盧雅婷，張小峰

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，直接決定地表水資源的分配。探討水資源的時(shí)空變化特征對(duì)水資源的合理利用具有指導(dǎo)意義[1]。金沙江流域作為“十三五”水電規(guī)劃重點(diǎn)基地，其戰(zhàn)略地位不言而喻。該區(qū)域降水變化不僅當(dāng)?shù)睾娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有密切聯(lián)系，也對(duì)水電資源開發(fā)有巨大影響，更是長(zhǎng)江流域上游來(lái)水的主要組成部分。當(dāng)前，關(guān)于金沙江流域的水文研究多集中在水文氣象因子方面，如盧璐等[2]指出金沙江降水、氣溫與徑流存在良好的相關(guān)關(guān)系；趙慶由等[3]通過(guò)39 a數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，闡述了流域降水、氣溫、蒸發(fā)量對(duì)金沙江流域環(huán)境的影響；陳媛等[4]根據(jù)金沙江流域47 a降水?dāng)?shù)據(jù)，利用Mann-Kendall分析法、有序聚類、小波分析法討論了年降水變化；張方偉等[5]收集金沙江1960-2010年逐日降水資料對(duì)流域進(jìn)行多時(shí)空降水特征分析。金沙江流域地理復(fù)雜，區(qū)域降水特征差異較大。上述研究以氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析為主，對(duì)不同流域區(qū)段、不同時(shí)間尺度降水變化研究還不夠深入。本文以金沙江干流流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用1957年至2015年的降水?dāng)?shù)據(jù)，時(shí)間序列長(zhǎng)達(dá)60 a，從趨勢(shì)、突變、周期三個(gè)角度對(duì)不同河段降水年際和年內(nèi)變化特征，進(jìn)行系統(tǒng)全面分析，旨在為金沙江流域水資源科學(xué)利用、水情緊急事件應(yīng)對(duì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

金沙江流域(24°～36°N，90°～105°E)發(fā)源于我國(guó)青海省唐古拉山主峰各拉丹冬雪山，長(zhǎng)2 316 km，流域面積34 萬(wàn)km2，多年平均流量4 750 m3/s，流域內(nèi)最大支流為雅礱江。金沙江流經(jīng)青藏高原東部、云貴高原西北部、川西南山地和四川盆地西南部，南北跨度9°以上。流域地勢(shì)北高南低，地域廣闊，地形極為復(fù)雜，眾多高山峽谷相間并列。該流域氣候復(fù)雜獨(dú)特，是我國(guó)干熱河谷地區(qū)的典型代表[6]。徑流以降水補(bǔ)給為主，地下水和冰雪融水補(bǔ)給為輔。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，選取了圖1所示的金沙江干流16個(gè)氣象站點(diǎn)1957-2015年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，并根據(jù)其所在流域范圍分為河源段，上游段，中游段，下游段，站點(diǎn)資料見表1。

1.3 研究方法

本文主要采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Thiel-Sen方法及Morlet小波分析法，分別對(duì)金沙江流域降水趨勢(shì)、突變特征、周期變化進(jìn)行分析，全面反映降水時(shí)間序列變化特點(diǎn)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)又稱MK檢驗(yàn)，是一種基于秩的非參數(shù)檢驗(yàn)，可用于檢測(cè)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)[7]。定義統(tǒng)計(jì)值S和標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z計(jì)算如下：

(1)

式中：Xj和Xi分別是j和i年所對(duì)應(yīng)的數(shù)值；n為時(shí)間序列數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

表1 金沙江干流氣象站點(diǎn)分段表Tab.1 Segment table of meteorological stations in the mainstream of Jinsha River

S近似服從正態(tài)分布，均值為0，方差Z如下式：

(2)

在序列突變檢驗(yàn)中，定義一統(tǒng)計(jì)變量fk,其計(jì)算公式如下:

(3)

式中：統(tǒng)計(jì)變量mi為第i個(gè)樣本xi值大于第j個(gè)樣本xj的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列相互獨(dú)立、隨機(jī)并且同分布的假設(shè)下，fk為正態(tài)分布，其方差Var(fk)、均值E(fk)。將fk標(biāo)準(zhǔn)化得：

(4)

然后按時(shí)間序列逆序xn，xn-1，…，x1,重復(fù)上述過(guò)程，則逆序列UB(fk)如下：

(5)

計(jì)算出的UF(fk)和UB(fk)將分別構(gòu)成兩條曲線C1和C2，最后在給定的α顯著性水平下，繪制曲線C1，曲線C2和臨界值直線圖，當(dāng)曲線C1超過(guò)臨界值線，即表示序列存在明顯變化趨勢(shì)，且曲線C1和曲線C2相交，兩者交點(diǎn)在兩臨界線內(nèi)，則表明該點(diǎn)是時(shí)間序列開始發(fā)生突變的點(diǎn)。

非參數(shù)方法Thiel-Sen方法[8]常用來(lái)估計(jì)時(shí)間序列變化趨勢(shì)幅度大小，能很好地限制外界因素對(duì)時(shí)間序列趨勢(shì)變化的干擾。

(6)

式中：Xj和Xi為時(shí)間序列數(shù)據(jù)中第j年和第i年所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，是時(shí)間序列趨勢(shì)幅度變化估計(jì)值。

(7)

式中：Ψ(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為時(shí)間因子，反映時(shí)間上的平移。

2 降水變化分析

2.1 趨勢(shì)分析

圖2是金沙江干流年際變化分析結(jié)果，可得知，1957-2015年間金沙江干流多年平均降水量為682.6 mm，干流年際降水變化幅度大，但整體變化趨勢(shì)不顯著；降水累計(jì)距平圖3表明金沙江干流降水量具有階段性，1957-2015年間降水量可大致分為以下幾個(gè)時(shí)段(持續(xù)時(shí)間3年以上)：兩個(gè)降水顯著增加時(shí)間段分別是1963-1966年和1996-2002年，五個(gè)降水顯著減少時(shí)間段分別是1957-1960年，1966-1972年，2002-2006年，2008-2014年。結(jié)合前人已有研究成果[2]，可以發(fā)現(xiàn)，金沙江流域近60 a來(lái)降水年際變化幅度小，降水量總體呈現(xiàn)略微增加；有學(xué)者[4]研究表明1957-2004年金沙江多年平均降水量為650 mm左右，與本文研究得出的年降水量值綜合比較，可以推斷，2004-2015年間降水量有所增加。

圖2 金沙江干流年降水量變化圖Fig.2 Annual precipitation changes in the mainstream of Jinsha River

圖3 金沙江干流年降水量累計(jì)距平Fig.3 Cumulative departure of annual precipitation in the mainstream of Jinsha River

利用MK檢驗(yàn)方法和Thiel-Sen方法對(duì)金沙江流域年際降水變化進(jìn)一步分析，表2列出了MK趨勢(shì)分析結(jié)果和趨勢(shì)幅度變化估計(jì)結(jié)果。分區(qū)段趨勢(shì)分析表明，只有河源段MK趨勢(shì)檢驗(yàn)呈顯著上升趨勢(shì)(顯著性水平為5%)，上中下游則無(wú)顯著變化趨勢(shì)，綜合區(qū)段結(jié)果來(lái)看，也得到金沙江干流降水變化無(wú)顯著趨勢(shì)的結(jié)論，與線性趨勢(shì)分析結(jié)果互為印證。雖然降水趨勢(shì)幅度變化估計(jì)值上游以上河段與中下游段相反，但考慮到MK趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，只有河源段降水趨勢(shì)幅度變化估計(jì)值是有效的。

表2 金沙江流域降水MK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of Mann-Kendall Test in Jinsha River Basin

圖4 金沙江干流春季降水變化圖Fig.4 Annual precipitation changes in the mainstream of Jinsha River in Spring

圖5 金沙江干流夏季降水變化圖Fig.5 Annual precipitation changes in the mainstream of Jinsha River in Summer

圖6 金沙江干流秋季降水變化圖Fig.6 Annual precipitation changes in the mainstream of Jinsha River in Autumn

圖7 金沙江干流冬季降水變化圖Fig.7 Annual precipitation changes in the mainstream of Jinsha River in Winter

按季節(jié)對(duì)全年12個(gè)月進(jìn)行劃分，3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12-翌年2月為冬季。圖4-圖7從季節(jié)尺度上對(duì)金沙江干流降水量趨勢(shì)變化來(lái)分析。水量上，夏季降水量局首位，秋季次之，春季第三，冬季最小。根據(jù)線性趨勢(shì)分析結(jié)果，金沙江干流春季呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，夏秋冬三季則呈減少趨勢(shì)，春季降水增加趨勢(shì)為3.6 mm/(10 a)，夏季降水減少趨勢(shì)為0.9 mm/(10 a)，秋季降水減少趨勢(shì)為0.8 mm/(10 a)，冬季降水減少趨勢(shì)為0.2 mm/(10 a)?？偟膩?lái)說(shuō)，降水變化四季特征顯著，其中春季降水變化速率最大，說(shuō)明季節(jié)交替對(duì)降水的影響存在差異，這與金沙江流域特殊的氣候有關(guān)[3]。

2.2 突變分析

從金沙江干流年降水統(tǒng)計(jì)圖可看出，不同年份降水差異大，采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[式(3)～式(5)]對(duì)金沙江流域降水進(jìn)行突變分析，圖8～圖12繪制了金沙江降水MK突變點(diǎn)識(shí)別圖。

圖8 金沙江干流降水序列MK突變分析圖Fig.8 Mann-Kendall method of precipitation in the mainstream of Jinsha River

圖9 金沙江河源降水序列MK突變分析圖Fig.9 Mann-Kendall method of precipitation in the headstream of Jinsha River

圖10 金沙江上游降水序列MK突變分析圖Fig.10 Mann-Kendall method of precipitation in the upper reaches of Jinsha River

圖11 金沙江中游降水序列MK突變分析圖Fig.11 Mann-Kendall method of precipitation in the middle reaches of Jinsha River

圖12 金沙江下游降水序列MK突變分析圖Fig.12 Mann-Kendall method of precipitation in the lower reaches of Jinsha River

在MK突變識(shí)別圖中，UFk和UBk曲線位于臨界值±1.96范圍內(nèi)的交點(diǎn)即為降水發(fā)生突變的年份。顯然，從全流域看，干流在1960年和2012年發(fā)生了突變；分區(qū)段看，金沙江上游、下游突變年份較多，河源、中游突變年份相對(duì)較少。各區(qū)段降水突變年份如下：河源突變年份為1968年、1970年、2004年；上游突變年份為1958年、1977年、1980年、1992年、2013年；中游突變年份為1961年、2011年；下游突變年份為1964年，1969年，1974年，1985年，1998年，2008年。以上結(jié)果表明，金沙江干流流域降水空間變化差異較大。接著應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)來(lái)分析可能的突變年份。

圖13 金沙江干流春季MK突變檢驗(yàn)圖Fig.13 Mann-Kendall test of precipitation in the mainstream of Jinsha River in Spring

圖14 金沙江干流夏季MK突變檢驗(yàn)圖Fig.14 Mann-Kendall test of precipitation in the mainstream of Jinsha River in Summer

圖15 金沙江干流秋季MK突變檢驗(yàn)圖Fig.15 Mann-Kendall method of precipitation in the mainstream of Jinsha River in Autumn

圖16 金沙江干流冬季MK突變檢驗(yàn)圖Fig.16 Mann-Kendall method of precipitation in the mainstream of Jinsha River in Winter

由金沙江干流四季MK突變檢驗(yàn)圖結(jié)果，春季降水沒(méi)有突變的情況，夏季降水突變發(fā)生在1965年、1971年、2001年和2007年，秋季降水突變發(fā)生在1964年和2009年，冬季降水突變發(fā)生在1959年和2012年。以上結(jié)果顯示了金沙江流域降水的區(qū)域性、季節(jié)性及復(fù)雜多變性。金沙江流域處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，但氣候又兼有高原山地氣候、半干旱氣候的特點(diǎn)，其獨(dú)特的地形又導(dǎo)致不同區(qū)域、不同季節(jié)降水特征差異大。

2.3 周期分析

分別對(duì)金沙江干流流域年季進(jìn)行Morlet小波分析，并畫出小波系數(shù)實(shí)部等值線圖來(lái)反映降水系列在不同時(shí)間尺度上的周期變化特點(diǎn)。圖17～圖21 均凸顯了降水過(guò)程的多時(shí)間尺度特征，圖中虛線為負(fù)值，代表降水偏少期；實(shí)線為正值，降水偏多期。

圖17 干流全年小波系數(shù)圖Fig.17 Contour of wavelet coefficients of annual precipitation in mainstream of Jinsha River

圖18 干流春季小波系數(shù)圖 Fig.18 Contour of wavelet coefficients of spring precipitation in mainstream of Jinsha River

圖19 干流夏季小波系數(shù)圖Fig.19 Contour of wavelet coefficients of summer precipitation in mainstream of Jinsha River

圖20 干流秋季小波系數(shù)圖Fig.20 Contour of wavelet coefficients of autumn precipitation in mainstream of Jinsha River

圖21 干流冬季小波系數(shù)圖Fig.21 Contour of wavelet coefficients of winter precipitation in mainstream of Jinsha River

全年降水存在8～22 a、15～32 a兩類時(shí)間尺度的周期變化。在15～32 a尺度上，1978-2017年出現(xiàn)了兩次降水豐-枯交替的變化；8～22 a尺度上，1964-1984年全年降水經(jīng)歷了兩次豐-交替變化。陳媛[4]在研究1957-2004年間金沙江流域降水周期時(shí)得出存在一個(gè)15 a的近似周期，綜合上述結(jié)果，可以認(rèn)為15 a尺度的降水周期在金沙江流域降水周期特征中是普遍存在的，且該周期尺度可能一直延續(xù)下去。春季降水在10～15 a周期尺度上表現(xiàn)較為明顯，其中心時(shí)間尺度約為13 a；10～25 a周期存在整個(gè)研究期內(nèi)，具有全域性。1972-2012年夏季降水具有15～31 a尺度的周期變化規(guī)律，出現(xiàn)了少-多-少-多-少五次變化；小尺度上也存在4～8 a的周期變化，出現(xiàn)了更多的降水豐枯交替。秋季降水在8～22 a尺度上，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)具有顯著的周期變化；在16～23 a時(shí)間尺度上，降水則經(jīng)歷了三次豐-枯交替，其中1965-1968年、1977-1981年、1988-1992年偏多，1969-1976年、1983-1986年、1993-1996年偏少。冬季降水則是大尺度周期變化更為顯著，其在16～26 a尺度上，發(fā)生了兩次枯-豐交替變化，1987-1991年、1999-2004年偏少，1992-1998年、2005-2012年偏多。金沙江受到橫斷山脈、青藏高原地形影響，高聳的山脈對(duì)大氣環(huán)流、水汽運(yùn)輸有所阻礙[10]，加上大氣因素的不確定性，使得降水季節(jié)震蕩周期變化規(guī)律具有多樣性。

3 結(jié) 論

(1)金沙江干流1957-2015年近60 a來(lái)年均降水量為682.6 mm，自1957年以來(lái)，多年年均降水量有所增加。降水存在階段性變化，但整體變化較平穩(wěn)，年際變化不大。干流流域降水空間差異大，在河源、上游、中游、下游四個(gè)區(qū)段中，僅有河源段降水量存在顯著上升趨勢(shì)。

(2)金沙江干流四季年均降水具有明顯季節(jié)性，雨量從大到小依次為夏季，秋季，春季和冬季。季節(jié)降水趨勢(shì)各不相同，春季變化趨勢(shì)最大；春季降水量增長(zhǎng)速率為3.6 mm/(10 a)，夏秋冬三季則呈減少趨勢(shì)，減少速率分別為0.9 mm/(10 a)、0.8 mm/(10 a)、0.2 mm/(10 a)，雖夏秋冬三季降水量呈下降趨勢(shì)，但降水減少速率不大。

(3)金沙江流域內(nèi)不同河段降水突變特性差異較大。從全流域看，僅在1960年和2012年發(fā)生了突變；分河段來(lái)看，金沙江上游段、下游段突變年份較多，河源段、中游段突變年份相對(duì)較少，各河段突變時(shí)間點(diǎn)不一致。

(4)金沙江干流年降水主要存在8～22 a、15～32 a兩類時(shí)間尺度的周期變化，且兩類時(shí)間尺度上均出現(xiàn)了兩次震蕩，此外，15a的近似周期是普遍存在的。不同季節(jié)的降水變化周期各不相同。周期變化尺度上，冬季以大尺度為主，春夏秋存在多種尺度，大時(shí)間尺度嵌套著小時(shí)間尺度。