岷江流域近65年降水量时空变化特征分析

杜 聪，李 洪，由丽华，宋文武*，马龙伟

(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039；2.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

受全球变暖影响频发的各种极端气候灾害，严重影响了人类的日常生活与生产活动。IPCC在第五次全球气候评估报告中指出，随着全球平均地表温度的上升，中高纬度地区的极端降水事件频率增加、强度加大[1]。岷江流域不仅是成都平原的主要水源地，也是保障长江上游地区生态安全的屏障，了解岷江流域的降水时空变化特征，为当地制定防洪与排涝等策略提供重要依据，对相关区域人类的生态、生活、生产的保护具有重要的意义。

针对区域降水趋势变化和突变特征，国内外学者对此进行了大量研究。B.Nyikadzino等[2]采用Mann-Kendall突变检验法分析了Limpopo河流域的降水和径流突变特征，结果表明流域内降水活动有显著减少的趋势，但极端降水次数和径流量呈上升趋势。彭菊等[3]通过分析贵州省1960—2014年的年、最大月降水量的时空变化特征，得出了地形地貌和季风对贵州省境内的降水量有显著影响，年均降水量总体有下降趋势并表现出从南向北递减的空间分布格局。洪美玲等[4]使用反距离权重插值法和Kendall非参数检验法对怒江流域内年际降水特征、年内强度特征以及极端降水事件进行了分析，结果表明怒江流域中、下游集中了流域内的绝大部分降水量，流域内极端降水量和极端降水次数的变化趋势相符，总体上呈波动性上升趋势。Abiot Ketema等[5]评估了埃塞俄比亚Tikur Wuha流域1978—2017年水文要素的月、季和年变化趋势，结果表明该流域年均降水量以20.8 mm/10a的速率下降，但流域内气温和径流量呈现显著的上升趋势。张艺玄等[6]对长江中下游地区1958—2017年的暴雨变化特征进行了趋势变化分析及突变检验，分析结果表明1988年是近60年长江中下游地区暴雨变化显著的突变点，且该年后年均暴雨量、暴雨日数和暴雨强度较1988年前显著增加。黄建刚等[7]针对贡水流域内近60年的降雨量和流域面雨量序列进行多时间尺度特性分析，发现贡水流域自1957年以来多年平均降雨量以1.39 mm/a的速率缓慢增长，不存在显著变化趋势和突变情况。孙雯等[8]对西江流域夏季降水量的空间分布和变化规律及成因进行了定量分析，发现西江流域夏季降水重心呈东西走向分布且有向东南沿海移动的趋势。邹雄媛等[9]对赣江流域自20 世纪后半期以来的极端降水事件进行分析，结果表明赣江流域内极端降水量(R95)、极端降水强度(RI95)、连续五日最大降水量(RX5day)和一日最大降水量(RX1day)等极端降水指数呈现自东北平原丘陵区向西南山地丘陵区递减的空间分布格局，极端降水天数(RD95)则呈现自西向东递减的趋势。

但目前针对岷江流域地区这方面的研究不多，国内研究学者对岷江流域的研究主要集中在径流、产沙、气温变化等方面。如董炳江等[10]针对岷江流域汛期暴雨产沙特性进行研究，发现岷江流域受暴雨洪水影响导致流域侵蚀量增大，河流来沙量大幅度增加。王俊鸿等[11]利用经验模态分解法针对岷江上中游地区的年径流量序列进行了周期、趋势和统计分析，结果发现岷江上中游地区自1956年来径流量持续减少，径流的低频周期的离散程度在高频周期的基础上呈倍数放大。甄英等[12]对岷江流域1955—2014年的气温资料进行了分析，分析结果表明岷江流域近60年来气温呈上升趋势并以由北向南温度递增的规律变化。郭卫等[13]通过还原岷江流域高场站的天然径流过程并以此分析，发现岷江流域径流变化趋势呈现显著下降。马亚丽等[14]利用SWAT模型对岷江上游高纬度地区进行融雪计算分析，结果表明岷江上游地区降水和融雪是径流的主要来源，且降融雪量占比随着河流由上至下逐渐降低。徐留兴[15]基于小波分析对岷江上游年径流时间序列变化进行多时间尺度分析，揭示了岷江上游天然年径流存在5年、13年和24年左右的周期性变化。倪春迪[16]利用“3S”技术模拟岷江上游植被空间格局及气象变化，研究表明径流与植被、降水和气温等关系密切，且存在明显的季节动态。周大杰等[17]对岷江流域汛期降水时空特征进行了分析，发现岷江流域汛期降水时间呈下降趋势，并存在周期性变化。

综合现有研究不难发现，目前针对岷江流域气候变化研究尚少，本次研究通过选取年降水量、最大季降水量两个特征变量，采用线性趋势分析法、累积距平检验和滑动t检验对岷江流域降水量进行趋势变化分析及突变检验，探讨岷江流域降水量的年际和季节性演变规律，为岷江流域防洪排涝等策略提供借鉴。

1 研究区域概况

岷江流域地处四川盆地西部边缘(99°42′～104°40′E，28°20′～33°38′N)，总流域面积近13.6万 km2，干流河道全长约735 km。流域内水量丰沛，水力资源丰富，径流主要来源为流域降水，部分由上游高山融雪补给。流域降水量受季节影响，夏季高温多雨而冬季温和少雨，多年平均气温约14℃，多年平均降水量约900 mm，5—10月为汛期，降水量可占到全年降水量的80%以上，土地利用类型以耕地、林地和草地为主，流域内人口、城市多聚集于岷江中下游和沱江流域。

受地形地貌影响，岷江流域上游地区兼具川西高原气候区和川东盆地亚热带气候区的特点。上游北部寒冷高原区多年平均气温不到10℃，多年平均年降水量不足700 mm，多年平均年蒸发量超过1 000 mm。中部汶川一带受下沉气流的影响，焚风效应显著，呈现干燥少雨、风大、蒸发量大的特点，降水量不足600 mm，多年蒸发量超过800 mm，远大于降雨量。下部映秀至都江堰段属盆地亚热带气候区，气候环境与中上段大相径庭，降水量大而蒸发少，多年平均气温维持在15℃左右，多年平均年降水量超1 000 mm，年降水日数可达200 d左右，雨日较多，日照少，多年平均年蒸发量不足800 mm。总的说来，岷江上游地区跨越2个不同的自然气候区，汶川以上气温低、雨量少且强度很小，蒸发量大；汶川以下气温高、降雨多，强度大，蒸发小。

岷江流域中下游位于闻名全国的青衣江暴雨区，属亚热带湿润气候区，流域内水资源丰富。在地理位置、地形制约和季风环流的共同影响下，气候变化稳定，雨热同期。流域内大部分处于暴雨区，降水量自西北向东南递增，北部宝兴地区多年平均降雨量不足800 mm，而东部雅安地区可达1 800 mm，荥经麓池地区超过2 400 mm，7—9月降水量约占全年60%左右，而3—5月的春灌期不足20%。

2 数据来源与研究方法

2.1 降水数据来源

降水数据来源于国家青藏高原科学数据中心(https://data.tpdc.ac.cn)提供的《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集》[18]。为保障数据的连续性，对于个别站点的缺失数据则采用临近站点数据插补，最后得到岷江流域内的50个气象站点1956—2020年的逐日降水量数据，各站点的名称、经纬度、观测场海拔高度及所在地地貌单元等信息见图1。

图1 岷江流域及各流域单元区气象站点空间分布

2.2 研究方法

针对岷江流域50个气象站点1956—2020年的降水日值数据，选取年降水量、最大季降水量2个特征变量，通过数据筛选和统计，得到了岷江流域年降水量、最大季降水量的年际变化和季节性变化趋势，为更好反映岷江流域地区降水量的变化趋势和突变情况，采用线性趋势法对降水量变化进行趋势分析，并通过累积距平检验和滑动t检验分析特征变量的突变情况。

3 结果与分析

3.1 降水量空间分布特征

采用Kriging插值法[19]得到的1956—2020年岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量空间分布情况见图2。从图2中可以看出，1956—2020年65年间，岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量高值中心均出现在岷江流域中游雅安中东部、眉山西南部和乐山北部地区，多年平均降水量最高可达1 783 mm，最大季平均降水量超过900 mm。岷江流域多年平均降水量和最大季平均降水量的空间分布特征基本保持一致，总体上呈现出自西北部高原地区向东南部盆地地区递增的空间分布格局，流域中下游地区降水充沛，水资源丰富，上游地区则普遍缺少降水，水资源较为稀缺。

a)多年平均降水量

3.2 年降水量变化趋势及突变检验

3.2.1年降水量变化趋势

图3为岷江流域及各流域单元区年降水量变化趋势，不难看出，岷江流域年降水量在2020年达到峰值1 156 mm，上游、中游和下游地区年降水量峰值分别为2020年的972 mm、2018年的1 569 mm和1961年的1 558 mm；岷江流域年降水量最小值为1972年的806 mm，与峰值差距超过300 mm，上游、中游和下游年降水量最小值分别为2002年的581 mm、2006年的1 029 mm、2011年的722 mm。

为更好地反映岷江流域及各流域单元区年降水量的趋势变化，采用线性倾向率[20]来描述气象要素的变化幅度，由图3可以看出，从区域整体的角度分析，岷江流域1956—2020年65年内的年降水量有略微上升的趋势，变化倾向率为1.028 mm/10a；从各个流域单元区的角度来看，上游地区年降水量呈增长趋势，线性倾向率为11.711 mm/10a；中游地区年降水量呈现下降趋势，线性倾向率为-11.916 mm/10a；下游地区降水量下降趋势最为明显，线性倾向率高达-29.103 mm/10a。

b)全流域与中游

c)全流域与下游

3.2.2年降水量突变检验

上述内容表明了岷江流域及各流域单元区的年降水量变化趋势，为进一步研究此种变化趋势存在突变与否，通过累积距平检验和滑动t检验对年降水量进行突变分析及检验。

图4为岷江流域及各流域单元区的年降水量累积距平分析，从图中的降水量累积距平曲线可以直观地看出：1956—2020年岷江流域年降水量累积距平大体上可划分成4个阶段，1956—1967年的年降水量累积距平呈现上升趋势；1967—1990年整体波动较大，无显著变化；1990—2012年呈现出明显的下降趋势；2012年后又逆势上升。上游地区1956—1974年的年降水量累积距平为下降趋势；1974—1992年近20年间变化平缓，虽小有波动但无明显的上升或下降趋势；1992—2010年总体平缓略有下降，波动较大；2010年后呈现出上升趋势。中游地区1956—1961年的年降水量累积距平的上升趋势显著；1961—1992年30年间有大幅度波动，总体变化趋势略有增加；1992—2017年呈现明显下降趋势；在2017年后复现增长趋势。下游地区1956—1991年的年降水量累积距平整体呈现上升的趋势，1991—2017年则表现为下降趋势，而后突然增加。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

进一步采用滑动t检验对岷江流域及各流域单元区1956—2020年的年降水量变化进行突变检验，由于这里主要针对年降水量的年际变化进行分析，因此选取两子序列长度n1=n2=10，并取置信度α=0.05。检验结果见图5，1956—2020年岷江流域年降水量变化在1966、2010年附近均突破临界值，说明此处可能存在突变情况，结合此前的累积距平检验结果，可知岷江流域年降水量在1966、1985年有突变点。上游地区年降水量变化在研究期内有2次突破临界值，对比累积距平检验结果，说明岷江流域上游地区年降水量在1974、2010年发生了突变。中游地区年降水量变化在1966、1922年附近变化幅度较大，但并不显著。下游地区的年降水量变化在1990年附近通过了95%的显著性检验，结合累积距平检验结果分析，可判断岷江流域下游地区年降水量的突变情况发生在1990年。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

3.3 最大季降水量变化趋势及突变检验

3.3.1最大季降水量变化趋势

图6为1956—2020年岷江流域及各流域单元区最大季降水量变化趋势，由图中不难看出，岷江流域最大季降水量峰值为2020年的703 mm，上游、中游和下游地区峰值分别为2020年的587 mm、1961年的997 mm和1958年的1 059 mm；岷江流域最大季降水量最低值出现在2006年(387 mm)，其中上游、中游和下游地区最低值分别在1997年(293 mm)、1982年(467 mm)和2006年(344 mm)取得。

由图6不难发现，岷江流域1956—2020年65年的最大季降水量呈现出逐年减少的趋势，线性倾向率为-0.897 mm/10a；上游地区最大季降水量变化表现出增长趋势，线性倾向率为4.408 mm/10a；中游地区最大季降水量以-6.705 mm/10a的线性倾向率逐年减少；趋势变化幅度最大的区域是流域下游地区，线性倾向率高达-18.493 mm/10a。

a)全流域与上游

b)全流域与中游

c)全流域与下游

3.3.2最大季降水量突变检验

图7为岷江流域及各流域单元区最大季降水量累积距平分析，直观反映了岷江流域最大季降水量的变化趋势：1956—2020年岷江流域最大季降水量累积距平大体上可分为5个阶段，1956—1966、1982—1993、2017—2020年3段时间内的最大季降水量累积距平呈上升趋势，1966—1982、1993—2017年期间最大季降水量累计曲线呈下降趋势。上游地区1956—1967年的最大季降水量累积距平呈上升趋势，1967—1978年急剧下降，1978年后复现增长趋势并保持增长至1993年，1993年后呈下降趋势，2009年后逆势上升，至2020年达到峰值。中游地区1963—1983、1991—2017年2个时段内的最大季降水量累积距平曲线整体呈下降趋势，其余时间保持增长趋势。下游地区在1962年之前最大季降水量累积距平上升迅速，1962—1991年期间降水量波动较大但总体上呈小幅度增长趋势，1991年后降水一反往常，降水量迅速下降直至2017年后方才出现微小的增长趋势。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

岷江流域及各流域单元区1956—2020年的最大季降水量突变检验分析见图8。由图8a可知，岷江流域最大季降水量变化在研究期内3次突破临界值，对比之前的累积距平检验结果，表明研究序列在1966、1992、2009年有突变点。由图8b可以看到，岷江流域上游地区最大季降水量变化的突变情况发生在1966、1979、2010年。从图8c中不难看出，中游地区最大季降水量变化在1983、1991年附近突破临界值，联合累积距平检验分析可知，中游地区最大季降水量变化在1983年和1991年均发生了突变情况。图8d表明，下游地区最大季降水量变化波动较为平缓，在60年代后长期保持下降趋势，降水量突变也发生在这一时期。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

4 结论

基于岷江流域50个气象站点1956—2020年的逐日降水量数据，利用年降水量、最大季降水量作为降水特征变量，并采用线性趋势分析、累积距平检验和滑动t检验对降水特征变量进行趋势变化分析及突变检验，得到了以下结论。

a)岷江流域1956—2020年的年降水量总体上呈现出自西北部高原地区向东南部盆地地区递增的空间分布格局，上、中、下游流域段的雨量分布存在明显差异，上游地区多位于高原气候区，受地形变化影响，降水量少而蒸发量大，中、下游地区处于青衣江暴雨区，流域内降水充沛。

b)1956—2020年岷江流域年降水量整体上体以1.028 mm/10a的变化率缓慢上升，上升趋势变化稳定，不存在大变幅。上游地区年降水量以11.711 mm/10a的速率逐年增加，2017年后这种趋势一度越过0.05的显著性水平，表明岷江上游地区年降水量的上升趋势是十分显著的。岷江流域中、下游地区由于降水量丰富，降水量代际变化幅度较大但总体上呈减少趋势。

c)岷江流域降水量的空间分布极为不均，整体自西北向东南方向递增，降水量集中于流域中游地区，降水量突变年份较多，研究结果对深入了解岷江流域降水时空变化特征具有重要意义，流域管理部门应提前做好应对洪涝灾害等措施，可充分利用紫坪铺水库的蓄丰补枯能力，汛期保障下游安全，枯水期保障下游工农业及生活用水，对于下游地区经济社会发展具有积极作用。