期变化具有明显的不稳定性，短周期变化不显著，具有多个丰枯交替年时间段：1970—1980年、1988—1992年、1994—1996年、2000—2004年、2006—2012年。冬季降水量的主变化周期不明显，降水量在近50 a内变化不大，不存在丰枯交替年时间序列(图5F)。

图5 赣江流域1966—2015年不同时间尺度降水量小波系数等值线

3.4 降水量空间分布

赣江流域1966—2015年年均降水量呈现明显的南部少、北部多的分布特征，宜丰、永丰、宁都一线以东是降水偏多区域(图6A)。整体上，降水量少于多年平均值(1 643.75 mm)的地区占大多数，大于1 700 mm的地区极少，赣州及其周边地区降水量是全省最小的区域。汛期降水的空间分布总体上呈中部及西部地区少，东部、南部及北部外围地区多的分布特征(图6B)。比较年降水量和汛期降水量的空间分布图发现，赣江流域降水量在这两个时期的空间分布具有一定的相识性。

春季降水的空间分布与全年降水的空间分布有一定的相似性，呈现南少北多的分布特征(图6C)，这也和春季降水量占全年比重较多有关(表1)。总体上春季降水量以600～700 mm居多，主要分布于中部地区，春季的降水空间呈现不均匀分布。夏季降水的空间分布是全年中分布最均匀的一个季节(图6D)，降水量主要集中在550～600 mm，仅赣州站及其周边区域降水量处于500～550 mm，因此，夏季降水空间分布相对均匀，且波动不大。秋季和冬季降水量各站点相差不大，但两个季节的空间分布情况有所不同(图6E和6F)；秋季降水空间分布呈南北两端少，中部地区相对较多的格局；冬季降水空间分布则是呈由南向北逐步递增的趋势。总体上，赣江流域降水量在4个季节的空间分布特征表现出明显的差异。

图6 赣江流域1966-2015年不同时期降水量空间分布

赣江流域降水空间分布的形成与多个因素有关，降水量与经度、纬度以及海拔的偏相关分析表明(表3)，除秋季降水量外，其他尺度降水量均与经度显著相关；而只有年降水量与纬度显著相关；表明经度是影响赣江流域降水量空间分布的主要地理主轴。海拔对降水量亦有较大的影响，年、汛期和秋季降水量均呈显著的相关性，偏相关系数0.6以上，达极显著水平。

表3 1956-2015年赣江流域27个气象站点不同

4 结 论

(1) 赣江流域1966—2015年多年平均降水量为1 643.75 mm；汛期为1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量为633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分别占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%。秋季和冬季的降水量年际波动剧烈，而年均降水量波动较小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不显著的增加趋势；春季和冬季的降水量呈不显著的减少趋势。赣江流域27个雨量站点年降水量显著增加的站点数达12个，显著减少的站点仅3个；汛期降水量以不显著增加趋势为主，站点达18个；春季降水量显著增加的站点有13个，无显著减少的站点；夏季、秋季和冬季降水量均以不显著减少为主，站点分别为16，13，14个。

(2) 1966—2015年赣江流域降水量变化在年、汛期、夏季、秋季与春季、冬季分别呈不显著的增加与减少趋势(p>0.05)；赣江流域不同时间尺度的降水量均具明显的阶段性，年和汛期降水量均可分为1966—1984年(丰水)，1985—1991年(汛期为1992年)(枯水)，1992(汛期为1993年)—2002年(丰水)和2003—2015年(枯水)4个阶段。春季和夏季降水量具有4个变化阶段，冬季降水量具有3个阶段的变化特征，而秋季降水量变化整体以随机性为主。

(3) 赣江流域1966—2015年降雨量的主变化周期在年际为8，22，32 a，汛期为10，24，32 a；春季、夏季和秋季的降水量主周期分别为14，20，26 a和26，30 a以及7，14，20，30 a，而冬季降水无变化周期。

(4) 1966—2015年赣江流域的全年和春季降水量呈南少北多的分布格局；汛期和夏季降水量空间分布较均匀，无明显的空间差异；秋季降水量呈南北两端少、中部多的分布格局，而冬季降水量呈由北向南递减的变化趋势。不同尺度降水量受经度和海拔变化的影响较大，受纬度变化影响较小。