盘龙河流域降水时空分布特征研究

郭文雅 李代华 王葵 范德方 覃信龙 王龙

摘要 利用盘龙河流域22个雨量站1978—2018年的降水量观测资料，采用Mann-Kendall法、Morlet小波分析法、克里金插值法、3年滑动平均法、降水距平法、降水累积距平法对近41年来该流域降水量变化趋势进行研究。结果表明：近41年来盘龙河流域降水量呈明显增加趋势的是年及夏季、冬季，而在春季、秋季的降水量则相对较少;降水量在空间分布上呈现从上游到下游逐渐减少的趋势;在周期上，年降水量存在5个不同的主振荡周期，而春季、夏季、秋季、冬季降水量均存在3个主振荡周期;年际变化上，年、春季和秋季降水量均呈下降趋势，倾向率分别为-6.19、-5.00和 -14.00 mm/10 a，其中在夏季和冬季倾向率分别为8.75、6.27 mm/10 a，降水量呈现逐渐上升的趋势。

关键词 降水量;变化特征;空间分布;盘龙河流域

中图分类号 P 426.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）20-0224-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.060

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Precipitation in Panlong River Basin

GUO Wen-ya LI Dai-hua WANG Kui1 et al

（1.College of Water Conservancy，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201;2.Wenshan Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau， Wenshan， Yunnan 663000）

Abstract Using the precipitation observation data of 22 precipitation stations in Panlong River Basin from 1978 to 2018，the Mann-Kendall method， Morlet wavelet analysis method， Kriging interpolation method， 3-year moving average method， precipitation anomaly method， precipitation cumulative distance Pingfa were used to study the change trends of precipitation in the basin in the past 41 years.The results showed that in the past 41 years， the precipitation in the Panlong River Basin had shown a significant increase in annual， summer and winter， while the precipitation in spring and autumn was relatively small;the spatial distribution of precipitation showed a gradual decrease trend from upstream to downstream.In terms of cycle， there were 5 different main oscillation periods for annual precipitation， and there were 3 main oscillation periods for precipitation in spring， summer， autumn and winter.In terms of interannual changes， the precipitation in the annual， spring and autumn all showed a downward trend， with tendency rates of -6.19， -5.00 and -14.00 mm/10 a respectively;in summer and winter， the trend rates were 8.75 and 6.27 mm/10a， respectively， and the precipitation showed a gradual upward trend.

Key words Precipitation;Change characteristics;Spatial distribution;Panlong River Basin

基金項目 云南省教育厅基金项目（2020J0246）。

作者简介 郭文雅（1994—），女，河南太康人，硕士研究生，研究方向：区域水资源开发与利用。

*通信作者，副教授，硕士，硕士生导师，从事区域水资源开发与利用方面的研究。

收稿日期 2021-03-04

在对气候变化进行描述的过程中一个相对关键的指标就是降水量。通过对降水量变化规律的描述可以有效分析该地区气候变化情况，这对提高降水预测能力、减少洪涝灾害损失有重要意义[1]。我国研究学者对于降水研究相对较多，其中符传博等[2]对云南省降水时空分布特征进行了研究;刘瑜等[3]研究了云南省降水与气温变化特征;万云霞等[4]研究了云南省秋季降水变化的特征及其成因;刘新有等[5]重点研究的是怒江流域降水情况，其中在进行研究的过程中重点是对该地区降水趋势以及不同区域降水量不同的原因进行分析;董徐艳等[6-7]同样研究了云南省在全球变暖的大环境下不同地区降水量的时空分布特性;杨丹丽等[8]研究的是不同时间段降水强度以及降水天数的变化特征。虽然上述研究学者对于降水研究相对较多，但是对于盘龙河流域的降水情况研究相对较少[9]，而且大部分研究都停留在2010年之前，最近几年的研究成果更少。所以加强对该地区的降水情况研究具有十分重要的现实意义。

盘龙河位于云南省东南部，主要支流有畴阳河、德厚河、马塘河、顺甸河、猛硐河、董金河、布都河、岔河等。盘龙河是文山州水系的重要动脉，是全国一条重要的国际河流以及连接越南的纽带，战略地位十分突出[10]。因此，研究盘龙河流域降水的时空分布特征，分析其盘龙河流域降水的时空演变规律，为后续研究盘龙河流域水资源合理开发利用、环境保护以及该地区以农业为主的经济作物发展提供参考信息。

1 资料与方法

1.1 数据来源

该研究数据资料选用云南省文山州段盘龙河流域1978—2018年22个雨量站点（表1）逐月降水数据，数据来源于云南省水文水资源局文山分局。其研究范围在22°88′～23°77′N、100°75′～104°84′E，流域22个雨量站点分布见图1。

1.2 分析方法

1.2.1 Mann-Kendall趋势检验法。

Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数检验法，广泛应用于水文气象研究领域[11]。通过计算统计量Z对序列趋势变化的显著性进行双边检验，当Z的绝对值大于一定显著性水平α下的临界值时，即可认为所分析序列在统计意义上存在显著性变化趋势。其中Z的绝对值大小体现了变化趋势的大小[12]。

假设一时间序列y y y …，yn，其检验计算公式[13-15]如下：

S=ni=2i-1j=1sign（yi-yj）（1）

式中，sign（）符号函数，当（Xi-Xj）≤0时，sign（Xi-Xj）数值分别为-1、0、1[13-15]。

在对Z值进行计算时，采用的计算公式[13-15]如下：

Z=（S-1）/n（n-1）（2n+5）/18S>0

0S=0

（S+1）/n（n-1）（2n+5）/18S<0

（2）

Z值的正负分别代表样本系列变化趋势的增加和减少[16];统计量Z值用│Z│的大小反映样本系列的变化趋势是否显著，通过计算发现│Z│值大于1.64、1.96、2.58，说明样本系列分别通过了90%、95%、99%的置信度检验[17-18]。

1.2.2 Morlet小波分析法。

小波变换的本质指的是通过对气候系统中不同频率和时间结构进行细致综合性研究来实现对有价值信息的提取。在该研究中使用的是Morlet小波，其函数形式如下：

φ（t）=e-t22eiw0t（3）

式中，w0为常数，通常取6.2;i为虚数。其中该小波连续变化的形式为：

Hf（a，b）=1a∫+∞-∞f（t）（t-ba）（4）

式中，a表示与小波周期（时间参数b）有关的尺度参数。其中小波变换系数用Hf（a，b）表示。通过对小波方差进行计算可以实现对时间序列主周期数值的确定，其中该数据的积分形式可以通过下式表示[19]：

Var（a）=∫+∞-∞Hf（a，b）2db（5）

1.2.3 克里金空间插值法。

克里金插值法是在1951年由D.G.Krige第一次提出来的一种空间插值方法，后经过法国著名研究学者G.Matheron进行了进一步的深化和发展。该方法的空间插值公式[20]如下：

Z（y0）=ni=1γiZ（yi）（6）

式中，Z（y0）和Z（yi）分别表示未知、已知样本点的具体数值;n表示样本个数;γi表示第i个未知样点所占比例。

相比于传统方法，该方法具有独有的优势：它除了考虑到每个已知样本点的空间相关性之外，还显示给定估计点值的估计精度的方差[21]。这种方法既可以客观地反映定律，又具有较高的估计精度，所以成为插补气象要素的重要方法。

2 结果与分析

2.1 盘龙河流域降水量空间分布

2.1.1 年降水量空间分布。

1978—2018年盘龙河流域年平均降水量为1 135 mm，最多和最少年降水量分别为1 521 mm（1978年）和831 mm（2009年），砚山新寨的年最少降水量为790 mm，而勐硐站的最大年降雨量为1 882 mm。从图2可以看出，年降水量的空间分布主要呈现在中游和下游，上游偏少，41年年降水量为790～1 882 mm，降水量多的地区主要集中在流域的下游，即马关新寨—木亮—天保—勐硐一带;根据Mann-Kendall方法的计算和分析（表2），流域22个雨量站中，有10个站的年降水量呈增加趋势，12个站的年降水量呈减少趋势，呈上升趋势的雨量站主要集中在流域的中游、上游，呈下降趋势的雨量站则出现在流域的下游地区;其中，上游高枧槽站和稼依站年降水量Z值已通过90%和95%置信度检验，且增加趋势显著，下游豆豉店站和勐硐站的年降水量Z值通过了90%置信度检验，下降趋势显著。

2.1.2 季降水量空间分布。

从盘龙河流域4个季节不同时间段降水量的空间分布特征（图3）可以看出，春季、夏季、秋季、冬季的降水量分别在148～287、435～913、149～386和41～105 mm，降水量在空间分布上呈现出从上游到下游逐渐减少的特征。从流域整体上分析，降水量相对较少的地区为中下游部分地区。春季、夏季、秋季和冬季降水量较多的地区主要集中在流域上游的德厚、秉烈、稼依、砚山新寨一带，德厚、稼依、砚山新寨及下游的木亮、勐硐、天保一带，德厚、稼依、砚山新寨及下游的木亮、勐硐、天保一帶，砚山新寨、稼依、伍凤村、德厚一带;其稼依站、木亮站、砚山新寨站、稼依站分别为春季、夏季、秋季和冬季降水量的最大，最大值依次为287、913、386和105 mm;在表2中通过 Mann-Kendall法对计算分析进行检验可以发现，在春季、夏季、秋季、冬季4个不同季节中，降水量上升的站点分别有9、16、18、21个，降水量下降的站点分别有13、6、18、1个。其中中游、上游流域站点大部分呈现降水量上升趋势，而下游地区则相反。上游秉烈站Z值春季、夏季的降水量分别通过了99%、95%的置信度检验，减少趋势比较明显;上游伍凤村站的秋季降水量Z值通过了99%置信度检验，下游豆豉店站和稼依站的秋季降水量Z值均通过了95%置信度检验，勐硐站通过了90%置信度检验，减少趋势显著;下游天保站Z值春季和冬季降水量均通过了95%置信度检验，减少趋势显著，然而，天保站的夏季和秋季降水量Z值都通过了 99%置信度检验，增加趋势显著;中游高枧槽、偏岩站的夏季降水量Z值通过了90%置信度检验，上游砚山新寨、文山黄草坝、古木站的冬季降水量Z值通过了95% 置信度检验，增加趋势显著。

2.2 盘龙河流域降水量 Morlet 小波周期分析

结合 MATLAB2018b和 Excel 软件，研究了盘龙河流域 1978—2018年降水量在不同时间尺度下的变化规律，利用Morlet小波分析对年、四季降水量进行了周期性分析。

2.2.1 年降水量 Morlet小波周期分析。

从图4可以看出，近41年整个流域年降水量存在5个主振荡周期，分别是385、5.84、9.49、20.35和30.84年。其中在第1个周期中年降水量振荡相对较强;5.84年为降水量第2个主周期，而这个周期的降水量振荡贯穿整个时间尺度;9.49年左右的时间尺度较为明显，而20.35年的时间尺度仅在1980—2010年表现明显，30.84年左右的时间尺度周期变化表现不明显。

2.2.2 季降水量 Morlet 小波周期分析。

从图5可以看出，春季、夏季、秋季和冬季降水量主振荡周期均为3个，分别是3.86、6.26和15.42年;21.81、 5.45和9.49年;30.84、3.59和2.21年;10.90、21.81和2.54年。振荡周期最强、最明显的为第一主周期，春季、夏季、秋季和冬季降水量第一主周期分别是3.86、21.81、30.84和10.90年，且贯穿整个周期;626、5.45、3.59和21.81年分别为第二主周期，春季降水量的第二主周期振荡仅表现在1990—2000年;第三主周期为15.42、9.49、2.21和2.54年，春季降水量的第三主周期仅表现在1990—2010年，而夏季降水量在9.49年的时间尺度上，仅在1970—1989年表现明显。从四季的第一主周期时间尺度上看盘龙河流域，整体上流域四季降水量在1980—1999年开始呈减小趋势逐渐进入一个枯水期。

2.3 盘龙河流域降水的年际变化特征

2.3.1 年降水量变化。

从图6可以看出，近41年盘龙河流域年降水量呈锯齿状，其中降水量最少和最多的年份分别是在2009和1978年，降水量分别为831.5、1 521.4 mm，两者之间差值为689.9 mm;该流域41年的平均降水量为1 135.0 mm，高于平均降水量的年份有20个，低于平均降水量的年份有21个。可用线性方程y=-0.618 5x+2 359.87来拟合年降水量的变化过程，倾向率为-6.19 mm/10 a，即盘龙河流域的年降水量每10年可能减少6.19 mm。近41年该流域年降水量整体上呈减少趋势，但没通过置信度检验，减少趋势不明显。

从表3可以看出，1978—1987和2008—2018年的降水距平百分率均为正，分别为4.73%和1.44%，降水量相对较多;通过分析发现这2个时期的降水量呈现逐渐增多的趋势，降水量相对充足;1988—1997和1998—2007年降水距平百分率均为负，分别为-1.13%和-5.03%，降水量偏少，表明这2个时期盘龙河流域降水量呈减少趋势。

从1978—2018年盘龙江流域降水距平百分率变化情况（图7）可以看出，整体上降水量的年际分布并不均匀，1978—1980、2008—2009年发生了旱涝交替的自然灾害;1987—1989、1991—1993、1998—2000、2009—2011年降水量持续偏少，而2012—2015年降水量持续偏多。

2.3.2 季降水量变化。

盘龙河流域的降水量随季节变化表现出了不同的变化规律。从盘龙河流域春季、夏季、秋季、冬季降水量年际变化（图8）可以看出，春季、秋季降水量呈现出逐渐下降趋势，而夏季、冬季降水量则呈上升趋势。秋季降水量年际变化的线性倾向率是-14.00 mm/10 a，即秋季降水以每10年减少14.00 mm的速率变化，通过了0.10显著性检验，但未通过0.05显著性检验，下降较明显;春季降水量年际变化的线性倾向率为-5.00 mm/10 a，说明该流域春季降水量正以每10年5.00 mm的速率減少，且没有通过005显著性检验;冬季降水量年际变化的线性倾向率为6.27 mm/10 a，即冬季降水以每10年增加6.27 mm的速率变化，未通过0.05显著性检验，上升不明显;而夏季降水量变化的线性倾向率为8.75 mm/10 a，也没有通过0.05显著性检验。从3年滑动平均趋势线看，春季降水量小范围波动下降;夏季降水量整体上是振荡下降的趋势;秋季降水量在1983年出现峰值，之后急速下降;冬季降水量总体呈增加趋势，有2个明显的峰值，一个是 1994 年，另一个是 2015 年。

1978—2018年盘龙河流域春季、夏季、秋季、冬季的多年平均降水量分别为217.6、615.8、239.7、58.8 mm，超出平均降水量的年份为相对多雨年份，低于平均降水量的年份则为相对少雨年份。盘龙河流域春季、夏季、秋季、冬季降水距平的年际变化如图9所示，每个季节分别从与多年平均降水量相近（降水距平在-5.0～5.0 mm）、高于多年平均降水量（降水距平大于5.0 mm）和低于多年平均降水量（降水距平<5.0 mm）3个方面比较，从图中可以看出，1978—2018年春季降水量与平均值相近的年份共有2年，占总年份的4.9%;高于和低于平均降水量的分别有16和23年，分别占总年份的39.0%和56.1%;由此可见，盘龙河流域春季相对多雨时期低于相对少雨时期。夏季降水距平图显示，各年降水量与平均值相近的年份同样是2年，占总年份的4.9%;高于平均值的有18年，低于平均值的有21年，分别占总年份的43.9%、51.2%;可见，盘龙河流域夏季相对多雨时期略低于相对少雨时期。从秋季降水距平图上看，各年降水量与平均降水量持平、高于、低于的年份分别有4、17、20年，分别占总年份的97%、41.5%和48.8%，秋季多雨期略低于少雨期。由冬季降水距平图可知，盘龙河流域各年降水量高于平均值的年份有14年，而低于平均值的有23年，与平均值持平的年份有4年，所占比例分别是34.1%、56.1%和9.8%，少雨期的年份远远超过了多雨期。

从盘龙河流域春季、夏季、秋季、冬季降水累积距平的年际变化（图10）可以看出，从1978年开始春季降水量累积距平曲线波动上升，1984—1994年降水量累積距平为正，是区域的多雨期，1990年达到峰值，为292.8 mm;2005年之后，曲线呈现下降趋势，最小值出现在2014年，累积距平值为-43.6 mm;2001—2013年雨水量相对充沛，是区域多雨期;整体上，流域在1978—2018年春季降水共有35年累积距平值为正，6年为负，说明春季降水以多雨期居多。

夏季，1978—1982年降水量的总累积距平大于0，说明雨量非常充沛;从1979年开始降水量累积距平曲线波动下降，1987—2007年降水量累积距平为负，是区域的少雨期，最小值出现在1992年，累积距平值为-322.9 mm;1993年之后，曲线呈现上升趋势，2008年达到此阶段的峰值，为99.1 mm;2008年之后累积距平值再次跌至负值;整体上，流域在1978—2018年夏季降水共有34年累积距平值为正，7年为负，说明夏季降水以少雨期居多。

秋季，1980—1993和1994—2006年降水量累积距平曲线呈先上后下的趋势，但是累积距平值均大于0，说明秋季降水在此27年间是雨水充沛期，最大值出现在2007年，降水量累积距平值达488.8 mm;2006年之后，这11年的降水量累积距平值都为负，说明此阶段降水缺乏。

冬季，整体上曲线呈现5次“下降—上升”的交替变化趋势，2018年是曲线最高点，累积距平值为1.6 mm，2012年是曲线最低点，累积距平值为 -200.9 mm;在1978—2018年仅有1

年的降水量累积距平值大于0，说明在该流域冬季降水大多数处于少雨期，降水相对较少。

总体而言，盘龙河流域夏季、冬季的雨量相对较少，多处于少雨期，特别是冬季，少雨期占整体的 97.60%;春季降水少雨期与多雨期交替变化，而秋季降水则多处于多雨期，雨量较多。

3 结论

（1）空间分布上，近41年盘龙河流域年降水量主要呈现在中游和下游，上游偏少;春、夏、秋、冬四季降水量主要呈现出从上游向下游逐渐减少的特点;年、夏季和冬季降水量呈增加趋势，春季、秋季则呈减少趋势，均没有通过显著性检验。

（2）周期变化上，近41年盘龙河流域年降水量有5个主振荡周期，分别是3.85、5.84、9.49、20.35和30.84年;在4个季节中的降水量主振荡周期均具有3个，其数值分别为386、6.26和15.42年;21.81、 5.45和9.49年;30.84、3.59和2.21年;10.90、21.81和2.54年;整体上流域降水量在20世纪80—90年代左右开始呈减小趋势逐渐进入一个枯水期。

（3）年际变化上，近41年盘龙河流域年、春季、秋季降水量均呈下降趋势，倾向率分别为-6.19、-5.00和 -14.00 mm/10 a;而降水量呈上升趋势的是夏季和冬季，倾向率分别为8.75、6.27 mm/10 a。整个流域少雨期的年份超过了多雨期，降水量呈减少趋势，但没通过置信度检验，减少趋势不显著。

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