雅砻江流域降水时空变化特征分析

2022-05-11齐明臣李红梅

水资源开发与管理 2022年4期

万浩齐明臣李红梅

(重庆乌江电力有限公司，重庆 409000)

全球气候变化问题日益突出，气候变化引起的一系列问题受到国内外学者的高度关注。气候变化使得水资源的分布、循环以及生态系统发生改变，降水作为气候变化的重要指标，对生态系统的变化起着重要的作用。陈书军等[1]采用降雨集中指数、降雨异常指数和夏季长周期旱涝急转指数等参数分析了湖北省区域内旱涝急转特性和降雨时空变化特征，结果表明，湖北省洪涝灾害风险不断增加，尤其是鄂西南最为突出，降雨年代际变化特征明显。莫崇勋等[2]采用线性趋势、Morlet小波分析和相关函数等方法系统分析了广西桂林市的四季降雨变化趋势、突变及周期特征。李宝等[3]利用1973—2018年北京市通州区逐日降雨数据，统计了五个等级降雨发生频次和降雨累计值，分析了通州区不同等级降雨空间分布特征。汪飞等[4]分别采用线性回归法、Mann-Kendall检验研究了澜沧江流域近40年的年平均气温和降水、四季平均气温和降水的时空变化特征和突变特征。

雅砻江流域作为我国十二大水电基地之一，其间分布着诸如锦屏一级、锦屏二级、二滩等大型水电站。对雅砻江流域水文气象变化特征的分析日益受到人们的重视。但现有的研究几乎是都集中在径流趋势特征分析，并没有将雅砻江流域单独作为一个系统对流域的降水变化进行深入的研究[5-7]。本研究的主要目的是利用1960—2018年的年和季节尺度上的日降水量，研究雅砻江流域降水的时空分布、趋势、突变和周期，同时对降水变化的原因进行了探讨。这样的研究有利于降低灾害风险，减少灾害的发生，合理分配水资源，支持气候变化条件下的水资源管理决策。

1 研究区概况

雅砻江是金沙江的最大支流，全长1571km，总落差3192m，流域面积13.6万km2，河口多年平均流量为1860m3/s。雅砻江流域属川西高原气候区，受高空西风大气环流及西南季风的影响，流域内气候条件十分复杂。雅砻江流域多年平均气温为-4.9～19.7℃，降水量在上游区为600～800mm，中游区1000～1400mm，下游区900～1300mm。由于独特的地质构造及气候条件，雅砻江流量丰沛，全流域水能理论蕴藏量约3840万kW，占长江流域总量的13.8%。流域内已建成大小水电站22座。本文选取了雅砻江流域内9个气象站点数据进行降水特征分析(见图1)，9个站点1960—2018年逐日雨量资料来源于中国气象数据网。

图1 雅砻江流域气象站点分布示意图

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法由于其计算简便，不受异常值干扰，现已被广泛应用于时间序列趋势和突变检验中[8]。

对于具有n个样本容量的时间序列x1，x2，…,xn，检验的统计变量S计算为

(1)

其中

统计变量Z通过下式计算：

(2)

在Mann-Kendall检验中，检验单调趋势的斜率β计算如下：

基于HTML5技术，采用Bootstrap框架实现移动设备端和桌面端界面自适应。试验结果表明，自适应效果良好，不仅能节约开发成本和开发时间，降低软件维护成本，而且可为船舶智能监控系统的开发及其他B/S架构软件的开发提供技术支持和可靠保障。

(3)

当Mann-Kendall检验进一步用于检验序列突变时，通过构造一秩序列

(4)

其中

(5)

定义统计变量：

(6)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

将时间序列按逆序排列，重复上述计算过程，并使UBk=-UFk，如果UFk和UBk这两条曲线出现交点，那么交点对应的时刻就是突变位置。

2.2 小波分析

小波分析作为一种可调时频的分析方法，能对时间序列进行多尺度变化特征分析，得到主要尺度变化过程，最终确定时间序列的周期变化特征。对于时间序列f(t)，连续小波变换计算过程如下[9]：

(7)

ψ(t)=eicte-t2/2

(8)

式中：c为常数，且当c≥5时Morlet小波就能近似满足允许性条件，本文取c=6.2。

2.3 有序聚类分析

有序聚类分析方法作为一种序列突变检验方法，其思想是寻求不同类之间离差平方和最大，同类之间离差平方和最小[10]。设可能的突变点为τ，计算方法如下：

(9)

其中

当S取得最小值时，此时对应的τ为最优二分点，进而可推断为最可能的突变点。

3 结果与分析

3.1 降水特征分析

雅砻江流域1960—2018年全年、季平均降水的基本资料，包括平均值、最大值、最小值、变化量和变异系数见表1。从表1中可以看出，雅砻江流域多年平均降水量为720.98mm，变异系数Cv为0.1(变异系数Cv反映序列的相对离散程度)，说明流域降水的年际变化较为稳定。

表1 雅砻江流域1960—2018年降水数据

雅砻江流域月降水分布特征见图2，可以看出7月降水量最大；6—9月为主要降水时段，降水量占全年的76.1%；12月至次年2月降水量较少，仅占全年降水量的1.6%。雅砻江流域1960—2018年年平均降水量变化曲线见图3。结合5年滑动平均曲线可以看出，雅砻江流域年平均降水变化经历了6个过程：1960—1973年、1991—1996年、2003—2011年处于减少趋势；1973—1991年、1996—2002年、2012—2018年处于增加趋势。雅砻江流域10年平均降水量分布见表2，可以看出雅砻江流域1960—2019年降水量整体呈增长趋势，其中1960—1979年降水量最少，流域处于枯水期。

图2 雅砻江流域月降雨分布

图3 雅砻江流域1960—2018年年平均降水量变化

表2 雅砻江流域10年平均降水量分布单位：mm

雅砻江流域9个气象站点的年、季平均降水量空间分布见图4。在季节尺度上，9个站点中有4个站点春季平均降水量在100mm以上，整体分布从西向东呈逐渐递增趋势。夏季各站点的平均降水量都大于250mm，下游的4个站点夏季平均降水量均大于500mm，较中上游4个站点明显更大。秋季各站点平均降水量均在150mm左右，夏秋两季流域降雨空间分布上呈现出从西北向东南逐渐递增趋势。9个站点中有4个站点冬季平均降水量在10mm以上，盐源冬季平均降水量最小，只有7mm，冬季流域平均降水量空间分布显现出从西北向东南逐渐递减趋势。由于近60%的年降水量集中在夏季，年降水量与夏季降水具有相似的空间分布，年降水量最高的是西昌站(1004.73mm)，最低的是清水河站(475.22mm)。

图4 雅砻江流域1960—2018年季平均降水量空间分布

3.2 降水趋势分析

利用Mann-Kendall对雅砻江流域年降水和季节降水变化趋势进行分析，结果见图5，流域降水在年际分布和季度分布中，都处于增长趋势。其中，年降水、春季降水处于显著增长趋势，夏季、秋季、冬季降水量增长趋势不明显。计算趋势变化衡量指标β，年序列、春季、夏季、秋季、冬季分别为1.32mm/a、0.61mm/a、0.27mm/a、0.18mm/a、0.05mm/a，年降水序列增长趋势最为明显，四季中春季降水增长趋势最大。

图5 Mann-Kendall 检验值Z及倾斜度β变化

对1960—2018年各气象站平均降水量的变化趋势进行分析(见表3)，流域内7个气象站点年降水量呈增长趋势，但只有2个站点在0.05水平上有显著增长趋势。相比之下，九龙、盐源的年降水量呈减少趋势，但在0.05水平上并没有显著趋势。在季节尺度上，所有站点的春季降水量均呈上升趋势，其中清水河、石渠有显著上升趋势，而夏季、秋季、冬季虽有站点降水量呈下降趋势，但仅占站点总数的1/3，而且下降趋势也无显著性。总体而言，雅砻江流域降水量在各个尺度均表现为增长趋势。

表3 流域测站降水量Mann-Kendall趋势分析

3.3 降水突变分析

采用Mann-Kendall检验法和序列聚类分析两种方法对雅砻江流域的年季降水序列进行突变分析，结果见图6。春季UF和UB在1995年交汇，而最佳分割点显示为1998年，结合降水实测资料分析，1998年前后，年降水平均增加了约20mm，相比于1995年变化更大，虽然诊断结果不同，但将1998年作为突变年更为合理。夏季UF和UB在2005年之后有多处交汇，而最佳分割点为1979年，两种方法检测结果时间间隔较大，因此我们认为没有发生突变。秋季UF和UB也相交于多处，最佳分割点为1962年和2015年，两种方法结合分析确定出1962年为秋季降水序列突变点。冬季降水量的UF和UB在20世纪70年代和80年代有多次交汇，最佳分割点是在1976年，综合来看，将1976年作为冬季降水突变年更为合适。从图6(e)～图6(j)分析来看，UF和UB交点为1980年和2008年，最佳分割点为1980年和1984年，综合来看，将突变年划分为1980年更合适。采用以上两种方法对雅砻江流域内9个气象站点进行降水序列的突变分析，结果见表4，上游站点较下游站点年季降水序列发生突变的情况更多，且上游降水突变主要集中在20世纪80年代左右，而下游站点突变则集中在2000年之后。

图6 雅砻江流域降水序列的M-K检验和序列聚类分析

表4 流域测站降水突变所在年份统计

3.4 降水变化周期分析

降水的周期变化导致径流的涨落，正确认识降雨的周期变化具有重要意义。利用小波分析确定降水序列的周期，雅砻江流域降水的小波变换时频见图7，流域年降水量的周期分别为28年、15年和8年。春季降水量的周期为28年、22年和5年；夏季降水量的周期为28年和8年；秋季降水量的周期为22年和11年；冬季降水量的周期为28年、9年和3年。流域各站点降水年际周期变化统计见表5。从表5可知，流域内各站点年降水的周期集中在28年和8年，春季降水的周期集中在29年和10年，夏季降水的周期集中在28年和8年，秋季降水的周期集中在21年和11年，冬季降水的周期集中在22年和10年。

图7 雅砻江流域降雨序列年、季小波变换时频

表5 流域各站点降水年际周期变化统计单位：年

3.5 降水变化原因分析

全球变暖影响了雅砻江流域降水的变化。特别是20世纪90年代以来，大气中二氧化碳浓度的不断增加导致了全球变暖。较高的平均气温会导致较高的蒸发率、较高的水蒸气含量，从而加速水文循环。全球变暖的一个重要后果是大气湿度增加、雷暴活动和大规模风暴活动增加。在全球变暖的背景下，受大气环流和人类活动的影响，雅砻江流域的降水模式发生了变化。

大尺度大气环流导致雅砻江流域降水变化。东亚夏季风的进退在很大程度上决定了降水季节的时间和降水量的大小。其他类似季风的环流，如西太平洋副热带高压、索马里急流和热带气旋，以及在中高纬度的一个阻塞的高、低槽，也对研究区域的降水变化产生了影响[11]。

另一方面，人类活动对降水也有着重要影响，人类活动不仅改变了地表和大气之间的热、水和动量的交换，而且也改变了城市上空大气的组成。人类活动驱动的土地利用变化影响着当地的水文气象过程，对降水也有显著影响。