汉江上游汉中区域不同等级降水日数的气候变化特征分析

胡江波,黎 颖

(汉中市气象局，陕西 汉中 723000)

1 引言

降水不仅是一个重要的气候要素，也是一个关键的水文要素，其对区域水资源时空分布、生态环境形成演变以及对工农业生产起着决定性的影响[1]。近年来，在全球气候变暖的背景下，旱涝灾害不断加剧，洪涝灾害的发生不仅与降水量有一定关系，而且与降水日数的多少也有密切的关系[2～10]。研究表明，受气候变化影响，中国幅员辽阔，降水具有区域性和季节性差异，不同区域的不同等级降水也存在明显的空间差异，对旱涝的贡献也不尽相同[11]，也对工农业生产和生态环境构成了严重威胁[12]。

汉江上游是南水北调的中线工程的水源地，负责供给南水北调中线工程70%以上的水，保证了“一江清水送北京”。其旱涝变化与京津供水密不可分，旱涝事件不仅对农业生产及社会活动造成灾害，也将影响到南水北调中线工程调水的稳定性。汉江上游汉中区域处于中国南北气候过渡带，属于亚热带季风气候，气候温和湿润，降水较充沛，但年内分配不均，年际变化较大，旱涝灾害频繁，对区域农业生产、经济增长和社会发展产生了深远影响。在全球气候变化和局地城市化进程的共同影响下，汉江上游汉中区域降水特征也在发生变化，降水的变化将会直接影响京、津地区的供水安全，因而受到各方面的关注。

本文利用1981～2020年近40 a汉江上游汉中区域11个气象观测站逐日降水资料，分析了汉江上游汉中区域不同等级降水日数气候变化特征，研究了各等级降水日数与总降水量关系。以期为汉江上游汉中区域水资源调控及防灾减灾提供科学依据。

2 资料与方法

采用1981～2020年近40 a汉江上游汉中区域11个气象观测站逐日降水资料，数据经过质量检验，无缺测资料，资料序列完整，具有代表性。参照中国气象局降水等级划分标准，将日降水量划分为小雨、中雨、大雨及暴雨4个等级，各等级分别对应一个小雨日、中雨日、大雨日及暴雨日。本文所用的分析方法主要有：相关系数、线性趋势及Mann-Kendall检验等[13～16]，并对上述统计方法进行了显著性检验。

3 不同等级降水日数的空间分布特征

3.1 空间分布

由1981～2020年汉中区域11个气象观测站各等级年平均降水日数的空间分布可见(图1)，总雨日数的高值区位于巴山区的宁强、镇巴一带，次高值区位于秦岭南麓的佛坪、留坝一带，其中宁强年降水日数最多，达145.3 d，其次为镇巴，为137.9 d，汉中平川县区是总降水日数的低值区，其中洋县最少，为116.4 d(图1a)。小雨日数分布(图1b)与总雨日数相似，均为巴山区宁强年小雨日数最多，为114.9 d，平川县区汉台最少，为92.2 d。中雨日数的分布也与总雨日数相似(图1c)，巴山区镇巴最多，达20.3 d，平川县城固最少，为15.3 d。大雨日数在5.7～8.5 d，高值区位于巴山区镇巴(8.5d)，低值区位于汉中中西部地区，呈现出从北向南递增的空间分布趋势(图1d)。暴雨日数也呈现从北向南递增的空间分布趋势(图1e)，其中镇巴暴雨日数达到5.2 d，为区域内暴雨日数最多的地区，暴雨日数最少区域为城固，仅为1.5 d。

比较不同等级降水日数的空间分布特征可知，总雨日数与小雨日数、中雨日数的分布特征相似，均呈现出从中部平川县区向南、北部山区递增的空间分布特征，高值区位于巴山区；大雨日数及暴雨数日基本呈现从北向南递增的空间分布规律；汉中区域多年平均小雨日数为99.4 d，中雨日数为17.3 d，大雨日数为6.9 d，暴雨日数最少，仅为2.3 d。

3.2 气候变化趋势

分析汉中区域不同等级降水日数空间气候变化趋势可知(图2)，汉中区域总雨日数都呈下降趋势，中东部区域是总雨日数下降最快的地区，6个县区通过了0.05水平的F检验，佛坪总雨日数下降趋势最明显，达到5.1 d/10 a(图2a)。小雨降水日数在区域内也表现出下降趋势，城固、西乡通过了0.05水平的F检验，佛坪通过0.01水平的F检验(图2b)。中雨降水日数在略阳、宁强、留坝、镇巴呈现上升趋势，留坝通过了0.05水平的F检验，其余县区则表现为下降趋势，但均未通过显著性检验(图2c)。大雨日数的气候变化趋势中，留坝、佛坪中雨日数的回归系数为正值，其余8个县区中雨日数的回归系数为负值，均未通过显著性检验(图2d)。暴雨日数均为减少趋势，且均未通过显著性检验(图2e)。综合分析表明，近40a来汉中区域总雨日数、小雨日数和暴雨日数均表现为减少趋势，而中雨日数及大雨日数局部呈上升趋势，但是大部分地区表现为下降趋势。

图1 1981～2020年研究区不同等级降水日数空间分布(单位：d)

4 不同等级降水日数的时间变化

4.1 年际变化

图3给出了1981～2020年汉中区域不同等级降水日数年际变化情况。各等级降水日数总体上表现为减少趋势，其中，总雨日数及小雨日数线性变率通过了0.05水平的显著性检验，中雨日数、大雨日数及暴雨日数虽然也呈现出减少趋势，但是未能通过显著性检验。

汉中区域多年平均总雨日数为125.9 d，年总雨日数最多的年份为1989年(148.5 d)，较常年偏多22.6 d，年总雨日数最少年份为2013年(105.3 d)，较常年偏少20.6 d。6次多项式拟合曲线表明，年总雨日数20世纪80年代初到1991年为偏多时段，90年代初到2017年为偏少时段，2017年之后又年总雨日数又逐渐增加(图3a)。多年平均小雨日数为99.4 d，年小雨日数最多年份为1984年(120.5 d)，较常年偏多21.1 d，年小雨日数最少年份为2013年(21.9 d)，小雨日数的变化趋势与总雨日数相似，也表现为20世纪80年代初到1991年为偏多时段，90年代初到2017年为偏少时段，之后逐渐增加(图3b)。中雨日数80年代为偏多时段，90年代初到2009年为偏少时段，2010年以后又缓慢上升(图3c)。大雨日数的变化趋势与中雨日数大体相似，80年代为偏多时段，90年代初到2004年基本为偏少，2005年之后有呈现出偏多(图3d)。暴雨日数与其他等级降水日数分布明显不同，呈现波动性变化，20世纪80年代初期到中期为暴雨日数偏多时段，20世纪中后期到2004年转为偏少时段，从2005年开始2014年又转为相对偏多阶段，2015年之后暴雨日数表现为下降趋势(图3e)。

图中阴影区表示回归系数通过0.05显著性水平的F检验

4.2 不同等级降水日数的突变检验

气候突变指从一种稳定态(或持续稳定的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或持续稳定的变化趋势)的现象[17,18]。Mann-Kendall检验(以下简称M-K检验)能够分析序列的趋势变化，而且还能够明确突变开始的时间、突变区域，是一种常用的突变检测方法[1]。分析1981～2020年汉中区域总雨日数的M-K检验(图4a)，在20世纪90年代以前，UB和UF曲线在置信区范围内相交2次，最后一次相交为1989年，UF曲线后续呈现出逐渐下降趋势，因此确定总雨日的突变年份为1989年。对于小雨日数，从20世纪80年代初开始，UF曲线呈现波动性减少趋势，UF和UB曲线相交于1992年，且位于置信区间内，在2007年达到了显著性水平并持续至今(图4b)，因此，小雨日数的突变年份为1992年。

分析1981～2020年汉中区域其它等级雨日数(中雨日数、大雨日数和暴雨日数)M-K检验可知，UB和UF曲线交点位于端点末尾处，在此后也未能突破α=0.05的临界线，因此，中雨日数、大雨日数和暴雨日数在研究时段内没有发生突变。

图3 1981～2020年研究区不同等级降水日数年际变化

图4 1981～2020年研究区总雨日数及小雨日数时间变化的M-K检验

5 不同等级降水日数和总降水量关系

对各等级的降水日数和总降水量时间变化(1981～2020年汉中区域11个气象观测站平均的时间序列)的相关性进行分析可知(表1)。

小雨日数、中雨日数与总雨日数的相关系数通过了0.01水平的显著性检验，达到极显著水平，大雨日数与总雨日数的相关系数通过了0.05水平的显著性检验，达到显著水平。暴雨日数和总雨日数的相关系数未通过显著性检验。说明小雨日数、中雨日数和大雨日数对总雨日数均有明显影响，其中小雨日数对总雨日数影响最大。中雨日数、大雨日数和暴雨日数与总降水量的相关系数均达到极显著水平，对总降水量有着十分明显的影响，其中，大雨日数和暴雨日数与总降水量的相关系数更是达到0.84以上，表明总降水量贡献率最主要来源于大雨日数和暴雨日数。

表1 1981～2020年汉中区域不同等级降水日数和总降水量相关系数

6 结论与讨论

(1)近40 a汉中区域总雨日数与小雨日数、中雨日数的均呈现出从中部平川县区向南、北部山区递增的空间分布特征；大雨日数及暴雨数日基本呈现从北向南递增的空间分布规律；从汉中区域不同等级降水日数空间气候变化趋势来看，近40 a来总雨日数、小雨日数和暴雨日数均表现为减少趋势，而中雨日数及大雨日数局部呈上升趋势，但是大部分地区表现为下降趋势。

(2)近40 a汉中区域不同等级降水日数总体上表现为减少趋势，其中，总雨日数及小雨日数线性变率通过了0.05水平的显著性检验，中雨日数、大雨日数及暴雨日数虽然也呈现出减少趋势，但是未能通过显著性检验。

(3)汉中区域小雨日数与总雨日数的变化趋势相似，均表现为20世纪80年代初到1991年为偏多时段，90年代初到2017年为偏少时段，之后逐渐增加。中雨日数80年代为偏多时段，90年代初到2009年为偏少时段，2010年以后又缓慢上升。大雨日数的变化趋势与中雨日数大体相似，80年代为偏多时段，90年代初到2004年基本为偏少，2005年之后有呈现出偏多。暴雨日数与其他等级降水日数分布明显不同，呈现波动性变化，20世纪80年代初期到中期为暴雨日数偏多时段，20世纪中后期到2004年转为偏少时段，从2005～2014年又转为相对偏多阶段，2015年之后暴雨日数表现为下降趋势。总雨日数的突变年份为1989年，小雨日数的突变年份为1992年，中雨日数、大雨日数和暴雨日数在研究时段内没有发生突变。

(4)汉中区域小雨日数、中雨日数和大雨日数对总雨日数均有明显影响，其中小雨日数对总雨日数影响最大。中雨日数、大雨日数和暴雨日数与总降水量的相关系数均达到极显著水平，其中，大雨日数和暴雨日数与总降水量的相关系数更是达到0.84以上，表明总降水量贡献率最主要来源于大雨日数和暴雨日数。

(5)研究结论有助于加深对汉江上游汉中区域不同等级降水事件的理解和认识，事实上汉中区域的降水不仅受到秦岭及巴山特殊地形的影响，还与环流背景、水汽输送等因素的有关，后续还要做进一步研究。