分析资料为赣江流域内及其周边27个气象站1966—2015年日降水量数据,其中位于流域内的站点11个,位于流域周边的站点16个(图1)。资料来自中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn)。本文中有15个站点在2014年5月存在1～6日的数据缺失(绝大部分缺失两天),但由于占比较小(<0.1%),因此将缺失的日雨量按0计算。

降水量的年际变化趋势采用一元线性回归和Mann-Kendall(M-K)法分析^[10]。降水量阶段性分析采用累积距平法进行,采用克里金插值法(Kriging)对降水量空间变化进行分析。赣江流域季节划分时间为: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。由于一元线性回归、累积距平等方法已在时间序列分析中广泛使用,具体计算方法本文不在赘述。

采用Matlab小波分析工具箱中的Morlet小波为母函数对降水时间序列进行分析^[11],找出降水量变化的主要特征。本文先对降水资料作标准化处理,再进行小波分析,以降低噪声影响。

赣江流域1966—2015年多年平均降水量为1 643.75 mm; 汛期为1 120.13 mm,占年降水量的68.2%; 春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量为633.90,567.09,221.81,220.95 mm,分别占年降水量的38.6%,34.5%,13.5%,13.2%(表1)。秋季和冬季降水量的极值比和变异系数较大,年降水量的极值比和变异系数值最小,表明秋季和冬季的降水量年际波动剧烈,而年均降水量波动较小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量的M-K检验统计量均大于0但小于1.96,表明赣江流域1966—2015年的年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不显著的增加趋势; 春季降水量M-K检验统计量小于0且大于-1.96,表明春季降水量呈不显著的减少趋势。

表1 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量变化特征值

线性回归分析显示,年、汛期、夏季、秋季和冬季的降水量增加速率分别为1.74,0.81,1.69,0.40,0.34 mm/a,春季的降水量减小速率为0.69 mm/a(图2)。5 a滑动平均值曲线显示:年尺度上,赣江流域近50 a的年降水量在1966—1990年波动较小,而1991年之后波动较大,总体呈增加趋势。夏季和汛期降水量都在1991年以后出现较大波动变化,呈现上升趋势; 春季、秋季、冬季降水量年际变化波动较小,其中,春季呈现出减少趋势,秋季和冬季呈现出增加趋势,但变化趋势均不显著。

图2 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量年际变化

对研究区域中涉及到的27个站点年降水量变化趋势分析显示,大部分站点呈现增加趋势,且显著增加的站点数达12个(44.4%),显著减少的站点仅3个(11.1%); 汛期降水量以不显著增加趋势为主,站点达18个,占比66.7%; 春季降水量不显著增加和显著增加的站点相同,各有13个,各占比48.1%,无显著减少的站点; 夏季、秋季和冬季降水量均以不显著减少为主,三者站点分别为16,13,14个,占比分别为59.3%,48.1%,51.9%(图3)。

赣江流域1966—2015年降水量具有明显的阶段性特征,对不同时间尺度降水量进行累积距平分析(图4),以持续5年以上的变化为基准,除秋季降水量无明显阶段性(整体表现为随机波动)外(图4E),其他时间尺度降水量均具有明显的阶段特征。

春季和夏季可分为4个阶段(表2),但时间存在差异。春季第一阶段1966—1979年,无明显阶段性变化,第二阶段1980—1984年呈现上升趋势,第三阶段1985—2006年无明显阶段性变化,第四阶段为2007—2016年,为先波动下降后上升趋势(图4C); 夏季4个阶段为1966—1977年、1978—1992年、1993—2002年和2003—2015年,其中1966—1977年和2003—2015年两个阶段均无明显阶段性变化,1978—1992年和1993—2002年两个阶段分别呈现为降低和上升趋势(图4D)。冬季可分为3个阶段,为1966—1987年、1988—1997年和1998—2015年,分别对应无明显阶段性变化、波动上升和波动下降趋势(图4F)。年、汛期、夏季的降水变化趋势有一定的相似性。

图3 赣江流域1966-2015年各站点不同时间尺度降水量变化趋势统计

图4 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量累积距平曲线

年和汛期降水量可分为4个阶段(表2,图4A—B),第一个阶段1966—1984年,其中年降水量表现为平水特征,而汛期降水量在该阶段呈上升趋势,表现为丰水特点; 年降水量第二阶段为1985—1991年,汛期降水量第二阶段为1985—1992年,降水量均有所下降,对应枯水特征; 年降水量第三阶段为1992—2002年,汛期降水量第三阶段为1993—2002年,该阶段二者降水量增加,为丰水阶段; 第四阶段2003—2015年,降水量减少,为枯水阶段。

表2 赣江流域1966-2015年不同时间尺度降水量阶段特征

对赣江流域1966—2015年降水量进行小波分析,年降水量具有8,22,32 a的主变化周期(图5A),短周期变化剧烈,长周期变化较为稳定,且存在4个降水周期丰枯交替年时间序列,分别为1974—1980年、1986—1990年、1996—2001年、2004—2011年。汛期降水量具有10,24,32 a的主变化周期,长周期及短周期变化均具有明显的规律性,有4个丰枯交替年时间段(图5B):1974—1978年、1988—1990年、1996—2002年、2004—2010年。春季降水量具有14,20,26 a的主变化周期(图5C),长周期变化呈现不规律性,短周期变化波动不大,有1个丰枯交替年时间序列,即1984—1988年。夏季降水具有26,30 a的主变化周期(图5D),整个时间序列的周期性变化规律性不明显,有主要两个丰枯交替年时间段:1986—1992年、1994—1998年。秋季降水量具有7,14,20,30 a的主变化周期(图5E),长周期变化具有明显的不稳定性,短周期变化不显著,具有多个丰枯交替年时间段:1970—1980年、1988—1992年、1994—1996年、2000—2004年、2006—2012年。冬季降水量的主变化周期不明显,降水量在近50 a内变化不大,不存在丰枯交替年时间序列(图5F)。

赣江流域1966—2015年年均降水量呈现明显的南部少、北部多的分布特征,宜丰、永丰、宁都一线以东是降水偏多区域(图6A)。整体上,降水量少于多年平均值(1 643.75 mm)的地区占大多数,大于1 700 mm的地区极少,赣州及其周边地区降水量是全省最小的区域。汛期降水的空间分布总体上呈中部及西部地区少,东部、南部及北部外围地区多的分布特征(图6B)。比较年降水量和汛期降水量的空间分布图发现,赣江流域降水量在这两个时期的空间分布具有一定的相识性。

春季降水的空间分布与全年降水的空间分布有一定的相似性,呈现南少北多的分布特征(图6C),这也和春季降水量占全年比重较多有关(表1)。总体上春季降水量以600～700 mm居多,主要分布于中部地区,春季的降水空间呈现不均匀分布。夏季降水的空间分布是全年中分布最均匀的一个季节(图6D),降水量主要集中在550～600 mm,仅赣州站及其周边区域降水量处于500～550 mm,因此,夏季降水空间分布相对均匀,且波动不大。秋季和冬季降水量各站点相差不大,但两个季节的空间分布情况有所不同(图6E和图6F); 秋季降水空间分布呈南北两端少,中部地区相对较多的格局; 冬季降水空间分布则是呈由南向北逐步递增的趋势。总体上,赣江流域降水量在4个季节的空间分布特征表现出明显的差异。

图5 赣江流域1966—2015年不同时间尺度降水量小波系数等值线

赣江流域降水空间分布的形成与多个因素有关,降水量与经度、纬度以及海拔的偏相关分析表明(表3),除秋季降水量外,其他尺度降水量均与经度显著相关; 而只有年降水量与纬度显著相关; 表明经度是影响赣江流域降水量空间分布的主要地理主轴。海拔对降水量亦有较大的影响,年、汛期和秋季降水量均呈显著的相关性,偏相关系数0.6以上,达极显著水平。

表3 1956-2015年赣江流域27个气象站点不同时间尺度降水量偏相关系数