东江流域面雨量的气候变化特征

2024-03-13李思萍曾钦文陈银兰钟东良巫燕辉

广东气象 2024年1期

李思萍，曾钦文，陈银兰，钟东良，巫燕辉

（1.河源市气象局，广东河源 517000；2.汕尾市气象局，广东汕尾 516600）

东江是珠江水系干流之一，跨江西、广东两省，发源于寻乌县桠髻钵山，自东北向西南流经河源市龙川县、东源县、源城区、紫金县，以及惠州市博罗县、惠城区等地流入珠江三角洲东部，担负着上述地区生产和生活用水的重要供水任务［1－2］。东江流域地势南低北高，南、北部年均降水量差异大［3－4］，东、西部毗邻粤北和粤东暴雨中心，防汛抗洪形势异常严峻。

面雨量是指某区域（流域）内单位面积的平均降水量，能客观反映该区域（流域）降水情况［5－6］。流域面雨量与江河径流来水量、水库拦蓄泄洪能力密切相关，是评价流域水资源的重要参数，同时是水循环、气候－水文模式等研究的重要基础数据［6－7］。已有诸多研究对我国众多江河流域的面雨量计算方法、雨洪关系等展开深入讨论［8－11］，但目前东江流域面雨量的气候变化特征仍有待研究。本研究通过分析近55年东江流域面雨量的气候变化特征，探索东江流域出现不同量级面雨量的特征和规律，以期为提高流域面雨量预测水平打下基础，同时为防汛抗旱、水库科学调度等决策工作提供参考依据。

1 资料与方法

基于1967—2021年东江流域临近的寻乌、定南、新丰、和平、连平、龙川、河源、紫金、博罗、惠东、惠阳、深圳等共12个国家气象站（当日）20：00至次日20：00的日降水量资料，参考东江流域面雨量的精确度评价结果［8－9］，通过泰森多边形法估算12个站点控制流域面积的权重值计算东江流域逐日面雨量，其中上游站点寻乌、定南、和平、龙川的权重系数分别为0.11、0.07、0.09、0.08，中游连平、新丰、河源、紫金的权重系数分别为0.07、0.06、0.14、0.11，下游站点博罗、惠阳、惠东、深圳的权重系数分别为0.05、0.06、0.12、0.04（图1）。

图1 东江流域范围内气象站点构建泰森多边形网示意图

依据我国江河面雨量等级划分标准（表1）［12］，统计东江流域不同量级面雨量及其日数。以24 h流域暴雨定义作为1个流域暴雨日；每年暴雨日面雨量的累加为年暴雨面雨量；每年流域暴雨日的总数为年暴雨日数；年暴雨面雨量与年暴雨日数的比值即为年暴雨面雨量强度。

表1 江河流域面雨量等级标准

本研究通过线性趋势法、距平分析、相关分析法等分析面雨量变化趋势特征，采用Morlet小波功率谱分析周期变化特征，并利用Mann－Kendall检验和滑动t检验突变点，具体研究方法的原理参见参考文献［13］。

2 结果与分析

2.1 流域面雨量年际变化

1967—2021年东江流域年平均面雨量为1 764.5 mm，最大值为2 552.5 mm（2016年），最小值为1 097.3mm（2021年）。东江流域面雨量年际变化气候倾向率为每10年减少17.86 mm，减少趋势不显著；中上游面雨量年际变化呈减少趋势，下游面雨量年际变化呈增加趋势。从单站降雨量的年际变化趋势来看，仅博罗、惠阳为增长，其余站点为减少（变化趋势均未通过0.05显著性检验）。依据降水距平百分率分析面雨量旱（涝）年的变化情况，旱年指降水距平百分率≤－25%、涝年指降水距平百分率≥25%。结果表明，近55年东江流域有3年旱年、5年涝年，涝多于旱（图2）。旱年集中在多个年代际初期：20世纪90年代、21世纪00年代和20年代；涝年集中在多个年代际中期：20世纪70年代、80年代和90年代，以及21世纪00年代和10年代。

图2 1967—2021年东江流域面雨量年际变化分布

总体上，东江流域面雨量在20世纪90年代以前有着约5～10年的丰（或枯）水期交替特征，即1967—1972年少雨、1973—1983年多雨、1984—1991年少雨；而自20世纪90年代末以来，丰（或枯）水期交替时间缩短至3～5年为主，即1992—1998年多雨、1999—2004年少雨、2005—2008年多雨、2009—2014年少雨、2015—2019年多雨、2020—2021年少雨。流域面雨量丰（或枯）水期交替时间间隔缩短、交替趋于频繁。年面雨量功率谱曲线上的两个峰值分别对应周期尺度为准4.5和准5.7年（图3），并通过0.05显著性水平的红噪音检验，可见流域面雨量丰（或枯）水期存在显著的2～5和5～7年周期振荡。

图3 东江流域面雨量功率谱曲线图

图4 1967—2021年东江流域月平均面雨量及线性倾斜率分布

2.2 流域面雨量月际变化

近55年东江流域4—8月的月平均面雨量均在200 mm以上，远高于其它月份，属于多雨季；常年平均面雨量达1 227 mm，占全年面雨量69.5%；少雨季主要在10月至次年2月，月平均面雨量在100 mm以下，常年平均面雨量约占全年的14.7%。此外，前汛期4—6月年平均面雨量较后汛期7—9月偏多34%。对各月平均面雨量进行一元线性回归分析得到其变化趋势（未通过0.05显著性检验），可见2、4—5、7—10月均为减少趋势，尤以5、10月的面雨量减少趋势最大；1、3、6、11—12月为增加趋势，以6、11月的面雨量增加趋势最大。可见5—6、10—11月的面雨量变化趋势差异大，出现旱涝急转的可能性较大。各季节面雨量年际变化上，春、秋和冬季均呈减少趋势，夏季为增加趋势（均未通过0.05显著性检验）。

近55年东江流域年均雨日为206 d，其中中雨日数占21.5%、大雨日数占11.5%、暴雨及以上量级日数占6.1%（表2）。在不同量级面雨量日数的月际变化上，3—9月雨日居多，年均雨日19 d以上；8月最多，年均雨日达25 d；10月—次年1月雨日偏少，尤以12月最少。从各量级雨日对应的降水量上看出，中雨占25%、大雨占28%、暴雨及以上量级占33%。前汛期雨日较后汛期偏少，但前汛期面雨量达到大雨、暴雨和大暴雨量级的日数多于后汛期；后汛期面雨量为小雨和中雨量级的日数多于前汛期，且特大暴雨量级仅出现在后汛期。

表2 1967—2021年东江流域各月不同量级面雨量日数统计结果 d

2.3 流域面雨量突变

综合Mann-Kendall突变检验和滑动t检验法分析近55年东江流域年面雨量、不同量级面雨量及日数的突变特征，年面雨量的突变检验结果（图5）表明，20世纪70至80年代UF统计值大于0，并在20世纪80年代初通过0.05显著性水平，表明20世纪70至80年代面雨量主要呈增加趋势，从20世纪90年代开始年际变化差异趋于明显。UF和UB曲线首次相交于2004年，之后于2020年出现第2次相交，通过滑动t检验得出突变年份为1991年。可见，自20世纪90年代以来年面雨量变化趋势不显著，主要为阶段性不显著增加或减少的交替变化趋势，突变时间为1991年（通过信度水平0.05的显著性检验）；另一突变时间在2004年之后的UF统计值稳定在0线附近，面雨量变化趋势开始稳定表现为阶段性不显著的增减交替变化。业务上与防汛减灾工作直接相关的流域面雨量量级主要是中雨、大雨和暴雨及以上降水［14］，经检验不同量级面雨量及日数序列的突变特征（表3）可以看出，除暴雨以上量级面雨量的突变不显著外，中雨量级和日数均在2002年出现显著突变，大雨量级则在1983年。

表3 1967—2021年东江流域不同量级面雨量及相应日数的突变特征

图5 1967—2021年东江流域面雨量Mann－Kendall突变检验（a）和滑动t检验（b）

2.4 突变年份前后不同量级面雨量变化

以置信水平95%来确定东江流域不同量级面雨量及日数序列突变时间，结合UF统计值判断突变年份前后的变化趋势特征如表3所示，可见中雨量级面雨量于2002年发生显著突变，2002年以前变化趋势以增减交替为主，期间仅在1972、1977、1991年出现减少趋势，2002年之后维持不显著增加趋势，日数则在2002年以后呈减少趋势，可见21世纪以来中雨面雨量强度有所增强。大雨量级面雨量和日数在突变年份1983年前后的变化趋势相一致，均为前增后减的趋势。暴雨以上量级面雨量及日数的年际变化呈不显著减少趋势，并且无通过检验的突变年份，但通过计算暴雨面雨量降水距平值发现20世纪70年代至21世纪10年代各年代际暴雨面雨量和日数较常年值偏多（或偏少）的年份数量相差不大，将年降水距平百分率＞50%（或＜－50%）达中涝（或中旱）级别以上降水定为降水异常年份。暴雨面雨量达中涝或中旱级别以上年份共有7年，其中有6年降水异常年份出现在2000年之后（中旱及中涝年份各占50%）；2000年之后的暴雨面雨量强度年际变化序列呈缓慢增强的变化趋势（未通过0.05显著性水平检验），可见自2000年以来降水极端性的特征突显，防汛抗旱形势愈加严峻（图6）。