大渡河流域降水时空变化特征.pdf

第 52 卷 第 5 期2023 年 9 月内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）Journal of Inner Mongolia Normal University（Natural Science Edition）Vol.52 No.5Sept.2023大渡河流域降水时空变化特征苏华丽1，何亚玲1，赵景峰2，邢立文1，程武学1（1.四川师范大学 地理与资源科学学院，成都 610068；2.四川师范大学 西南土地资源与监测教育部重点实验室，成都 610068）摘要：大渡河流域作为岷江正源，该流域的降水不仅对大渡河水循环以及山洪灾害的防治有着重要影响，而且对岷江也有着极其重要的影响。通过 arcgis 水文分析，将大渡河流域分为 13 个支流区域。基于 19792018 年降水数据，综合分析大渡河流域及 13 个支流的年、季节、月降水量以及日尺度极端降水的时空变化特征。结果表明：（1）19792018 年间，在流域尺度上，不同时间维度的降水量变化趋势虽然不一致，但均不显著。其中，年降水量呈上升趋势，为 0.11 mm.a-1；春、冬季降水呈上升趋势，夏、秋季降水呈下降趋势。在水资源分区上，各分区不同时间尺度降水的变化趋势呈明显的非一致性，其中大渡河各分区中上游降水为上升趋势，下游为下降趋势。（2）大渡河流域降水存在明显的空间分异性，且随着降水指标时间尺度的缩短而增强；不同时间维度降水整体上呈自东南部向西北部减少的趋势，流域的东南部始终为高值中心。关键词：大渡河；极端降水；时空变化；水资源分区中图分类号：K 928.42 文献标志码：A 文章编号：1001-8735（2023）05-0496-09 DOI：10.3969/j.issn.1001-8735.2023.05.009全球气候变暖影响了降水的时空分布特征，而降水是影响区域水循环、水生态和社会经济发展的重要因素之一。大渡河流域丰富的降水对周边地区经济发展有积极作用，但因地处青藏高原和四川盆地过渡带，地理地貌独特，由降水引发的泥石流和滑坡等地质灾害频发，对流域周围安全造成极大危害。因此研究大渡河流域的时空降水特征对流域的水循环、水资源分布及防洪减灾等具有重要意义1。许多学者对不同流域降水特征开展了研究。肖扬等2运用大渡河流域的气象站点资料进行调查研究，发现大渡河流域年降水量及等级降雨日数最大最小值出现的站点。付奔等3对盘龙河流域极端降水的时空分布特征研究发现，盘龙河流域尤其是南边未来洪涝灾害更加严峻。刘杨等4以青海湖的气象站点资料结合小波分析，发现青海湖降水空间差异大，年降水量的波动周期为 31 年左右。孙桂凯等5研究西南岩溶区域的降水特征，采用澄碧河流域近 41 年的气象站点资料，发现该区域年降水呈不显著上升趋势，且主要集中于夏季。李鸿雁等6对嫩江的降水量、降水日数和降水强度调查研究，发现嫩江在近 41 年中年度和季节的降水特征均有不同程度的改变，呈明显的空间分布特征。赵丹等7基于淮河流域的气象站点资料调查研究发现，淮河流域年降水南北差异较显著，流域不同季节降水趋势不同。综上所述，大部分学者是基于气象站点的资料对流域的时空降水特征进行分析。本文基于大渡河流域19792018 年的年、月、日降水栅格数据，对流域内年、季、月以及日尺度的极端降水指标进行综合分析，以期在更全面的时间尺度和更精细的空间尺度上揭示大渡河流域的降水变化特征，有助于进一步掌握大渡河流域不同时间尺度降水的基本特征和变化规律，为在全球变暖背景下大渡河流域的水循环演变规律分析以及山地防洪减灾提供支持1。收稿日期：20230414基金项目：国家自然科学基金资助项目（32060370）。作者简介：苏华丽（1994），女，四川遂宁人，在读硕士研究生。通讯作者：赵景峰（1965），男，河北沧州人，教授，博士，主要从事水文、荒漠化研究，E-mail：。苏华丽 等：大渡河流域降水时空变化特征第 5 期1数据来源与研究方法1.1研究区概况大渡河流域位于我国西南地区，地理位置 28 N33 N 和 100 E104 E 之间，主要支流有绰斯甲、梭磨河、革什扎河、小金川等，在乐山注入岷江，全长 1 062 公里，流域面积 7.74 万平方公里。流域内支流众多，地形复杂，流经川西北高原、横断山地东北部和四川盆地西部，河谷宽阔，地势起伏。大渡河上游是高原高山气候，中下游是季风气候，因独特的气候条件降水丰沛。水量丰沛，落差巨大，河谷狭窄，使大渡河流域成为我国重要的水能资源开发区。1.2数据来源降水数据为青藏高原科学数据（http：/）中 19792018 年的中国区域地面气象要素驱动数据集，格式为 NETDEC，时间分辨率为 3 h，水平空间分辨率为 0.1。DEM 数据来自地理空间数据云（https：/ 30 m。1.3数据方法1.3.1数据提取本文运用 MATLAB 提取中国区域的 nc 降水数据，并用 ArcGIS 克立金插值法，获得 大渡河流域的年、月、日降水量数据。同时为精细分析大渡河流域降水的空间分布特征，根据大渡河流域 水系分布情况，将流域的 DEM 数据在 ARCGIS10.6 的水文分析中分为 13 个子流域（图 1，表 1）。1.3.2数据分析采用线性倾向估计方法分析大渡河流域内时间尺度的降水变化趋势和变差系数方法研究流域内的降水量变化情况910。通过定义与极端降水事件有关的指标研究极端降水特征，采用国际常用的气候变化与监测指数专家团队（ETCCDI）定义的指数。ETCCDI 给出 27 个核心指数的确切定义，根据本文研究目的，结合数据和研究区域本身，选取 4 个极端降水指标（表 2）。2结果分析2.1大渡河流域降水的时间变化特征2.1.1年、季节、月降水量时间变化特征大渡河流域1979-2018 年之间的年降水量在 703.3988.8 mm 之间徘徊波动（图 2a），最大值在 1988 年，最小值在 2002年，整体呈 0.11 mm.a-1的上升趋势，平均年降水量为850 mm，变差系数（Cv）为 0.07。由此可见，大渡河流域的年降水总体离散程度低，波动变化小，年降水逐渐增加。1979-2018 年大渡河流域四季降水变化情况如图 2 所示。流域多年春季降水量均值为 180.90 mm，波动范围 107.02247.81 mm，Cv 值为 0.15，呈 0.83 mm.a-1的上升趋势。夏季降水的多年均值为 446.70 mm，波动范围 359.26556 mm，Cv 值为 0.12，呈 0.70 mm.a-1的下降趋势，占全年降水量的一半以上。秋季降水的多年均值为 202.30 mm，波动范围 48.44270.53 mm，Cv 值为 0.14，呈 0.02 mm.a-1的下降趋势。冬季降水的多年均值为 20.46 mm，波动范围 11.8230.78 mm，Cv 值为 0.24，呈 0.02 mm.a-1的上升趋势。可见大渡河流域四季降水变化趋势不大，但冬季降水的波动幅度在四季中变化是最大的。1979-2018 年大渡河流域月平均降水量表明流域年内降水分配不均匀（图 2b），年降水量约 79.31%出现在 5-9 月。由表 3 可知，6 月和 12 月分别是大渡河流域降水量的最高和最低月份，分别为 159.22 mm和 4.70 mm。图 1大渡河流域水资源分区及主要城镇分布Fig.1Water resources zoning and main town distribution in Dadu River Basin 497内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）第 52 卷19792018 年大渡河 13 个子流域的年、月降水量概况见表 3。大渡河流域的年、月的支流降水量自 流沙河向革斯扎河、绰斯甲河降低，表明大渡河流域整体降水量自东南向西北减少。其中安顺河、流沙河、官庙河、牛日河和田湾沟 5 条支流的年降水量和月降水量分别高于 1 000 mm 和 85 mm，较其他支流降水 丰沛。安顺河、阿珂河、流沙河、官庙河、牛日河的降水呈递减趋势（表 4），东谷河、田湾沟和瓦斯沟等降水呈递增趋势。由此可知大渡河上下游降水量呈下降趋势，而中游的降水量呈上升趋势。3.1.2极端降水指标时间变化特征1979-2018 年大渡河流域极端降水指标时间变化特征如图 3 所示。从图 3 可知，大渡河流域的极端降水指标变化趋势呈非一致性，且趋势变化差异性很大。年最大 1 天降水量整体呈现上升趋势，多年均值和 Cv 值分别为 16.60 mm 和 0.16。年最大 7 天降水量整体呈现下降趋势，多年 均值和 Cv 值分别为 63.49 mm 和 0.14。年湿润日降水总量波动范围 644.33942.61 mm 之间，整体以 0.25 mma-1的趋势上升，多年均值和 Cv 值分别为 800.61 mm 和 0.08。极端降水量整体呈现下降趋势，多年均值和 Cv 值为 198.60 mm 和 0.08，极端降水量约占全年降水量的 23%。大渡河流域 13 个子流域的极端降水指标概况见表 5。其中年最大一天降水量中官庙河和东谷河的极值分别为最大值和最小值，而以金汤河、瓦斯沟、牛日河等为代表的大渡河中游地区增长最明显，以阿珂河、绰斯甲河、梭磨河为代表的上游地区呈减少趋势，表明大渡河流域中年最大一天的降水量整体呈现中游增多、上游减少的趋势。而年最大 7 天与年最大 1 天的降水量变化趋势则不同，其中以官庙河、流沙河、牛日河为代表的下游河流降水呈下降的趋势。在年湿润降水量和极端降水量的趋势中发现，大渡河流域 上下游呈减少的趋势，其中以安顺河和流沙河为代表的上下游河流最为显著，中游呈上升的趋势，以东谷河最为显著。因此可知，日尺度的极端降水在流域中游整体是上升的。表 1大渡河流域水资源分区概况Tab.1Water resources zoning in Dadu River Basin序号1234567891011121314流域大渡河安顺河阿珂河绰斯甲河东谷河流沙河金汤河官庙河革斯扎河小金川瓦斯沟田湾沟梭磨河牛日河干流长度/km1 005.0964.87219.47308.3678.2465.5672.5177.6792.94218.7171.1174.36145.97123.44集水面积/km275 665.411 426.135 209.3314 371.221 848.891 700.461 128.661 364.612 520.085 255.831 564.031 405.493 010.114 155.23河流总长度/km11 553.26186.74762.382 328.43265.95240.89155.76195.97335.25742.99205.93216.73428.45605.20表 2大渡河流域极端降水指标 Tab.2Extreme precipitation index in Dadu River Basin /mm指标R1 dayR7 dayPRCPTOTR95P指标名称最大 1 d降水量最大 7 d降水量年湿润日降水总量极端降水量 定义 年最大 1 d降水量 年连续 7 d最大降水总量 一年中降水量大于 1 mm/d的降水总量 一年中降水量超过序列中第 95个百分位的降水量之和 498苏华丽 等：大渡河流域降水时空变化特征第 5 期2.2大渡河流域降水的空间变化特征2.2.1大渡河流域年、季、月空间变化特征从 1979-2018 年大渡河流域年降水量空间分布图（图 4a）可知，年降水量呈现从流域东南部向西北部逐渐减少的趋势，流域东南部的等值线密集，出现了闭合曲线，并在流域东南部出现高值中心。年降水量空间分布图中 800 mm 以上等值线所包络的面积比例占 40%，而 色达、马尔康、九寨沟、金川和泸定等县级城市所在的大渡河上游年降水量整体偏低，这些地区的降水量 大部分在 600-800 mm 之间，并形成了以绰斯甲河、革斯扎河、东谷河和小金川为中心的低值中心。月降水量空间分布图（图 4b）显示，大渡河流域的月降水量呈现从流域东南部向西北部逐渐减少的趋势，由 140 mm减少至 51 mm。汉源县和石棉县所在的流域东南部降水量达 100 mm 以上，并形成了闭合等值线圆环，说明东南部存在以流沙河、官庙河和牛日河为主的降水高值中心。从 1979-2018 年大渡河流域的四季降水量空间分布图（图 4c-f）可知，春季降水量从流域的东南部340.2 mm 逐渐减少到西北部的 111.6 mm，夏季降水从流域东南部的 984.8 mm 到流域中部 302.4 mm，秋季图 2大渡河流域年、季、月降水量变化趋势Fig.2Annual，seasonal and monthly precipitation trends in Dadu River Basin 499内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）第 52 卷降水从东南部的 324 mm 到西北部的 142.7 mm，冬季降水从流域东南部的 52.3 mm 到中部的 7.6 mm。由图 3 可知，春、夏、秋、冬四季占年降水量的比率依次为 21%、52%、24%、3%，由此可见年降水量的一半以上是由夏季降水组成，春秋两季降水量不仅空间分布相似，降水量的值也相差不大。大渡河流域夏、秋、冬季在以泸定县为中心的中游存在低值中心，其中以夏季最为明显，最低值达 302 mm。四季降水高值中心的空间分布相似，其中的高值都存在于流沙河、官庙河和牛日河等支流区域。而春季的低值中心在绰斯甲河，夏季的低值中心在小金川、革斯扎和东谷河所围成的区域，秋季的低值中心在绰斯甲河小金川，冬季的低值中心在革斯扎和小金川围成的区域。2.2.2大渡河流域极端降水指标空间变化特征PRCPOT、R95P、R1 day、R7 day 表现出相似的空间分布特征（图 5），即整体呈现从流域的东南部向西北部逐渐减少的趋势，但在流域的中部会出现区域性的 表 3大渡河流域各月份降水概况Tab.3Precipitation situation of Dadu River Basin in each month月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均降水量/mm5.5210.2327.5453.5199.84159.23150.94136.54128.0960.7013.514.70变化趋势/(mma-1)0.030.000.120.340.370.28-0.58-0.40-0.420.370.04-0.02月最高降水量年份201220061985198919992014198320142016201719951979数值/mm9.8321.6358.5579.49156.81235.59203.67201.58167.2391.0626.358.64月最低降水量年份201019841982197919862008201720132002198120152017数值/mm1.73.4310.6227.3455.23114.4783.6266.5476.4331.014.250.96变差系数0.170.160.180.340.350.490.410.330.460.340.160.11表 4大渡河流域水资源分区年、月降水量概况Tab.4Annual and monthly precipitation of water resources in Dadu River Basin水资源分区大渡河安顺河阿珂河绰斯甲河东谷河流沙河金汤河官庙河革斯扎河小金川瓦斯沟田湾沟梭磨河牛日河年降水量均值/mm850.361 046.44793.99687.83682.461 313.55876.731 379.67639.92730.37862.171 014.41810.101 195.29趋势/(mma-1)0.12-2.65-1.05-0.943.05-6.000.87-2.011.331.143.263.932.36-2.95变差系数0.070.100.110.110.130.150.110.140.130.090.110.110.120.12月降水量均值/mm70.3085.2664.5757.1858.19104.6873.15113.0053.2860.8573.9187.6667.9697.36趋势/(mma-1)0.01-0.21-0.090.10.25-0.50.07-0.170.110.090.200.320.20-0.25变差系数0.070.090.120.120.120.080.090.150.140.070.080.080.120.12 500苏华丽 等：大渡河流域降水时空变化特征第 5 期图 3大渡河流域极端降水量变化趋势Fig.3Trend of extreme precipitation in Dadu River Basin表 5大渡河流域水资源分区极端降水指标概况Tab.5Extreme precipitation indexes in Dadu River Basin水资源分区阿珂河安顺河绰斯甲东谷河革斯扎官庙河金汤河流沙河牛日河梭磨河田湾沟瓦斯沟小金川PRCPTOT均值/mm746.71972.25656.06641.92609.301 267.67796.091 205.921 077.32764.97936.94794.70675.60趋势/(mma-1)-1.27-2.080.662.870.86-1.071.17-4.05-1.661.622.622.720.73变差系数0.120.120.120.140.140.150.120.160.200.120.120.120.10R1day均值/mm11.5718.1012.2411.0512.2639.3514.2633.3326.7917.2515.1012.0314.00趋势/(mma-1)-0.170.16-0.020.220.000.110.230.210.25-0.190.120.250.03变差系数0.680.680.510.970.740.710.640.610.780.560.620.780.47R7day均值/mm56.5168.4356.9052.3256.69102.7253.6795.5677.7462.8963.6453.9451.99趋势/(mma-1)0.000.220.110.520.26-1.780.38-0.49-0.690.000.290.630.00变差系数0.300.410.310.510.440.610.380.540.460.350.390.530.37R95P均值/mm163.89214.17164.28145.95154.47340.00185.71332.72267.23198.93193.06163.55163.81趋势/(mma-1)0.010.00-0.011.130.26-0.760.68-0.35-0.40-0.020.190.410.39变差系数31.6051.8626.8835.7936.4498.2840.2881.7174.2737.8643.5733.0626.63 501内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）第 52 卷低值中心，东南部出现高值中心且剧增，说明大渡河流域的极端降水事件主要发生在东南部。具体到各个指标，PRCPTOT 从流域东南部的 1 564.7 mm 到西北部 570.9 mm，与年降水量在数值和空间分布上相似。R95P 在东南部存在等值线圆环，流域的高值中心也在此处，说明东南部发生强降水的可能性极大。R1 day 从流域东南部的 56.7 mm 到西北部的 6.4 mm，R7day 从流域东南部的 145.5 mm 到西北部 40 mm，R1 day和 R7 day 的闭合等值线圆环出现在东南部，降水的量级和梯度均在东南部剧增，并且随着时间尺度的缩短，流域内闭合圆环的范围逐渐扩大，东南部的高值区范围更加明显。3讨论与结论3.1大渡河流多时空尺度降水变化特征的对比分析首先，通过对大渡河全流域不同时间尺度的降水进行对比分析发现，相对年、月等长时间尺度降水，虽然流域降水趋势是增加的，但增加趋势的并不显著，且增加主要集中于冬春两季，而夏秋两季降水呈减少趋势，大渡河流域的降水量主要来源于夏秋两季。大渡河流域降水区域分异性明显，以流沙河、官庙河为 代表的东南部地区，降水的减少趋势较为明显；以田湾沟、东谷河为代表的中游地区降水的增加趋势明显，表明降水减少的地区主要集中于降水较多的东南部，降水增加的地区主要集中于降水较少的中游，这将在一定程度上减弱流域降水的空间差异性。对全流域而言，日尺度的极端降水增加、减少趋势并不明显，但是极端降水主要集中于大渡河流域东南部，表明东南部发生极端降水事件的概率远大于西北部，且日尺度极端降水的空间分异性高于年、月等长时间尺度。其次，将大渡河流域不同水资源分区下不同时间尺度的降水进行对比，发现同一分区年、月尺度的变化趋势基本一致，但不同日尺度的极端降水变化趋势差异较大。最后，将大渡河流域的分区尺度和全流域尺度进行对比发现，各分区之间的降水值差异较大，水资源分区的空间差异性明显，不同时间尺度的降水均主要集中于大渡河流域的东南部。图 4大渡河流域年、季、月降水空间分布Fig.4Spatial distribution of annual，seasonal and monthly precipitation in Dadu River Basin 502苏华丽 等：大渡河流域降水时空变化特征第 5 期大渡河流域降水时空变化特征分析是学者们研究的重点，根据研究重点的不同，可以将这些研究大致分为极端降水研究和非极端降水研究。对于年、月等长时间尺度的非极端降水而言，近几十年大渡河流域降水呈上升趋势的变化方向是一致的，但由于数据源和数据处理方法的不同，不同学者得出的非极端降水的变化趋势是有差异的。对极端降水而言，当前研究更多的是基于气象站点进行的分析，而本文基于栅格数据进行分析，发现大渡河流域的极端降水大多呈现从西北向东南递增的趋势，表明东南部的极端降水 事件频发。3.2大渡河流域水资源管理与山洪灾害防治启示大渡河流域的降水变化趋势是增加的。虽然增加趋势很小，但在降水的空间分配上呈“下游降水多的地区，降水呈递减的变化趋势”的降水分配趋势，一定程度上减弱了大渡河流域的水资源管理和区域山洪防治的压力。大渡河流域下游降水量在 1 000 mm 以上，部分地区超过 1 300 mm，且海拔落差大，该地是我国 水电梯级开发的重要区域之一，带动了周边地区的经济社会发展。马尔康、九寨沟、泸定等主要城市分布在大渡河中上游，该区域的生产生活用水基本依靠流域的水资源，而该地区的降水量相比大渡河其他流域较少，因此水资源的合理分配对中上游地区尤为重要。石棉、汉源等城市位于大渡河下游地区，该区域降水充沛，尤其是频发的日尺度极端降水事件，特殊的高山峡谷地貌12，易引发山洪、泥石流等灾害。因此，应加强对大渡河流域中下游的灾害危险性评估，着重预防暴雨和山洪灾害的发生13，提高人类工程活动的合理性，并采用植树造林等生物性工程，将山洪灾害的损失降到最低。3.3结论通过上述分析可知，在降水的时间变化特征上，大渡河流域尺度上的年、月等大时间尺度降水整体上均呈上升趋势，而不同日尺度极端降水的指标变化趋势则不一致。在水资源分区尺度上，各分区不同时间尺度降水的变化趋势呈非一致性，不同时间尺度的降水变化方向各异、差异也较明显。流域日尺度的极端降水指标中呈上下游减少，中游增多的变化趋势，该趋势对流域的水资源开发和山洪灾害的治理有重要影响。在降水空间分布规律及变化特征上，各时间尺度降水整体均呈自流域东南部向西北部减少的趋势，流域东南部始终是降水和趋势变化最明显的地区。大渡河全流域的尺度和分区尺度降水均呈较强的空间分异性，并随着降水指标时间的缩短而增强。流域整体呈现“湿的越干”的空间变化趋势，这为大渡河的分区治理 带来了一定的影响。图 5大渡河流域极端降水指标空间分布Fig.5Spatial distribution of extreme precipitation indexes in Dadu River Basin 503内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）第 52 卷参考文献：1 张仪辉，刘昌明，梁康，等.雅鲁藏布江流域降水时空变化特征 J.地理学报，2022，77（3）：603-618.2 肖杨，袁淑杰，张碧，等.大渡河流域降水时空分布特征 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610068，China）Abstract：Dadu River Basin is the source of Minjiang River，the precipitation in the region has great influence not only on the water cycle of Dadu River，as well as the prevention and control of disasters of torrential flood，but also on the condition of Minjiang River.Dadu River Basin is divided into 13 tributary regions through ArcGIS hydrological analysis.The temporal and spatial variations of annual，seasonal，monthly precipitation and daily scale extreme precipitation in the Dadu River Basin and 13 tributaries were comprehensively analyzed based on the precipitation data from 1979 to 2018 in the paper.The results showed that（1）from 1979 to 2018，the variation trends of precipitation of the basin were inconsistent in different season，but the differences were not significant，and the annual precipitation presented an upward trend in these years，which was 0.11 mm.a-1on average，and it presented upward trend in spring and winter，downward trend in summer and autumn，in different water resource partition of the basin，the variation trend of precipitation at different season showed obvious inconsistency，it presented upward trend in the middle and upper reaches and downward trend in the lower reaches；that（2）the spatial differentiation in precipitation of Dadu River basin was obvious，and the differentiation increased with the shortening of the time scale of the precipitation index，the precipitation presented decreased trend from southeast to northwest in different season，and the southeast of the basin was the center of high precipitation all the time.Key words：Dadu River；extreme precipitation；temporal and spatial variation；water resource partition【责任编辑 张颖娟】504