引言

西江主要流经云南、贵州和广西三省(区)，水力资源丰富，是我国重要的水电开发基地，其中红水河流域建设了以龙滩水电站为龙头的10个梯级水电站。西江流域汛期受夏季风的影响，降雨集中且强度大，并因持续性暴雨而易于引发流域性大洪水灾害^[1-3]。因此，研究汛期暴雨对该地区防灾减灾及梯级水电厂开展洪前预泄、拦蓄尾汛等优化调度，提高水能利用率有着重要的作用。

在暴雨气候诊断等方面，国内已有许多研究成果，陈栋等^[4]分析了近50多年我国东部夏季暴雨年代际跃变特征，指出夏季暴雨日数和暴雨量占夏季降水总量的比例在20世纪70年代末和90年代初发生了显著的年代际变异；Zou等^[5]利用区域极端降水客观识别方法，对我国夏季暴雨强度、范围和持续性进行分析，指出长江中下游和华南北部持续性暴雨存在增多趋势，而两广之间和四川北部有减少趋势；杨明等^[6]利用1960—2012年逐日降水资料，通过建立暴雨指数，分析了安徽省夏季暴雨雨量、日数及强度的时空分布特征；徐明等^[7]利用1961—2013年华南区域305个国家级气象台站日降水资料，分析了华南前汛期持续性暴雨特征及其大尺度环流形势；张熙等^[8]分析了济宁地区1970—2014年春季暴雨的时空分布特征、雨强特征、天气环流形势及主要影响系统。

国内气象、水文学者针对西江流域暴雨(降水)气候诊断、环流特征也有过较多研究。纪忠萍等^[9]利用广西和广东两省(区)168台站从建站至2008年的逐日降水资料，采用小波分析、功率谱分析、Lanczos滤波等方法探讨了西江流域汛期暴雨的变化特征，表明西江流域暴雨日数具有准4 a与准22 a左右的周期振荡；莫旭昱等^[10]采用1958—2010年南北盘江流域范围20个气象台站降水资料，对区域降水时空特征、变化趋势及突变检验进行分析，得到南北盘江流域降雨量整体呈现显著减少趋势，而流域年降雨量在2002年发生显著突变，之后降雨量开始显著减少；何慧等^[11]利用1959—2008年广西西江流域74个气象站降水资料、西江干流及其支流水位资料，建立了洪涝发生站次序列并分析其时空特征和演变规律，指出西江流域洪涝的发生站次具有较显著的阶段性和突变性特征；黄明策^[12]采用合成分析方法，探讨了广西西江流域1970— 2005年11次致洪暴雨过程分布特征及环流特征；姚才等^[13]通过分析1988—1997年5次严重洪涝个例的特点，归纳出产生大范围致洪暴雨的三类天气型；何华庆等^[14]分析了1966—1995年6—9月西江流域16个暴雨洪涝个例，采用相似预报方法研究西江流域致洪暴雨的形成机制和预报方法；钟利华等^[15]基于GIS技术，根据西江广西区域及其上游区域，及广西境内的灌江、南流江、九州江等中小河流与各梯级水电站分布特征，开展了中小河流的流域区划(小流域分区)及面雨量监测方法的研究，结合气象站降水气候特征，进一步将研究区域划分为23个流域区间(子流域分区)，建立了以数值预报产品为基础的23个子流域面雨量集成预报模型。

上述研究主要从全国各大区域或流域分布特征与暴雨发生情况展开气候诊断等多方面分析，针对西江流域更多的是开展典型致洪暴雨过程的诊断分析和预报研究，或基于西江主要支流上水文代表站的水位资料开展洪涝时空特征方面的研究，钟利华等^[15]基于数值预报产品的解释应用技术，进行了流域面雨量预报方面的研究，但未开展针对西江流域各支流梯级水电站集雨区域(西江流域中上游)的暴雨气候诊断和预报方面的研究，然而，每年汛期暴雨(尤其是持续性暴雨过程)对该地区梯级水电厂防汛和增发电量影响极大，一般在暴雨过程中，梯级水电厂通过开展联络协调机制，进行动态汛限水位的调度，在确保大坝安全的情况下，避免汛限弃水，抢增发电量，进而实现防汛、发电增效两不误及水能利用率的最大化。

本文拟在文献[15]研究基础上，根据水电部门对流域精细化分区的新需求及气象站暴雨分布特征，对西江子流域进行部分增减处理，然后对更新后的西江子流域和子流域累计(全流域)的暴雨面雨量分别进行气候诊断分析，期望能揭示西江各支流梯级水电站的库区区间和库区上游流域区间及其累计暴雨面雨量的气候特征和变化规律，为进一步开展西江全流域和子流域暴雨面雨量预报研究奠定基础，进而为广西电力部门和西江各支流已建设的梯级水电厂针对暴雨洪涝过程开展上下游水电站的排蓄水优化调度、防洪调度等决策提供参考依据。

1 资料来源与研究方法 1.1 资料来源

本文所用资料为：1971—2015年汛期(4—9月)西江流域(102.2°—112.1°E、21.5°—27.0°N)122个气象台站(其中广西77个、云南23个，贵州22个)逐日降雨量资料，从全国综合气象信息共享平台(简称CIMISS平台)调取。

1.2 西江流域子流域分区

西江是珠江流域的主干流，其水系涉及滇、黔、桂、粤、湘及越南，由南盘江、红水河、黔江、浔江及西江等河段所组成，主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江及贺江等。本文研究范围为西江流域处于广西及其上游的云南、贵州省境内，该范围总计建设有122个气象台站。针对广西水电部门对流域精细化分区的新需求及气象站暴雨分布特征，根据分析范围的西江流域地形地貌、中小河流及各梯级水电站分布特征，采用文献[15]提出的子流域区划方法，将西江各支流总计分为22个流域区间(称为子流域)。图 1给出西江流域主要河段、支流与22个子流域分区和122个气象站点分布情况，自西向东将22个子流域依次命名为：南盘江上游、南盘江中游、南盘江下游、北盘江上游、北盘江下游、龙滩近库区、右江上游、右江流域、左江流域、郁江流域、西津流域、红水河上游、红水河下游、融江流域、龙江流域、柳江流域、洛清江流域、清水河流域、西江汇流、桂江上游、桂江中下游、贺江流域。

本文与文献[15]给出的子流域分区结果略有不同，首先删除了不流入西江梯级水电站范围的子流域，即：广西境内流入湘江的灌江和流入北部湾的南流江、九州江等支流范围的3个子流域，其次将流域集雨面积较大的南盘江由2个增加为3个子流域，由于红水河下游是广西的一个暴雨中心，将红水河流域由1个增加为2个子流域，总计为22个子流域。

1.3 分析方法

本文采用泰森多边形方法^[16]计算流域面雨量，使用线性倾向估计法^[17]和Mann-Kendall(M-K)突变检验法^[17]对暴雨面雨量、日数和强度分别进行趋势变化特征分析和气候突变检测，应用合成分析方法对1971— 2015年西江子流域和子流域累计(全流域)汛期年和旬平均暴雨面雨量、日数和强度时空分布及气候突变前后时空特征差异进行分析。

1.4 流域暴雨面雨量定义

使用西江流域范围122个气象台站1971—2015年汛期(4—9月)逐日降雨量，统计西江流域历年22个子流域面雨量并建立时间序列。根据文献[18]给出的流域面雨量等级划分标准：当子流域24 h面雨量≥ 30.0 mm为暴雨及以上等级，视为一个暴雨日。规定：暴雨面雨量为暴雨日面雨量的总和，暴雨日数为暴雨面雨量日数，暴雨强度为暴雨面雨量与暴雨日数之比，统计西江流域历年22个子流域暴雨面雨量、日数和强度并建立时间序列。

2 汛期常年平均暴雨面雨量、日数和强度时空分布特征

为了解西江流域汛期暴雨面雨量的气候特征，从西江全流域和子流域暴雨面雨量年、旬平均时间和空间变化展开分析。采用合成统计分析方法，首先计算西江各子流域汛期常年平均、旬平均暴雨面雨量、日数和强度，对其进行空间分布特征分析，然后采用线性倾向估计法对西江全流域平均暴雨面雨量、日数和强度进行年际趋势分析，最后，采用合成统计分析方法计算西江全流域常年旬平均暴雨面雨量、日数和强度，对其进行时间分布特征分析。

2.1 空间分布特征 2.1.1 常年平均空间分布特征

图 2给出西江流域1971—2015年汛期常年平均暴雨面雨量、日数和强度空间分布。从图 2a中可见，暴雨面雨量高值区分布在西江流域东部的桂江流域、红水河流域、柳江流域及贺州流域等子流域，大部子流域大于400.0 mm，最大值中心位于洛清江流域(653.5 mm)，次大值中心位于红水河下游(645.8 mm)；暴雨面雨量低值区分布在西江流域西部的南北盘江流域、右江上游等子流域，大部子流域小于150 mm，极小值中心位于南盘江上游(65.3 mm)。从图 2b中可见，暴雨日数高值区分布在西江流域东部子流域，大部子流域多于8.0 d，最大值中心和次大值分别在洛清江流域(11.7 d)和红水河下游(11.4 d)，低值区在西江流域西部的南北盘江上游，小于4.0 d，极小值在南盘江上游(1.7 d)。造成西江流域暴雨面雨量、日数这种东西分布差异的原因主要有三个方面：一是位于东部的洛清江流域和中部的红水河下游集雨范围大多处于东路冷空气影响广西的迎风坡，对来自东南暖湿气流的爬坡抬升作用十分有利，易触发产生强降雨，成为暴雨中心；二是夏季广西以冷空气影响下的锋面降雨和台风降雨为主，红水河下游集雨范围处在冷空气和偏南暖湿气流辐合区域，及台风登陆后较强的西南风辐合区域，易于出现暴雨天气；三是西部流域集雨范围处在云贵高原东南部，冷空气南下受高原屏障作用而减弱，气流翻越山体时，下沉增温，云雨易蒸发，加上东南季风难以深入该地区，雨季来得较迟，降雨就较少。从图 2c中可见，暴雨面雨量强度分布可知，西江流域年平均暴雨强度在37.0~57.0 mm·d^-1，最强中心位于红水河下游(56.9 mm·d^-1)，次强中心位于洛清江流域(55.9 mm·d^-1)，低值中心位于南盘江上游(37.6 mm·d^-1)。

以上分析表明，汛期常年平均暴雨面雨量、日数和强度具有相似的特点，即东多(强)西少(弱)的分布特征，极大值中心在洛清江流域和红水河下游，极小值中心在南盘江上游。

2.1.2 旬平均空间分布特征

图 3是西江流域1971—2015年汛期旬平均暴雨面雨量、日数和强度空间分布。从图中可见，暴雨面雨量和日数分布较为一致，呈东部多、西部少，前汛期(4—6月)多、后汛期(7—9月)少的分布。图 3a显示，暴雨面雨量出现3个中心，即洛清江流域、红水河下游、桂江流域，最大中心在洛清江流域，旬暴雨面雨量达到88.4 mm，主要出现在6月中旬，南盘江流域和北盘江上游最少，各旬暴雨面雨量小于30.0 mm。图 3b显示，暴雨日数出现3个中心，即洛清江流域、红水河下游、桂江流域，最大中心在洛清江流域，旬暴雨日数达到1.2 d，而南盘江流域暴雨日数小于0.7 d；各旬暴雨日数由东向西、自北向南推进，按子流域平均暴雨日数大于0.2 d统计，桂江、柳江、洛清江、西江汇流、贺江流域在4月上旬开始进入暴雨季节，集中出现在5月中旬至6月中旬；西津流域在4月中旬开始进入暴雨季节，集中出现在5月中旬和7月下旬；红水河流域在4月下旬开始进入暴雨季节，集中出现在6月上旬和中旬；郁江流域在5月上旬开始进入暴雨季节，集中出现在5月下旬和7月下旬；右江流域5月上旬进入暴雨季节，集中出现在6月中旬和7月下旬；左江流域5月上旬进入暴雨季节，集中出现在5月中旬和7月下旬；北盘江下游和龙滩近库区5月上旬进入暴雨季节，集中出现在6月上旬和中旬；南盘江流域和北盘江上游5月中旬进入暴雨季节，集中出现在6月中旬和下旬。另外，南北盘江流域在7月中旬开始暴雨日数较少，其它大部流域在8月中、下旬之后暴雨日数逐步减少。

从图 3c可见，暴雨强度变化呈东部强、西部弱，汛期初期弱，中、后期强的分布，洛清江流域最强，6月中旬到7月中旬持续大于60.0 mm·d^-1，南盘江最弱，4月上、中旬基本无暴雨日，旬暴雨强度大部小于44.0 mm·d^-1。出现3个暴雨强度中心，最大值中心在洛清江流域(71.0 mm·d^-1)，出现在6月中旬，次大值中心在红水河下游(68.9 mm·d^-1)，出现在6月中旬，第三大值中心在西江流域南部的右江上游和西津流域(67.4 mm·d^-1)，出现在9月上旬和中旬。造成西江流域暴雨强度出现季节和空间分布差异的原因主要有二个方面：一是由于6—7月西太平洋副热带高压北跳，热带辐合带常常随之北抬，因而影响广西的天气系统不仅仅有冷空气、高空槽等西风带系统，热带系统也是主要影响系统之一，强降雨主要出现在西江流域东部及中部的洛清江流域和红水河下游；二是9月主要是以台风、热带辐合带等热带系统降雨为主，强降雨一般出现西江流域的南部，处于台风登陆后强的西南风辐合区域。

总体而言，暴雨面雨量和日数呈东部多、西部少，前汛期多、后汛期少的分布，暴雨强度呈东部强、西部弱，汛期初期弱，中、后期强的分布，暴雨日在东北部最早开始，西部最早结束，强暴雨区在东部最早开始，西南部最迟结束。

2.2 时间分布特征 2.2.1 年际趋势变化特征

图 4给出西江流域1971—2015年汛期平均暴雨面雨量、日数和强度的线性倾向分布。从图中可见，近45 a来暴雨面雨量、日数和强度线性倾向为正，即随时间变化呈现上升趋势，这与有关西江流域降雨趋势变化研究结论一致^{[2, 19-20]}。暴雨面雨量和日数呈不显著增加趋势，而暴雨强度呈显著性增加趋势(通过0.05信度检验)，对应的气候倾向分别为11.62 mm·(10 a)^-1、0.15 d·(10 a)^-1和0.55 mm·d^-1·(10 a)^-1，表明随着全球变暖等多种因素，45 a来西江流域汛期总平均暴雨面雨量增加了52.3 mm、日数增多0.7 d、强度增强2.5 mm·d^-1。说明西江流域暴雨这类灾害性天气有增多增强的趋势。

从年代趋势看，暴雨面雨量和日数变化趋势基本一致，在1976—1981年、1993—2002年出现2个偏多阶段，1982—1992年、2009—2013年出现2个偏少阶段。暴雨强度在1976—1978出现1个偏多阶段，1992—2011年呈现波动上升趋势，在1994年、1998年、2002年、2008年出现4个明显峰值，1979—1991年出现1个偏少阶段。

2.2.2 旬变化特征

图 5给出西江流域1971—2015年汛期旬平均暴雨面雨量、日数和强度分布，从图中可以看出，4—9月各旬暴雨面雨量及日数变化基本一致，大体呈单峰型分布，峰值和次峰值出现在6月中旬、上旬，年均暴雨面雨量在830.0 mm、日数在15.8 d，从4月上旬开始逐旬增加，5月上旬有一个较大的增幅，暴雨面雨量和日数分别由224.1 mm和5.1 d上升到488.0 mm和10.8 d，此后持续上升，至峰值后逐旬呈减少趋势，8月上旬降到一个低点(277.7 mm和6.3 d)，8月中旬再度上升至348.6 mm和7.4 d，之后持续下降，9月下旬降至118.2 mm和2.5d。暴雨强度呈波动增减分布，4月上旬(41.7 mm·d^-1)开始呈波动上升趋势，6月中旬升至最强(52.4 mm·d^-1)，此后持续下降，至8月上旬降到一个低点(43.9 mm·d^-1)，8月下旬再度上升至47.8 mm·d^-1，之后以波动下降为主。

3 突变检测及突变前后两时段空间差异

20世纪80年代末以来全球气候加剧变暖，在气候变化背景下，极端天气事件屡屡发生，特别是高温干旱和暴雨洪涝。《2015年中国气候变化监测公报》^[21]中证实：1961年以来，中国单站极端高温事件发生频次的年代际变化特征明显，其中20世纪90年代末以来明显偏高，单站极端强降水事件的频次呈弱的增加趋势，其中20世纪90年代初以来呈较明显偏多趋势；另外，气候变化对中国降水总量影响不大，但是对时间、空间的分布影响很大，近50 a总体趋势是：新疆和长江中下游、江南地区总体降水量增加，而西南到东北地区降水量减少。为了解中国大范围气候变暖大背景下西江流域降水是否存在显著的变化特征，首先采用M-K检验法对西江全流域平均暴雨面雨量、日数和强度进行突变检测，然后采用合成统计分析方法分析西江子流域平均暴雨面雨量、日数和强度突变前后两时段的空间差异。

3.1 突变检测

在M-K突变检测中，如果原资料序列(UF)、反向气象序列(UB)在临界值±1.96(α=0.05)之间有一显著交点，且UF上升超过1.96或UB下降低于-1.96，则认为序列产生了突变，且这一交点就是突变开始点；反之，则认为没有产生突变。UF或UB超过临界直线时，表明增加或减少趋势显著。图 6给出西江流域1971—2015年汛期平均暴雨面雨量、日数和强度M-K突变检验，从图中可见，西江流域暴雨面雨量、日数和强度同时在20世纪90年代初有一次最明显的增强趋势，突变点在1992年，其中暴雨强度1993年以来为持续增强趋势，在2011年超过0.05信度临界线，表明西江流域暴雨强度自1993年以来为显著增强趋势，而暴雨面雨量、日数在1996年以来呈现上升趋势；这不仅与中国大范围气候变暖的大背景相一致，也与张婷等^[1]华南地区降水趋势在1992年经历了一次比较明显的突变，年降水量由减少的趋势突变到增加趋势结论基本一致。

3.2 突变前后两时段空间差异

为了解气候变暖大背景下西江流域汛期暴雨的变化特征，对1992年突变前后两个时段西江子流域汛期暴雨空间分布差异进行分析。图 7给出年平均暴雨面面量、日数和强度突变后(1993—2015年)减突变前(1971—1992年)的差值分布图。由图可见，大部分子流域差值为正值，说明突变后西江大部子流域暴雨面雨量、日数和强度呈现增加趋势。图 7a显示，暴雨面雨量增幅较大的为西江流域东部的桂江上游、红水河下游及洛清江流域等子流域，增幅达到129.0~186.0 mm，西江流域南部和西部的左江流域和南盘江中下游趋于减少，减幅较大的是南部的左江流域有29.5 mm，其次是西部的南盘江中下游，减幅在3.0~15.0 mm。图 7b显示，暴雨日数增幅较大的为桂江流域和洛清江流域，增幅达到1.7~2.8 d，左江流域和南北盘江部分子流域趋于减少，减幅较大的是左江流域有-0.6 d。图 7c显示，暴雨强度增幅较大的为红水河下游及桂江上游，增幅达到5.8~6.0 mm·d^-1，南北盘江部分子流域、左江流域、郁江流域、融江流域、龙江流域趋于减少，减幅较大的是融江流域有-1.4 mm·d^-1。总体来看，突变后西江流域的东部子流域暴雨面雨量和日数多有增加，西部和南部部分子流域为减少，暴雨强度在中东部子流域增幅最大，趋于减弱的区域主要在西部、南部和北部的部分子流域，这与有关西江流域(强)降雨趋势变化研究结论一致^{[2, 10, 22]}。

4 结论和讨论

通过分析西江全流域和子流域1971—2015年共45 a汛期年、旬平均暴雨面雨量、日数和强度的时空分布特征及趋势变化和突变前后空间分布特征，揭示了西江全流域和子流域暴雨面雨量的气候特征和一些变化规律，得到以下结论：

(1) 汛期常年平均暴雨面雨量、日数和强度呈东多(强)西少(弱)的分布，极大值区在东部的洛清江流域和红水河下游，极小值在西部的南盘江上游。暴雨面雨量和日数在前汛期多、后汛期少，暴雨强度汛初弱、汛中后期强，暴雨日在东北部最早开始，西部最早结束，强暴雨区在东部最早开始，西南部最迟结束。

(2) 汛期旬平均暴雨面雨量和日数时间变化基本一致，大体呈单峰型分布，峰值和次峰值出现在6月上中旬，暴雨强度呈波动增减分布，4月上旬最弱，6月中旬最强。

(3) 近45 a来西江流域暴雨面雨量、日数和强度呈上升趋势，其中暴雨强度上升趋势显著。暴雨面雨量、日数和强度在1992年出现一次明显的突变，突变后，西江流域的东部子流域暴雨面雨量和日数为增加，西部和南部部分子流域为减少，暴雨强度在中东部子流域为增强，在西部、南部和北部的部分子流域为减弱。