長江上游降水特征及時空演變規(guī)律

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1、長江上游降水特征及時空演變規(guī)律 ：Basedontheprecipitationdata(1960-2014)from80meteorologicalstationsinupperreachesoftheYangtzeRiver，westudiedthecharacteristicsofprecipitation.Besides，thetemporalandspatialevolutionwasanalyzedbydrawingthespatialdistributionmapandusingMann-Kendalltest，Pettitttest，Morletwaveletanalysis

2、method.Theresultsshowedthat，during1960to2014，themeanannualprecipitationdepthofupperreachesoftheYangtzeRiverwas900.8mmandthemeanannualprecipitationvolumewas8925.1m3，theannualvariationofprecipitationwasgreat，theratioofextremeannualprecipitationwas1.5andreached3.9inwinter，monthly andtheseasonalmeanpre

3、cipitationwasveryuneven，andtheprecipitationinfloodseasonaccountedformorethan80%；spatially，precipitationwaslargeinsoutheastandsmallinnorthwest；temporally，significantnegativetrendwasdetectedinannualprecipitationinupperreachesoftheYangtzeRiver，andtheabruptchangetookplacein1985，theprimaryperiodofprecipi

4、tationinupperreachesoftheYangtzeRiverwas28a，13a，8ainthedescendingorder ofstrength，andtheperiodofprecipitationinthe partitionswasmainly28a. 長江上游幅員遼闊，氣候復雜，地形多變，旱澇災害頻發(fā)[1]。 近幾十年，全球氣候變暖背景下[2]，長江上游降水特征亦發(fā)生 顯著變化[3-4]，加之日趨激烈的人類活動[5-6]，加劇了該地區(qū) 水資源的不確定性[7-10]，因此，進行長江上游降水特征及演變 規(guī)律研究對該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和旱澇災害防治具有重要的指

5、 導意義。 目前已有不少研究涉及長江上游降水變化[11-15]，但內(nèi)容 多為降水量時程變化趨勢分析，且較為籠統(tǒng)，如：孫甲嵐等[11] 基于整個長江上游面平均降水量，利用Mann-Kendall法分析了 降水變化趨勢，但未考慮降水空間差異性。部分研究考慮了降水 空間的差異性，如：王艷君等[12]研究長江上游1991年-2000 年氣候及徑流變化趨勢時，將研究區(qū)劃分為長江上游干流、源區(qū) 及金沙江流域、川江流域三部分，分析了三個區(qū)域的降水時程變 化趨勢；馮亞文等[13]將長江上游分為屏山站以上與以下兩部 分，分別分析了年、季的降水量變化趨勢及速率。除此之外，更 全面地分析長江上游

6、降水特征及其時空演變規(guī)律的研究還鮮有 發(fā)表。 本文以長江上游降水為研究對象，采用1960年1月-2015 年2月降水量資料，首先將長江上游按自然流域劃分成5個分區(qū)， 統(tǒng)計分析長江上游及各分區(qū)的降水量特征；其次，通過繪制空間 分布圖描述降水空間分布及變化規(guī)律；最后，采用目前普遍認可 的Mann-Kendall法、Pettitt法、Morlet小波分析法對降水進 行變化趨勢、突變特征、周期特征分析[16]。研究結(jié)果可為長江 上游水資源合理開發(fā)利用、水庫群聯(lián)合調(diào)度提供決策依據(jù)。 1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù) 1.1 研究區(qū)概況 長江從源頭到湖北宜昌為長江上游，地處中國西南部，介于 97

7、.37- 110.18°E,21.13-34.33°N,面積100X104km2。研究 區(qū)地勢西高東低，西部屬橫斷山脈和青藏高原，平均海拔3000? 5000m，東南部海拔多在500m以下。區(qū)內(nèi)氣候類型復雜，西 部高原和山地屬寒帶氣候，長冬無夏，其余大部分地區(qū)受東南季 風和西南季風影響，為亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛、熱量豐 富。 長江上游長4504km，宜賓以上為金沙江，長3464km， 宜賓至宜昌為長江上游干流，長1040km。主要支流有北岸的 岷江、沱江、嘉陵江，以及南岸的烏江。按自然流域，長江上游 可以分成金沙江流域、岷沱江流域、嘉陵江流域、烏江流域和上 游干流區(qū)間

8、5個分區(qū)，見圖1。 1.2 數(shù)據(jù)來源及處理 本文采用研究區(qū)域內(nèi)80個國家氣象站(NMO)1960年1月 至2015年2月逐月降水資料。資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共 享服務網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov/)。所選站點在流域位置分布 （圖1）。80個氣象站的缺測月份數(shù)占總月份數(shù)的平均值為0.2%。 由于研究區(qū)面積遼闊，站點分布稀疏，臨近站的觀測數(shù)據(jù)相關(guān)度 不高，因此對缺測數(shù)據(jù)采用本站前后兩年該月值的平均值來插 補，以保證氣象要素序列的完整性和連續(xù)性。長江上游及各分區(qū) 的降水量采用算術(shù)平均法計算。 2 研究方法 2.1 Mann-Kendall檢驗法 長江上游降水量

9、的趨勢變化規(guī)律分析，采用世界氣象組織推 薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法――Mann-Kendall檢驗法。 3.1降水量特征分析 統(tǒng)計結(jié)果表明，長江上游1960年-2014年多年平均年降水 量為900.8mm其中夏季、汛期（4月-9月）分別為473.3mm 747.3mm,占多年年平均的52.5%、83.0%。金沙江、岷沱江、 嘉陵江、烏江、干流區(qū)間1960年-2014年多年平均年降水量分 別為700.1mm、999.2mm、946.3mm、1097.2mm、1172.2mm， 就5個分區(qū)而言，降水量空間上呈東南部大于西北部的整體布 局。各分區(qū)中金沙江降水量最小，而降水總量占

10、全長江上游最大， 達39.2%。其余特征值見表1。 近55年來，長江上游地區(qū)最大年降水量為1126.1m（m1968 年），最小年降水量為762.7mm（2006年），極值比為1.5。 春、夏、秋季、汛期、枯季的降水量極值比在1.7?2.0,冬季 3.9。各分區(qū)極值比特征與整個長 江上游一致。長江上游及其各分區(qū)歷年季降水極大、極小值均分 別出現(xiàn)在夏季、冬季。而對于月降水極大值，金沙江、烏江、干 流區(qū)間與長江上游整體一致，出現(xiàn)在7月，岷沱江、嘉陵江出現(xiàn) 在8月；對于月降水極小值，各區(qū)間均出現(xiàn)在12月和1月。 長江上游降水量年內(nèi)分布很不均勻，如圖2所示，1月、2 月、3月、1

11、1月、12月占全年降水量的1%L3%4月和10月占 6%-7%降水主要分布在夏季（或者說是汛期），7月、8月、6 月降水最多，其次是9月、5月，分別占19.4%、16.9%、16.2%、 13.3%、11.0%，夏季在50%以上，汛期在80%以上。降水季節(jié)變 化明顯，夏季最大，冬季最小。各分區(qū)降水年內(nèi)分布特征與整體 基本一致，春季、秋季略有不同。 3.2降水量空間分布 繪制長江上游1960年-2014年多年平均年降水量分布見圖 3。就長江上游80個氣象站觀測值而言，長江上游整體上呈現(xiàn)東 南部降水量大，西北部降水量小的分布特征。金沙江降水量明顯 小于其他分區(qū)，在290?113

12、0mm^間，空間上呈西北狹長地區(qū) 降水量較小、南部地區(qū)降水量較大的特點。岷沱江各地區(qū)降水量 差異巨大，在620?1750mm1間，并呈明顯的北部小、南部大 的分布特點，極大值點出現(xiàn)在位于四川省境內(nèi)的峨眉山站。嘉陵 江多數(shù)地區(qū)降水量分布均勻，東部略大于西部，南部略大于北部， 降水量變化范圍為470?1250mm。烏江和干流區(qū)間的降水量普 遍偏大，且分布較為均勻，降水量變化范圍分別為970?1340mm 1070?1260mm。 3.3降水量時程演變 3.3.1 降水量變化趨勢 采用M-K法檢驗長江上游80個國家氣象站1960年-2014年 降水量變化趨勢，結(jié)果見圖4。80個

13、氣象站中，有65個站（占 81.25%）呈現(xiàn)減少趨勢，其中28個站（占35%）減少趨勢很顯 著（顯著性水平0.01）；15個站（占18.75%）呈增加趨勢，且 有2個站（占2.5%）增加趨勢很顯著（顯著性水平0.01）。即 長江上游各站點降水量整體上呈現(xiàn)減少趨勢，且趨勢顯著。具有 增加趨勢的站點主要集中在金沙江流域，其中，乾寧、會澤兩站 降水量增加趨勢很顯著，與其臨近站變化趨勢特征存在差異。這 種差異可能是由乾寧、會澤兩站海拔高度均高于其臨近站導致。 長江上游及其各分區(qū)年降水量變化趨勢檢驗結(jié)果見表2。由 表2可知，1960年-2014年長江上游降水量正以1.34mm/a的速

14、 率減少，統(tǒng)計意義上通過了顯著性水平0.05的檢驗，認為減少 趨勢很顯著。各分區(qū)中，金沙江與長江上游整體不一致，有不顯 著的增加趨勢，增加速率為0.08mm/a，年變化量占多年平均的 0.01%；其他分區(qū)降水量均發(fā)生了減少，其中岷沱江、干流區(qū)間 減少趨勢顯著，四個分區(qū)減少的速率為0.94?2.85mm/a,降水 量年變化量占多年平均降水量的0.10%?0.24%。 3.3.2 降水量突變特征 采用Pettitt法對長江上游及其各分區(qū)的年降水量序列進 行突變分析，結(jié)果見表3。各分區(qū)中，岷沱江降水量在1969年 發(fā)生不顯著突變，而金沙江、嘉陵江、烏江、干流區(qū)間降水量均 在198

15、4年發(fā)生了突變，其中烏江、干流區(qū)間分別通過了顯著性 水平0.05、0.01的檢驗。就整個長江上游而言，1985年為突變 點，且通過了顯著性水平為0.1的檢驗，因此認為長江上游年降 水量在1985年發(fā)生了突變，這一結(jié)論與文獻[9]相一致。 以突變點為界，將整個研究時期劃分為兩個時間段，分析長江上 游及其各分區(qū)的突變前后的均值可知，長江上游突變后較突變前 降水量減少了4.3%。各分區(qū)中，金沙江流域突變后較突變前有 所增加，變化率為3.4%；其他分區(qū)均在突變后發(fā)生了減少，變 化率為3.7%?8.9%。通過t檢驗可知，長江上游年降水量突變 前均值后在0.05的顯著性水平下存在明顯差異

16、，烏江、干流區(qū) 間兩段均值也存在明顯差異。對長江上游及其各分區(qū)兩段年降水 量的標準差進行F檢驗，沒有顯著差異。突變前后變異系數(shù)也相 近，降水量年際變化程度并未發(fā)生明顯變化。 3.3.3 降水量周期分析 利用Morlet小波對長江上游及其各分區(qū)年降水量序列進行 檢驗，得到變換系數(shù)等值線圖（圖5）。由圖5（a）可見，在 26?30a的尺度上，長江上游年降水量表現(xiàn)出較明顯的豐枯交 替特征，是研究時段內(nèi)影響長江上游年降水量的主要時間尺度。 目前（2015年）長江上游年降水量正處于一個偏豐期的起始， 未來降水量會有所增加。在準13a、準8a分別有嵌套在大尺 度下的相對較弱的周期變化

17、特征。各分區(qū)年降水量周期變化特征與長江上游整體一致性較好，其中嘉陵江在準8a、準13a、準 18a的尺度上周期特征明顯，與整體周期性略有不同，特別是 其短周期成分及演變較突出，而在大尺度上成分相對復雜。 從Morlet小波方差圖（圖6）可見，在28a、13a、8a 處分別有3個波峰，波動能量依次減弱，因此認為長江上游年降 水量在這3個尺度有顯著的震蕩周期。同樣對各分區(qū)進行周期分 析，各分區(qū)年降水量周期均以28a為主，結(jié)果匯總于表4。 4結(jié)論 （1）長江上游1960年-2014年多年平均年降水量為900.8 mm年降水總量為8925.1m3。長江上游地區(qū)降水量年際變化 大，年降水量極值比為1.5，冬季極值比達3.9。降水量年內(nèi)分 布很不均勻，7月、8月、6月降水最多，夏季在50%以上，汛期 占80%以上。 （ 2）長江上游降水量空間分布不均，呈現(xiàn)東南部降水量大， 西北部小的分布特征。金沙江降水量明顯要小于其他分區(qū)，烏江、 干流區(qū)間降水量普遍較大，且分布較均勻。 （ 3）長江上游及其部分分區(qū)年降水量總體上呈現(xiàn)顯著的下 降趨勢，在1985年左右發(fā)生了突變；長江上游年降水量變化周 期由強到弱依次為28a、13a、8a，各分區(qū)變化周期以28a 為主，目前長江上游降水量已進入新的偏豐期，未來一段時間降 水會有所增加。