梅江流域長(zhǎng)系列枯水期降水演變特征規(guī)律分析

高玉丹

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

1 概述

氣候變化將引起降水、徑流的時(shí)空變化，進(jìn)而增加了干旱、洪澇等極端氣候事件發(fā)生的頻次[1]。在全球變暖背景下，區(qū)域間、雨季和旱季的降水對(duì)比度將更激烈[2]。眾多學(xué)者采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、小波分析等方法對(duì)降雨的多尺度時(shí)空變化進(jìn)行了研究，如鄒磊等[3]發(fā)現(xiàn)海河流域春秋季降水呈增加趨勢(shì)，而夏冬季降水呈減少趨勢(shì)；范菲蕓等[4]基于125個(gè)雨量站資料分析了1956—2010年廣東省春旱和秋旱期的降雨時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)春旱降水南少北多，而秋旱期降水空間分布與之相反；徐林春等[5]發(fā)現(xiàn)廣東省年內(nèi)汛期(6月)降雨有所增大，非汛期有所減小。

枯水期降水對(duì)農(nóng)業(yè)的意義重大，在緩解旱情的同時(shí)也可能破壞農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[6]。近年來，梅江流域在枯水期出現(xiàn)多次極端天氣，僅在2016年枯水期期間遭到多次暴雨襲擊，形成3場(chǎng)枯水期大洪水，2017—2018年枯水期期間又連續(xù)出現(xiàn)旱情，然而目前針對(duì)枯水期降水演變特征的研究較少[7-8]，因此，研究區(qū)域內(nèi)枯水期降水的演變特征對(duì)于了解區(qū)域枯水時(shí)期內(nèi)降水發(fā)展動(dòng)態(tài)、防洪抗旱、供水規(guī)劃、維護(hù)河流健康等具有重要意義[9]。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

梅江是韓江的主流[10]，是梅州市最主要的河流，發(fā)源于汕尾陸豐與河源紫金交界的烏突山七星崠，上游稱琴江，流經(jīng)五華縣水寨與五華河匯合后稱梅江，自西南向東北流至五華琴口匯北琴江，至水寨河口(以上稱琴江)匯五華河后稱梅江，于興寧水口匯寧江，在畬坑進(jìn)入梅縣區(qū)，在長(zhǎng)沙進(jìn)入梅江區(qū)，然后匯程江于梅城，在西陽再入梅縣區(qū)，匯石窟河于丙村，匯松源河于松口后，突然向右90°轉(zhuǎn)彎，切過蓮花山脈進(jìn)入大埔，在三河壩附近與汀江、梅潭河匯合后稱韓江。梅江全長(zhǎng)為307 km，流域集雨面積為14 061 km2，河床比降為0.4‰。梅江在梅州境內(nèi)河長(zhǎng)為271 km，集雨面積為10 424 km2。

2.2 研究數(shù)據(jù)和方法

本文選用梅江流域內(nèi)70個(gè)雨量站1959—2018年枯水期實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)(雨量觀測(cè)點(diǎn)空間分布示意見圖1)，10月到次年的3月為枯水期，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，通過了三性檢查，流域面平均降水量為區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)降水量的算術(shù)平均值，通過分析計(jì)算比對(duì)，揭示該流域枯水期總降水量與枯水期各月降水量的時(shí)空演變特征。對(duì)梅江流域降水量數(shù)據(jù)的處理分析主要是基于Matlab、Arcgis等軟件實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)來源：廣東省水文局梅州水文分局。

圖1 梅江流域降水量觀測(cè)點(diǎn)空間分布示意

本次研究主要運(yùn)用累積距平法[11]、Mann-Kendall檢測(cè)法(以下簡(jiǎn)稱M-K法)[12]、Sen’s斜率法[13]對(duì)梅江流域枯水期的年際和年內(nèi)降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變狀況檢驗(yàn)，并結(jié)合累積距平法對(duì)可能存在的虛假突變時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行剔除，確定符合實(shí)際的降水突變情況。其中M-K法置信水平值取0.05，其相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量值為±1.96。

3 結(jié)果分析

3.1 枯水期年降水時(shí)程變化特征

流域枯水期多年平均降水量為387.7 mm，極大值出現(xiàn)在1982—1983年，降水量為1 218.1 mm，極小值出現(xiàn)在1954—1955年，降水量為151.0 mm。通過線性回歸得到梅江流域內(nèi)枯水期年降水量的時(shí)間變化趨勢(shì)(如圖2所示)，總體上，梅江流域枯水期降水量呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)，增加速率約為1.4 mm/a，降水量的變化趨勢(shì)未通過95%的置信水平顯著性檢驗(yàn)。

根據(jù)圖2中的累積距平曲線可知，梅江流域60 a來枯水期共發(fā)生了3次明顯的突變(1974年、1998年和2011年)，存在明顯的“降”、“升”、“降”階段性變化特征：即1960—1974年降水量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，低于多年平均降水量；1974—1998年降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并于1983年達(dá)到了歷年降水量最高值；1998—2011年降水量呈持續(xù)下降趨勢(shì)。

圖2 梅江流域1959—2018年枯水期降水趨勢(shì)變化示意

3.2 枯水期年降水空間變化特征

通過對(duì)梅州流域內(nèi)70個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)枯季降水量進(jìn)行分析，得到多年平均降水量的空間分布(見圖3a)，降水量空間分布差異較大，呈現(xiàn)由北向南遞減分布。各站降水量介于289.9～491.6 mm之間，其中降雨量最大的觀測(cè)點(diǎn)是位于松源河的桂竹園站，多年平均降水量為491.6 mm，降雨量最小的觀測(cè)點(diǎn)是位于琴江的大坪站，多年平均降水量為289.9 mm；面平均降雨而言，位于最北部的松源河面降水量最大(443.4 mm)，而位于南部的琴江面降水量最小(345.5 mm)，與觀測(cè)點(diǎn)降水系列趨勢(shì)一致。對(duì)所有站點(diǎn)的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K法趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到各觀測(cè)點(diǎn)的M-K值的空間分布(見圖3b)，70個(gè)觀測(cè)站中，降水量呈增加趨勢(shì)的有52個(gè)，呈減少趨勢(shì)的有18個(gè)，總體枯水期降水量呈不顯著上升趨勢(shì)；從空間來看，南部呈上升趨勢(shì)，北部呈下降趨勢(shì)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析得到各觀測(cè)站點(diǎn)的降雨年變化率(見圖3c)，其中僅4個(gè)觀測(cè)站的降水量增加率大于2 mm/a，1個(gè)觀測(cè)站的降水量減小率小于2 mm/a，其余觀測(cè)站的變化均在2 mm/a以內(nèi)。

圖3 梅江流域1959-2018年枯水期降水趨勢(shì)空間分布

3.3 枯水期年內(nèi)各月降水特征分析

梅江流域枯水期各月降水量空間差異性見圖4。從單月來看，12月雨量變化范圍最小，對(duì)應(yīng)的空間變化最小，反之3月雨量變化范圍最大，對(duì)應(yīng)的空間變化最大。各月之間對(duì)比，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明顯少于后枯水期(1—3月)，其中，前枯水期降水總量?jī)H占總枯水期降水量的33.8%，后枯水期降水總量?jī)H占總枯水期降水量的65.6%；12月多年平均降水量最小，僅為37.5 mm，3月為125.2 mm降水量最大。

圖4 梅江流域1959—2018年枯水期各月降水量箱型示意

采用Sen’s斜率法分析梅江流域枯水期各月降水量變化特征(見圖5～6)。由圖5～6可知：1月、11月降水量總體呈不顯著上升趨勢(shì)，70個(gè)雨量降水量觀測(cè)點(diǎn)中都是有69個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，但均未通過置信區(qū)間檢驗(yàn)；2月、3月降水量總體呈不顯著下降趨勢(shì)，其中北部地區(qū)有若干站點(diǎn)通過置信區(qū)間檢驗(yàn)，呈顯著下降；10月降水量總體趨勢(shì)不明顯，梅江干流左岸總體呈不顯著下降趨勢(shì)，右岸總體呈不顯著上升趨勢(shì)；12月降水量70個(gè)觀測(cè)站全部呈上升趨勢(shì)，通過置信區(qū)間的檢驗(yàn)，總體呈顯著上升趨勢(shì)，其中石窟河和松源河的降水量上升趨勢(shì)明顯。

圖5 梅江流域枯水期1—3月降水趨勢(shì)空間分布示意

4 結(jié)語

基于梅江流域70個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)1959—2018年枯水期長(zhǎng)系列降水資料數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段，從年尺度到月尺度，從時(shí)間到空間，分析了梅江流域枯水期降水時(shí)空波動(dòng)特性。

圖6 梅江流域枯水期10—12月降水趨勢(shì)空間分布示意

1) 梅江流域枯水期面平均降水量總體趨勢(shì)呈波動(dòng)不顯著增加趨勢(shì)，增加速率約為1.4mm/a，年際差異較大，介于387.7～1 218.1mm之間，分階段存在明顯的“降”、“升”、“降”變化特征。在空間上，枯水期降水量總體呈現(xiàn)北多南少，北部有下降，南部有上升的趨勢(shì)。

2) 從枯水期各月降水情況來看，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明顯少于后枯水期(1—3月)；各月之間多年平均降水量差別較大，3月降水量最大，但呈不顯著下降趨勢(shì)，12月降水量最小，但呈顯著上升趨勢(shì)。在空間上，北部地區(qū)河流水系變化較為顯著，尤其是石窟河和松源河，12月呈顯著上升趨勢(shì)，2月、3月呈顯著下降趨勢(shì)，該區(qū)域需做好汛前干旱預(yù)警。

3) 通過本文對(duì)梅江流域枯水期降水量的時(shí)空演變特征分析，可為進(jìn)一步加深對(duì)梅江流域氣候變化的理解，對(duì)流域旱澇災(zāi)害應(yīng)對(duì)、雨洪資源利用及水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)支撐?？菟诮邓康臅r(shí)空分布規(guī)律與大氣環(huán)流ENSO事件、太陽黑子、人類活動(dòng)、流域下墊面干濕程度、汛期降水量等因素息息相關(guān)，因此，有必要進(jìn)行降雨因子驅(qū)動(dòng)因素識(shí)別及分析，為提前做好防洪抗旱準(zhǔn)備奠定基礎(chǔ)。