魯向暉, 張海娜, 胡羊羊

(1.南昌工程學(xué)院 江西省樟樹繁育與開發(fā)利用工程研究中心, 南昌 330099;2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院, 南昌 330099; 3.南昌工程學(xué)院 瑤湖學(xué)院, 南昌 330099)

IPCC第4、5、6次評(píng)估報(bào)告均指出全球氣候變化環(huán)境下，陸面降水模式發(fā)生重大改變。全球的降水量在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上隨著氣溫的升高而增加，大部分地區(qū)干濕兩季的降水量呈增大趨勢(shì)；全球降水量在空間上的差異顯著，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)中、高緯度的降水量可能增加，且濕潤(rùn)地區(qū)與干旱地區(qū)的降水量差異將進(jìn)一步增大；在熱帶及中緯度的陸地區(qū)域，極端降水的出現(xiàn)頻率將增大[1-3]。已有研究者對(duì)全球氣候變化背景下的不同區(qū)域降水變化格局進(jìn)行了分析：孫秀博等[4]研究表明，全國(guó)在20世紀(jì)60—80年代和2000年以來(lái)處于少雨期，20世紀(jì)90年代為多雨期；王潤(rùn)等[5]利用文獻(xiàn)綜述法和CMIP5中的模式數(shù)據(jù)對(duì)漢江流域1961—2049年降水量變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)漢江流域過(guò)去50年及未來(lái)的30年內(nèi)，降水無(wú)顯著的變化趨勢(shì)；張宏利等[6]運(yùn)用累積距平曲線與信噪對(duì)比法對(duì)渭河流域時(shí)間尺度的降水特征進(jìn)行了研究，近50 a降雨量具有明顯的階段性，但年降水量未發(fā)生突變；王利娜等[7]對(duì)海河流域近50 a降水量時(shí)空變化特征研究得出，海河流域年降水量呈小幅增大趨勢(shì)，且四季變化不一致；王秀娜等[8]利用1960—2017年河西地區(qū)日降水量資料分析結(jié)果認(rèn)為，小雨降水日數(shù)增加但降雨強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，小到中雨降水日數(shù)及強(qiáng)度均有增加趨勢(shì)。已有的研究結(jié)果均表明，受全球氣候變化的影響，區(qū)域降水量的空間分布格局也將會(huì)發(fā)生改變，且不同區(qū)域的變化趨勢(shì)各不相同，目前尚未有贛江流域降水量受全球氣候變化影響的特征研究，因此，本研究的開展，對(duì)于指導(dǎo)贛江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對(duì)全球氣候變化、制定預(yù)防氣候變化危害具有重要意義。

贛江是鄱陽(yáng)湖流域的最大支流，是江西省土壤侵蝕最為嚴(yán)重的流域。近年來(lái)贛江流域季節(jié)性干旱頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了較大的影響[9]，而降水量的時(shí)空演變則是影響贛江流域水土流失狀況及季節(jié)性干旱災(zāi)害重要因素之一。本文以贛江流域1966—2015年的多站點(diǎn)逐日降水量資料，采用時(shí)間序列經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析近50 a來(lái)降水量時(shí)空分布特征，揭示贛江流域降水量的變化規(guī)律，為水土保持措施布局和預(yù)防季節(jié)性干旱提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

贛江流域面積為83 500 km2，占鄱陽(yáng)湖流域面積的51.5%，流域東西寬度平均為148 km，南北最長(zhǎng)550 km，流域形狀為不規(guī)則四邊形(圖1)。地貌類型主要有山地、丘陵、低丘、平原及水域，分別占流域面積的43.9%，20.8%，31.5%，3.9%。研究區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，春夏主要是梅雨季節(jié)，秋冬兩季降雨量較少，四季分明，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年降雨量處于1 400～1 800 mm，多年平均降雨量1 643.75 mm(1966—2015年)，多年平均氣溫為17.8℃，多年平均蒸發(fā)量1 550 mm。據(jù)《江西河湖大典》資料顯示，贛江流域歷史上特大旱災(zāi)發(fā)生在1963年、1978年、1986年、1991年，近期主要大旱災(zāi)主要發(fā)生在2003年、2004年、2007年、2009年、2011年。

圖1 贛江流域氣象站點(diǎn)分布

2 資料與方法

2.1 資 料

分析資料為贛江流域內(nèi)及其周邊27個(gè)氣象站1966—2015年日降水量數(shù)據(jù)，其中位于流域內(nèi)的站點(diǎn)11個(gè)，位于流域周邊的站點(diǎn)16個(gè)(圖1)。資料來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。本文中有15個(gè)站點(diǎn)在2014年5月存在1～6日的數(shù)據(jù)缺失(絕大部分缺失兩天)，但由于占比較小(<0.1%)，因此將缺失的日雨量按0計(jì)算。

2.2 方 法

降水量的年際變化趨勢(shì)采用一元線性回歸和Mann-Kendall(M-K)法分析[10]。降水量階段性分析采用累積距平法進(jìn)行，采用克里金插值法(Kriging)對(duì)降水量空間變化進(jìn)行分析。贛江流域季節(jié)劃分時(shí)間為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)，汛期指4—9月。由于一元線性回歸、累積距平等方法已在時(shí)間序列分析中廣泛使用，具體計(jì)算方法本文不在贅述。

采用Matlab小波分析工具箱中的Morlet小波為母函數(shù)對(duì)降水時(shí)間序列進(jìn)行分析[11]，找出降水量變化的主要特征。本文先對(duì)降水資料作標(biāo)準(zhǔn)化處理，再進(jìn)行小波分析，以降低噪聲影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量年際變化

贛江流域1966—2015年多年平均降水量為1 643.75 mm；汛期為1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量為633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分別占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%(表1)。秋季和冬季降水量的極值比和變異系數(shù)較大，年降水量的極值比和變異系數(shù)值最小，表明秋季和冬季的降水量年際波動(dòng)劇烈，而年均降水量波動(dòng)較小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量均大于0但小于1.96，表明贛江流域1966—2015年的年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不顯著的增加趨勢(shì)；春季降水量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量小于0且大于-1.96，表明春季降水量呈不顯著的減少趨勢(shì)。

表1 贛江流域1966-2015年不同時(shí)間尺度降水量變化特征值

線性回歸分析顯示，年、汛期、夏季、秋季和冬季的降水量增加速率分別為1.74，0.81，1.69，0.40，0.34 mm/a，春季的降水量減小速率為0.69 mm/a(圖2)。5 a滑動(dòng)平均值曲線顯示：年尺度上，贛江流域近50 a的年降水量在1966—1990年波動(dòng)較小，而1991年之后波動(dòng)較大，總體呈增加趨勢(shì)。夏季和汛期降水量都在1991年以后出現(xiàn)較大波動(dòng)變化，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；春季、秋季、冬季降水量年際變化波動(dòng)較小，其中，春季呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，秋季和冬季呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)均不顯著。

圖2 贛江流域1966-2015年不同時(shí)間尺度降水量年際變化

對(duì)研究區(qū)域中涉及到的27個(gè)站點(diǎn)年降水量變化趨勢(shì)分析顯示，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且顯著增加的站點(diǎn)數(shù)達(dá)12個(gè)(44.4%)，顯著減少的站點(diǎn)僅3個(gè)(11.1%)；汛期降水量以不顯著增加趨勢(shì)為主，站點(diǎn)達(dá)18個(gè)，占比66.7%；春季降水量不顯著增加和顯著增加的站點(diǎn)相同，各有13個(gè)，各占比48.1%，無(wú)顯著減少的站點(diǎn)；夏季、秋季和冬季降水量均以不顯著減少為主，三者站點(diǎn)分別為16，13，14個(gè)，占比分別為59.3%，48.1%，51.9%(圖3)。

圖3 贛江流域1966-2015年各站點(diǎn)不同時(shí)間尺度降水量變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

3.2 降水量的階段性變化

贛江流域1966—2015年降水量具有明顯的階段性特征，對(duì)不同時(shí)間尺度降水量進(jìn)行累積距平分析(圖4)，以持續(xù)5年以上的變化為基準(zhǔn)，除秋季降水量無(wú)明顯階段性(整體表現(xiàn)為隨機(jī)波動(dòng))外(圖4E)，其他時(shí)間尺度降水量均具有明顯的階段特征。

春季和夏季可分為4個(gè)階段(表2)，但時(shí)間存在差異。春季第一階段1966—1979年，無(wú)明顯階段性變化，第二階段1980—1984年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，第三階段1985—2006年無(wú)明顯階段性變化，第四階段為2007—2016年，為先波動(dòng)下降后上升趨勢(shì)(圖4C)；夏季4個(gè)階段為1966—1977年、1978—1992年、1993—2002年和2003—2015年，其中1966—1977年和2003—2015年兩個(gè)階段均無(wú)明顯階段性變化，1978—1992年和1993—2002年兩個(gè)階段分別呈現(xiàn)為降低和上升趨勢(shì)(圖4D)。冬季可分為3個(gè)階段，為1966—1987年、1988—1997年和1998—2015年，分別對(duì)應(yīng)無(wú)明顯階段性變化、波動(dòng)上升和波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖4F)。年、汛期、夏季的降水變化趨勢(shì)有一定的相似性。

圖4 贛江流域1966-2015年不同時(shí)間尺度降水量累積距平曲線

年和汛期降水量可分為4個(gè)階段(表2，圖4A—B)，第一個(gè)階段1966—1984年，其中年降水量表現(xiàn)為平水特征，而汛期降水量在該階段呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為豐水特點(diǎn)；年降水量第二階段為1985—1991年，汛期降水量第二階段為1985—1992年，降水量均有所下降，對(duì)應(yīng)枯水特征；年降水量第三階段為1992—2002年，汛期降水量第三階段為1993—2002年，該階段二者降水量增加，為豐水階段；第四階段2003—2015年，降水量減少，為枯水階段。

表2 贛江流域1966-2015年不同時(shí)間尺度降水量階段特征

3.3 降水量的周期變化

對(duì)贛江流域1966—2015年降水量進(jìn)行小波分析，年降水量具有8，22，32 a的主變化周期(圖5A)，短周期變化劇烈，長(zhǎng)周期變化較為穩(wěn)定，且存在4個(gè)降水周期豐枯交替年時(shí)間序列，分別為1974—1980年、1986—1990年、1996—2001年、2004—2011年。汛期降水量具有10，24，32 a的主變化周期，長(zhǎng)周期及短周期變化均具有明顯的規(guī)律性，有4個(gè)豐枯交替年時(shí)間段(圖5B)：1974—1978年、1988—1990年、1996—2002年、2004—2010年。春季降水量具有14，20，26 a的主變化周期(圖5C)，長(zhǎng)周期變化呈現(xiàn)不規(guī)律性，短周期變化波動(dòng)不大，有1個(gè)豐枯交替年時(shí)間序列，即1984—1988年。夏季降水具有26，30 a的主變化周期(圖5D)，整個(gè)時(shí)間序列的周期性變化規(guī)律性不明顯，有主要兩個(gè)豐枯交替年時(shí)間段：1986—1992年、1994—1998年。秋季降水量具有7，14，20，30 a的主變化周期(圖5E)，長(zhǎng)周期變化具有明顯的不穩(wěn)定性，短周期變化不顯著，具有多個(gè)豐枯交替年時(shí)間段：1970—1980年、1988—1992年、1994—1996年、2000—2004年、2006—2012年。冬季降水量的主變化周期不明顯，降水量在近50 a內(nèi)變化不大，不存在豐枯交替年時(shí)間序列(圖5F)。

圖5 贛江流域1966—2015年不同時(shí)間尺度降水量小波系數(shù)等值線

3.4 降水量空間分布

贛江流域1966—2015年年均降水量呈現(xiàn)明顯的南部少、北部多的分布特征，宜豐、永豐、寧都一線以東是降水偏多區(qū)域(圖6A)。整體上，降水量少于多年平均值(1 643.75 mm)的地區(qū)占大多數(shù)，大于1 700 mm的地區(qū)極少，贛州及其周邊地區(qū)降水量是全省最小的區(qū)域。汛期降水的空間分布總體上呈中部及西部地區(qū)少，東部、南部及北部外圍地區(qū)多的分布特征(圖6B)。比較年降水量和汛期降水量的空間分布圖發(fā)現(xiàn)，贛江流域降水量在這兩個(gè)時(shí)期的空間分布具有一定的相識(shí)性。

春季降水的空間分布與全年降水的空間分布有一定的相似性，呈現(xiàn)南少北多的分布特征(圖6C)，這也和春季降水量占全年比重較多有關(guān)(表1)。總體上春季降水量以600～700 mm居多，主要分布于中部地區(qū)，春季的降水空間呈現(xiàn)不均勻分布。夏季降水的空間分布是全年中分布最均勻的一個(gè)季節(jié)(圖6D)，降水量主要集中在550～600 mm，僅贛州站及其周邊區(qū)域降水量處于500～550 mm，因此，夏季降水空間分布相對(duì)均勻，且波動(dòng)不大。秋季和冬季降水量各站點(diǎn)相差不大，但兩個(gè)季節(jié)的空間分布情況有所不同(圖6E和6F)；秋季降水空間分布呈南北兩端少，中部地區(qū)相對(duì)較多的格局；冬季降水空間分布則是呈由南向北逐步遞增的趨勢(shì)?？傮w上，贛江流域降水量在4個(gè)季節(jié)的空間分布特征表現(xiàn)出明顯的差異。

圖6 贛江流域1966-2015年不同時(shí)期降水量空間分布

贛江流域降水空間分布的形成與多個(gè)因素有關(guān)，降水量與經(jīng)度、緯度以及海拔的偏相關(guān)分析表明(表3)，除秋季降水量外，其他尺度降水量均與經(jīng)度顯著相關(guān)；而只有年降水量與緯度顯著相關(guān)；表明經(jīng)度是影響贛江流域降水量空間分布的主要地理主軸。海拔對(duì)降水量亦有較大的影響，年、汛期和秋季降水量均呈顯著的相關(guān)性，偏相關(guān)系數(shù)0.6以上，達(dá)極顯著水平。

表3 1956-2015年贛江流域27個(gè)氣象站點(diǎn)不同

4 結(jié) 論

(1) 贛江流域1966—2015年多年平均降水量為1 643.75 mm；汛期為1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量為633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分別占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%。秋季和冬季的降水量年際波動(dòng)劇烈，而年均降水量波動(dòng)較小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不顯著的增加趨勢(shì)；春季和冬季的降水量呈不顯著的減少趨勢(shì)。贛江流域27個(gè)雨量站點(diǎn)年降水量顯著增加的站點(diǎn)數(shù)達(dá)12個(gè)，顯著減少的站點(diǎn)僅3個(gè)；汛期降水量以不顯著增加趨勢(shì)為主，站點(diǎn)達(dá)18個(gè)；春季降水量顯著增加的站點(diǎn)有13個(gè)，無(wú)顯著減少的站點(diǎn)；夏季、秋季和冬季降水量均以不顯著減少為主，站點(diǎn)分別為16，13，14個(gè)。

(2) 1966—2015年贛江流域降水量變化在年、汛期、夏季、秋季與春季、冬季分別呈不顯著的增加與減少趨勢(shì)(p>0.05)；贛江流域不同時(shí)間尺度的降水量均具明顯的階段性，年和汛期降水量均可分為1966—1984年(豐水)，1985—1991年(汛期為1992年)(枯水)，1992(汛期為1993年)—2002年(豐水)和2003—2015年(枯水)4個(gè)階段。春季和夏季降水量具有4個(gè)變化階段，冬季降水量具有3個(gè)階段的變化特征，而秋季降水量變化整體以隨機(jī)性為主。

(3) 贛江流域1966—2015年降雨量的主變化周期在年際為8，22，32 a，汛期為10，24，32 a；春季、夏季和秋季的降水量主周期分別為14，20，26 a和26，30 a以及7，14，20，30 a，而冬季降水無(wú)變化周期。

(4) 1966—2015年贛江流域的全年和春季降水量呈南少北多的分布格局；汛期和夏季降水量空間分布較均勻，無(wú)明顯的空間差異；秋季降水量呈南北兩端少、中部多的分布格局，而冬季降水量呈由北向南遞減的變化趨勢(shì)。不同尺度降水量受經(jīng)度和海拔變化的影響較大，受緯度變化影響較小。