赣江上游平江流域近30年不同量级降雨时空分布特征

刘声洪, 刘惠英, 罗萍, 朱俊杰, 兰盈盈

(南昌工程学院 水利与生态工程学院, 南昌 330099)

在全球变暖的背景下，我国降雨结构发生了明显地变化，不同强度降雨雨量和雨日变化趋势表现出不同的空间分异格局[1]。不同量级降雨作为主要气候因子，是旱涝等自然灾害发生的直接原因，其变化趋势特征研究具有重要的意义[2-4]。已有研究表明，在过去50 a(1961—2010年)中国西部，小雨、中雨、大雨对降雨量增量起主导作用，而在中国东部暴雨降水强度在降雨量贡献中起主导作用[5]。但研究同时发现我国现代降雨量变化趋势具有明显的地域性差异，全国平均没有表现出显著增加或减少的长期变化，但强降雨事件频率和降雨量出现明显增多，而小雨事件特别是痕量降雨事件显著减少[6-8]。上述研究表明，我国降雨结构及时空变化在全球气候变暖的背景下具有明显地区域性及规律性[1-11]，然而同时发现目前研究缺乏对不同量级降雨多时间尺度的研究。因此，对不同量级降雨在不同区域[2,12-13]的多时间尺度的研究非常有必要。

赣江是江西省五大水系之冠，为江西省第一大河，主河道全长823 km，流域面积8.35万km2，占鄱阳湖流域面积的51%[14-15]。已有众多学者对其进行研究，结果表明：赣江流域降雨量年内分配不均，年降雨量集中在流域东部和西北部，近几十年来，赣江流域降雨量呈现显著上升趋势极端降水指数上游、中游的I95和中游的I99，在0.05显著性水平下，显著上升[16-20]。但目前的许多研究大都集中在年尺度上，对于季、月尺度尤其在小时尺度上的研究相对较少[15-23]。平江流域为赣江上游右岸的一级支流，大部分面积处于江西兴国县境内，而兴国县水土流失严重为全国水土保持8个重点治理区之一[23-25]。已有学者研究表明，平江流域降雨侵蚀力的时空分布特征与流域内降水时空分布基本一致[23]。本文采用赣江上游平江流域9个雨量站点1989—2018年逐小时降水数据，选取小雨、中雨、大雨、暴雨4个降雨量级，利用更高精度的小时降水数据，从小时尺度[26-28]来分析流域的降雨特征。研究可为流域的灾害防治及水资源综合开发利用提供参考依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 区域概况

平江为赣江上游右岸一级支流，又称兴国江，位于江西省南部；主要由潋江(东河)、濊水(北河)在兴国县城东南方向狮子口汇合，经埠口、龙口流入赣县江口入贡水；流域地处东经115°04′—115°52′，北纬25°57′—26°37′，主河道长148 km、比降1.26‰、流域面积2 851 km2；地貌以低山、丘陵为主，局部有中山、低山地分布，地处华南地层区，构造单元为赣中南褶隆赣州—吉安凹陷，主要为石炭纪和白垩纪砂岩、变质岩和第四纪松散堆积物，极易发生水土流失，受亚热带季风气候影响，雨量充沛，气候温暖，多年平均降雨量1 585 mm，平均气温18.8℃，无霜期284 d，日照为1 861.4 h[14,23]。

1.2 数据来源

本文使用的降水数据来源于江西省水文局，为保证资料的连续性及代表性，选用赣江上游平江流域内翰林桥、田村、龙口、富口、长竹、兴国、崇胜、城冈、澄江共9个站点1989—2018年的逐小时降水数据，雨量站点位置见图1。

图1 平江流域雨量站点分布

1.3 研究方法

本文将逐小时降雨数据按当日08：00至次日08：00为今日降雨，按水文行业标准，将降雨分为4个不同强度的降雨量级。日降雨在0.1～9.9 mm为小雨，在10～24.9 mm为中雨，在25～49.9 mm为大雨，在≥50 mm为暴雨。根据流域气候特征，季节划分为：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12-翌年2月)。本文采用1989—2018年共30 a的逐小时降雨数据，为分析小时降雨的时空分布特征，以10 a为界划分为前期(1989—1998年)、中期(1999—2008年)和后期(2009—2018年)共3个阶段。

采用线性倾向估计法[1,29]来估算平江流域1989—2018年不同量级降雨变化速率(b)，b>0，表示呈上升趋势；b<0，表示呈下降趋势；|b|值表示上升或下降的速率。应用皮尔逊P-Ⅲ型曲线来估算降雨重现期。运用Mann-Kendall(M-K)趋势检验法[22,29]来检验时间序列显著性，当Z1-а/2小于90%，95%及99%置信水平分别对应的|Z|时，表示上升或下降趋势达到该置信水平检验的要求，其对应的|Z|分别为1.64，1.96，2.58，且在年、季、月尺度上进行检验时，按流域气候特征划分季节使得冬季时间序列为29其余各尺度均为30。通过Morlet小波分析法[29-32]来分析时间序列的周期性，小波系数为正表示研究对象在该时段为偏多期，为负时表示研究对象在该时段为偏少期，零值则对应着突变点。空间插值采用反距离权重插值法[33-34]，采样点离插值点越近，权重越大；反之，采样点离插值点越远，权重就越小。

2 结果与分析

2.1 不同量级降雨的时间分布特征

2.1.1 不同量级降雨的年际变化特征 根据降雨数据，计算各量级降雨基本特征见表1。平江流域在1989—2018年小雨年均值为297.21 mm，最大、小值分别为367.53 mm，237.53 mm，标准差为2.38 mm，以6.12 mm/10 a的速率下降；小雨主要集中在春季，夏、冬季次之，秋季最小，春、冬季呈下降趋势，夏、秋季呈上升趋势；月雨量集中在1—6月且呈“双峰”型，主峰出现在3月，均值为42.52 mm，次峰出现在8月，均值为25.45 mm，最小值出现在10月，均值为11.04 mm。

表1 平江流域1989-2018年不同量级降雨基本特征值

中雨与小雨分布相似但值更大，年均值为474.42 mm，最大、小值为674.28 mm，332.36 mm，标准差为10.04 mm，以4.87 mm/10 a的速率下降；中雨主要集中在春季，夏季次之，秋季最小，冬季次之，春、冬季呈下降趋势，夏、秋季呈上升趋势；月雨量集中在2—8月且呈“多峰”型，主峰分别出现在4月，均值为66.99 mm，次峰出现在8月、11月其均值分别为47.18 mm，23.57 mm，最小值出现在12月，均值为14.93 mm。

大雨量年均值为473.46 mm，与中雨雨量极其接近，最大、小值为862.69 mm，221.66 mm，标准差为15.03 mm，以3.96 mm/10 a的速率上升；大雨量从大到小依次排序为春、夏、秋、冬，春、秋季呈上升趋势，夏、冬季呈下降趋势；月雨量集中在3—8月且呈“多峰”型，主峰分别出现在6月，均值为82.26 mm，次峰出现在8月、11月其均值分别为47.09 mm，24.57 mm，最小值出现在12月，均值为15.19 mm。

暴雨雨量表现极端，年均值为349.12 mm，最大、小值为745.56 mm，104.68 mm，标准差为43.82 mm，以14.73 mm/10 a的速率上升；暴雨量主要集中在夏季均值为183.96 mm占年暴雨量的52.99%，春季次之，冬季最小均值仅为10.23 mm占年暴雨量的2.95%，秋季次之，各季均呈上升趋势；月雨量集中在5—8月且呈“单峰”型，峰值出现在6月，均值为82.60 mm，8—9月雨量骤降其均值从46.61 mm降至17.39 mm，最小值出现在1月，均值为2.88 mm。

综上所述，近30 a平江流域降雨由中、大雨占主导地位，小雨量最小，暴雨量次之，其占总降雨的比率分别为18.64%，29.76%，29.70%，21.90%；从雨量最大值可以看出，大、暴雨量的最大值较大，说明流域洪涝灾害主要由大、暴雨引起，6月暴雨量最大值高达284.08 mm；标准差按小雨、中雨、大雨、暴雨的顺序依次增大；年小雨、年中雨量呈下降趋势，年大雨、年暴雨量呈上升趋势，说明流域降雨有向极端降雨发展的趋势，这与任国玉等[6-8]研究我国降水时空变异规律具有一致性，与王永文等[15]研究赣江流域极端降水的变化规律相吻合。结合平江流域易发生水土流失这一特点，得出未来由于极端降雨增加可能会影响流域农业发展。

2.1.2 降雨重现期 基于以上结论，为探究降雨的发展规律。以9个雨量站1989—2018年共971个不重复数值的降雨事件作为样本，利用皮尔逊P-Ⅲ型曲线来估算降雨重现期，其特征值见表2。由表2可见，样本统计参数EX，CV，CS，CS/CV(倍比)分别为54.02 mm，0.71，1.23，1.73，50 mm雨量对应的设计频率为46%，即暴雨的发生概率约为两年一遇，而五十年一遇的雨量为155.2 mm、百年一遇的雨量为175.5 mm，千年一遇的雨量为240.3 mm。当极端降雨事件发生频率增加时，五十年一遇、百年一遇及千年一遇降雨发生的概率也会增加，这可能会对当地经济尤其是农业的发展产生巨大的影响。

表2 P-Ⅲ型曲线设计特征值

2.2 不同量级降雨时空分布特征

2.2.1 年尺度上的空间分布特征 1989—2018年平江流域不同量级降雨年雨量表现出明显的空间分异特征(图2)。小雨总体上呈现西低东高的分布特征，在流域中部兴国站附近存在1个低值中心，值为290.37 mm。中雨量分布具有较强的区域性，但总体来看流域表现出中部低四周高的分布特征，在城冈、长竹、田村、富口站附近存在4个高值中心其值为480～505 mm，在兴国和龙口站附近具有2个低值中心其值为422～460 mm。大雨和小雨的分布规律一致，大体上表现为西低东高的特征，且相比小雨，大雨雨量带层次分明在流域东北部形成10个高值的雨量带其值为480～505 mm。暴雨量表现出南低北高的分布特征，具有较强的层次性，在流域北部城冈、崇胜站附近存在两个2高值中心其值为422～460 mm，在龙口、富口2站存在1个低值中心其值为246～290 mm。

根据M-K趋势检验结果显示，小雨量总体呈现下降趋势，中雨量东北部表现为上升其余地区为下降趋势，大雨量为西部上升东部下降趋势，暴雨量由西北向东南方向表现出平行的过渡带其特征为上升—下降—上升，但各量级降雨年雨量仅中、大雨个别站点通过显著性检验。

图2 平江流域1989-2018年不同量级降雨及Z值年尺度上的空间分布

2.2.2 季尺度上的空间分布特征 图3为平江流域1989—2018年不同量级降雨季雨量及其变化趋势的空间分布特征。小雨在各季的空间分布各异，春季有较强的规律性表现出西低东高的分布特征，秋季具有中部低南北端高的分布特征，夏、冬季无明显特征。中雨分布具有较强的区域性在各季度易形成降雨中心，春季形成2个192～200 mm及1个200～235 mm的高值中心，夏季形成2个143～160 mm的高值中心，秋季形成1个71～75 mm的高值中心，冬季形成2个82～95 mm的高值中心和一条82～95 mm雨量带。大雨在季尺度上有统一的规律性，各季总体表现出西低东高的分布特征，且各季都形成降雨中心，表现明显的是春季流域东南部和夏季流域北部均形成1个192～200 mm的高值中心。暴雨在季度上的分布规律相似，春、夏季与年雨量大体上表现出一致的南低北高的分布特征，春、夏季在流域北部形成降雨高值中心，秋、冬季雨量小，最小为9～13 mm，然秋季北部和冬季南部降雨相对较大。

根据M-K检验结果显示，小雨量在春、冬季呈下降趋势，夏(南部除外)、秋季呈上升趋势，其中春季翰林桥站通过p=0.05的显著性检验，春、秋、冬三季均有少数站点通过p=0.01的显著性检验。中雨量在春、冬季呈下降趋势且田村站春季、翰林桥站冬季雨量通过p=0.05的显著性检验且冬季富口站通过p=0.01的显著性检验，夏、秋季呈上升趋势但未通过显著性检验。大雨量在春季呈西升东降，夏季呈南升北降，秋季总体呈上升趋势，冬季总体呈下降趋势，各季降雨均未通过显著性检验。暴雨量变化趋势规律性较差，秋季降雨呈下降趋势且崇胜站雨量通过p=0.05的显著性检验。

图3 平江流域1989-2018年不同量级降雨及Z值季尺度上的空间分布

综上分析得，春、夏季降雨丰沛且流域北部雨量较大，尤其是中、大、暴雨量在流域北部均形成降雨高值中心；而秋、冬季降雨不足，流域南部雨量相对较大；各量级降雨季雨量仅少数站点通过p=0.05的显著性检验，降雨变化趋势并不明显。

2.2.3 月尺度上的空间分布特征 由图4看出，小雨因雨量整体偏小在月尺度上的空间分布无明显地差异，但较稳定，1—12月雨量为8～44 mm。相比年、季尺度，小雨量在月尺度上的变化趋势更为明显。小雨量2月有4个站点、5月有1个站点通过p=0.05的显著性检验呈下降趋势其中2月长竹站通过p=0.01的显著性检验，6月有1个站点、11月有2个站点通过p=0.05的显著性检验且呈上升趋势其中11月富口站通过p=0.01的显著性检验，其余月份无显著变化。

月中雨量具有鲜明地空间分异格局，其中3月、8月、11月中雨量呈现西低东高，2月呈现中部低南北高，7月由西南向东北方向呈现高—低—高的分布特征，且在3月、5—6月、10月有多个降雨高值中心形成，其余月份无明显地空间分异特征。中雨量在2月基本通过p=0.05的显著性检验呈下降趋势，11月基本通过p=0.01的显著性检验呈上升趋势，12月富口站通过p=0.05的显著性检验呈上升趋势，其余月份无显著变化。

图4 平江流域1989-2018年不同量级降雨及Z值月尺度上的空间分布

大雨量在1—2月、6—8月、10月总体表现出西低东高的分布特征，5月在龙口附近形成92～130 mm的高值中心，其余月份未表现出明显地空间分异格局。大雨量在2—3月均有1个站点通过p=0.05的显著性检验呈下降趋势， 11月有4个站点通过p=0.05的显著性检验呈上升趋势，8月、11月均有少数站点通过p=0.10的显著性检验分别呈下降、上升趋势，其余月份无显著变化。

暴雨量的空间分布在月尺度上较其他量级降雨高度统一且年内分配极度不均，雨量在4—8月总体呈现南低北高的分布特征但流域南端雨量较大，5月崇胜、城冈站附近共形成1个82～92 mm的高值中心，6月崇胜、城冈站附近各形成1个92～130 mm的高值中心，7—8月崇胜站附近形成高值中心。暴雨量仅8月城冈站通过p=0.05的显著性检验呈下降趋势，其余月份无显著变化。

总而言之，月小雨量空间分布不明显，中、大雨量在多个月份表现出西低东高的分布特征但中雨规律性总体较差，暴雨量在4—8月雨量较大的月份呈现南低北高的分布特征且在流域北部多形成降雨高值中心。因此在总降雨中暴雨量虽不大，但其年内分配及空间分布极度不均造成雨量主要集中在5—6月流域北部。据M-K趋势检验显示，中雨量在月尺度上变化明显，2月基本通过p=0.05的显著性检验呈显著下降趋势、11月基本通过p=0.01的显著性检验呈显著上升趋势，小、大、暴雨量有部分地区的地区呈显著变化。

2.3 逐小时降雨时空分布特征

本文参照方德贤等[27](2008—2016年重庆地区降水时空分布特征)的逐小时降雨的空间特征，且为更好地反映出小时尺度上的时空分布特征，将整个阶段分为前期(1989—1998年)、中期(1999—2008年)和后期(2009—2018年)3个阶段。

2.3.1 逐小时降雨时间分布特征 整体来看，逐小时降雨在07：00—08：00呈现先增后减的趋势，在09：00—06：00(次日)呈现递增的趋势。统计表明(表3)，平江流域前、中、后期逐小时降雨变化明显，前期降雨主要集中在07：00—08：00，中期降雨集中在07：00—08：00，15：00—19：00，后期降雨集中在15：00—18：00。09：00至次日06：00小时雨量随前、中、后期的发展有递增的现象，先由0.99～1.83 mm增至1.32～2.03 mm后增至1.96～2.69 mm。而07：00—08：00雨量随时间的变化为先增后减的趋势，雨量由1.73～2.24 mm增至2.46～2.80 mm再减至2.11～2.21 mm。以最值来看，07：00—08：00雨量最大值变化最为显著，07：00的小时雨量最大值变化为4.64～4.67～2.26 mm，08：00的小时雨量最大值变化为5.60～4.67～2.97 mm，各时段小时雨量最小值变化相同均随时间递增。流域小时雨量标准差变化具有一致性，各时段雨量标准差在前期至后期的变化过程中均随时间减小，表明各时段降雨越来越稳定。因此，可将前、中、后期按照稳定性划分为不稳定期、较稳定期、稳定期。

表3 平江流域1989-2018年逐小时降雨量基本特征 mm

2.3.2 逐小时降雨空间分布特征 在李喻鑫等[23]的研究中发现平江流域1989—2018年降雨侵蚀力在空间上具有自东北向中南递减，而后向西南递增的特点，且最大值出现在流域北部城冈站附近，最小值出现在流域中南部龙口站附近。而在本文研究中发现，平江流域小时降雨量在前、中期的空间分布上也具有相同特征。于前期，小时雨量在各时段上基本为自东北向西南表现出先减后增的空间分布特征，且各时段最大值与最小值出现的区域也分别为城冈站和龙口站附近，最突出的时段为08：00，其最大值为5.60 mm、最小值为0.73 mm；于中期，雨带相比与前期有向两侧扩散的趋势，因此有部分时段的空间分布特征有所改变，但总体上大多数时段也表现出自东北向西南表现出先减后增的空间分异格局，雨量最大值出现在08：00城冈站附近为4.67 mm，最小值出现在23：00田村在附近为0.67 mm。

与前、中期相比，后期降雨空间分布差异较小，雨带在空间上随时间的推移表现出自中部向两侧扩散的特征。08：00雨量增加了1.07 mm表现最为显著，此外15：00—18：00雨量增加了0.64～0.70 mm，其余时段雨量也均表现出增加趋势，说明前—中期各时段雨量在雨带由中部向两侧扩散的过程中呈增加趋势。中—后期雨量在雨带由中部向两侧扩散的过程中并非完全是呈增加趋势。纵观整个阶段，后期各时段降雨的空间分布呈现出非常均匀的状态，因此若分析流域降雨得空间分布差异应从前、中期入手。在研究前期，流域北部极易形成降雨高值中心，在11：00—12：00，20：00—21：00，02：00—06：00等多个时段形成唯一的高值中心，而在各时段流域南部降雨均较小。在中期，流域北部雨量仍然较大，在08：00城冈站雨量为4.67 mm，前、中期小时雨量主要集中在流域北部。

通过以上分析得：总体上，平江流域小时降雨随时间变化显著增加，造成这一结果的原因可能是研究时段恰好处于该流域降雨增加的时段。小时降雨在07：00—08：00呈现先增后减的趋势，在09：00—06：00(次日)呈现递增的趋势。降雨侵蚀力与小时雨量(前、中期)的空间分布具有一致性，共同表现为自东北向中南递减，而后向西南递增的特点，且最大值出现在流域北部城冈站附近，最小值出现在流域中南部龙口站附近。雨带在空间上随时间的推移表现出自中部向两侧扩散的特征，前、中期雨量集中在流域北部，后期雨量空间分布差异较小，整体来说1989—2018年小时雨量在流域北部相对集中。

2.4 不同量级降雨周期性分析

对平江流域1989—2018年不同量级降雨及总降雨的时间序列进行Morlet小波分析(图略)，可以看出各量级降雨与总降雨的周期性变化。年小雨量小波方差在27～28 a尺度下表现最为显著，为主周期，期间经历2次“偏少—偏多”的交替循环。年中雨量小波方差在26～27 a尺度下表现最为显著，说明在26～27 a尺度下周期震荡最剧烈，其次为7～8 a和4～5 a，分别为第一、二、三主周期且分别经历2，6，12次“偏少—偏多”的交替循环。年大雨量具有3个主周期，分别为26～27 a，7～8 a和12～13 a，其中26～27 a尺度下周期震荡最剧烈，期间经历了2次“偏少—偏多”的交替循环。年暴雨量小波方差图中存在3个峰值，其第一、二和三主周期为4～5 a，25～26 a和9～10 a，分别经历9，2次“偏少—偏多”的交替循环和5次偏多—偏少”的交替循环。总降雨量小波方差存在3个峰值，其第一、二和三主周期分别为26～27 a，7～8 a和4～5 a，分别经历2，6，8次“偏少—偏多”的交替循环。

因小、中、大和暴雨雨量组成总降雨量，所以总降雨量受年中、大雨量的影响第一、二主周期表现为26～27 a，7～8 a，受年暴雨量的影响第三主周期表现为4～5 a。

3 结 论

(1) 在1989—2018年流域小、中、大和暴雨多年均值分别为297.15 mm，473.57 mm，470.82 mm，344.34 mm，占年总雨量的比率分别为18.64%，29.76%，29.70%，21.90%，中、大雨占主导地位。各量级降雨年内分配不均，降雨主要集中在春、夏季，小雨集中在1—6月，峰值为3月，最小值为10月；中雨集中在2—8月，峰值为4月，最小值为12月；大雨集中在3—8月，峰值为6月，最小值为12月；暴雨集中在5—8月，起伏大，峰值为6月，最小值为1月。50 mm的暴雨重现期约为两年一遇，五十年、百年及千年一遇的雨量分别为155.2 mm，175.5 mm，240.3 mm。

(2) 暴雨较其余量级具有良好的空间分布规律，其在各时间尺度表现出明显的“南低北高”的空间分布特征尤其是春、夏两季表现突出；小雨、大雨在各尺度上总体为“西低东高”的空间分异格局，但在月尺度上小雨的空间分布较不明显其特征主要体现在年、季尺度上；中雨相对于其余量级降雨其规律性较差，在尺度上空间差异较大但流域中部降雨较小。

(3) 根据线性倾向估计显示，年小雨、年中雨量呈下降趋势，年大雨、年暴雨量呈上升趋势且年暴雨量上升幅度大，说明流域降雨有向极端降雨发展的趋势。据M-K检验结果，各量级降雨于年、季尺度上变化不明显仅少数站点通过p=0.01或0.05的显著性检验；于月尺度上，中雨量变化显著，2月中雨量通过p=0.05的显著性检验呈下降趋势，11月中雨量通过p=0.01的显著性检验呈上升趋势，其余量级降雨变化趋势不明显。

(4) 平江流域1989—2018年小时降雨在07：00—08：00呈现先增后减的趋势，在09：00—06：00(次日)呈现递增的趋势。本文小时雨量(前、中期)的空间分布与前人[23]研究平江流域降雨侵蚀力的空间分布特征具有一致性，共同表现为自东北向中南递减，而后向西南递增的特点，且最大值出现在流域北部城冈站附近，最小值出现在流域中南部龙口站附近。雨带在空间上随时间的推移表现出自中部向两侧扩散的特征，雨量主要集中在流域北部。

(5) 不同量级降雨具有明显的周期性变化，总降雨量受中、大雨年降雨量的影响第一、二主周期表现为26～27 a，7～8 a，受暴雨年降雨量的第一主周期的影响第三主周期表现为4～5 a。