海河流域降水量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征

王曉霞 徐宗學(xué) 紀(jì)一鳴 李運(yùn)才

(1.海南省水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 海口 570203;2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100875)

海河流域位于東經(jīng)112°～120°、北緯35°～43°之間,處于干旱半干旱區(qū),西以山西高原及黃河流域?yàn)猷?北以蒙古高原及內(nèi)陸河流域?yàn)榻?南界黃河,東臨渤海。流域?qū)儆跍貛|亞季風(fēng)氣候區(qū)。冬季受西伯利亞大陸性氣團(tuán)控制,寒冷少雪;春季受蒙古大陸性氣團(tuán)影響,氣溫回升快,風(fēng)速大,氣候干燥,蒸發(fā)量大,往往形成干旱天氣;夏季受海洋性氣團(tuán)影響,比較濕潤(rùn),氣溫高,降雨量多,且多暴雨,但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進(jìn)退時(shí)間、強(qiáng)度、影響范圍等很不一致,致使降雨量的變差很大,旱澇時(shí)有發(fā)生;秋季為夏冬的過渡季節(jié),一般年份秋高氣爽,降雨量較少。

近些年來,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)海河流域水文氣象方面進(jìn)行過相關(guān)的研究。孫福寶等 (2007)通過對(duì)海河流域的38個(gè)子流域及內(nèi)陸河流域的7個(gè)子流域的逐年降水、徑流及實(shí)際蒸散發(fā)和蒸發(fā)能力的分析[1],證明了基于Budyko假設(shè)的流域水熱耦合平衡關(guān)系在海河及西北內(nèi)陸河流域是成立的。劉登偉等 (2006)曾以京津冀地區(qū)49個(gè)站1961～2000年降水資料為數(shù)據(jù)源,選用了距離平方反比法、梯度距離平方比和普通克里格法進(jìn)行插值方法比較[2],交叉驗(yàn)證結(jié)果表明:在海河流域進(jìn)行降水插值分析時(shí)月降水的插值K riging方法更加優(yōu)越,因此本文在進(jìn)行插值的過程中,采用常用的K riging方法。夏軍等 (2007)結(jié)合信息熵理論提出一種基于差異信息測(cè)度與GIS技術(shù)的時(shí)空變化分析方法,并成功應(yīng)用于海河流域的31個(gè)測(cè)站1960～2001年降水、蒸發(fā)和氣溫的分析,直觀表達(dá)海河流域降水、蒸發(fā)和氣溫等水文氣象要素的時(shí)空變化規(guī)律,結(jié)果顯示,海河流域的降水在時(shí)間上的變化相對(duì)比較大,蒸發(fā)量在時(shí)間上的變化相對(duì)比較小,氣溫在時(shí)間上的變化相對(duì)比較小[3]。袁飛等 (2005)曾應(yīng)用大尺度陸面水文模型-可變下滲能力模型V IC(Variable Infiltration Capacity)與區(qū)域氣候變化影響研究模型PRECIS(Providing Regional Climate for Im pacts Studies)耦合,對(duì)氣候變化情景下海河流域水資源的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[4],結(jié)果表明:未來氣候情景下,海河流域的水資源將十分短缺。劉春蓁等用M-K方法對(duì)海河流域山區(qū)20個(gè)子流域徑流的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,提出了影響徑流變化的三種類型[5],該文對(duì)海河流域有代表性的8個(gè)分區(qū)中的20個(gè)子流域進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其主要研究?jī)?nèi)容是結(jié)合徑流對(duì)氣候變化的敏感性研究結(jié)果,估算近50年海河流域徑流的變化趨勢(shì),從氣候因素與人類活動(dòng)因素兩個(gè)方面探討近20余年海河流域天然徑流量銳減的原因,提出影響徑流變化的三種類型。

這些研究中,對(duì)海河流域降水量變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征的研究成果不多見,根據(jù)夏軍等(2007)對(duì)海河流域近50年的統(tǒng)計(jì)資料分析,降水量減少趨勢(shì)十分顯著,與二十世紀(jì)50年代中期相比,目前海河流域年降水量減少在4×1010m3左右[3]。因此,對(duì)海河流域降水量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究對(duì)于分析其水資源問題具有重要意義。本文試圖以非線性的M ann-Kendall方法結(jié)合線性分析,來研究海河流域降水量的變化趨勢(shì),以期為該地區(qū)水資源長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的分析提供一定的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

海河流域總面積為31.8萬km2,由海河和灤河兩大水系組成,根據(jù)其水系特點(diǎn),將其劃分為4個(gè)流域二級(jí)區(qū) (Ⅰ區(qū)-灤河及冀東沿海;Ⅱ區(qū)-海河北系;Ⅲ區(qū)-海河南系;Ⅳ區(qū)-徒駭馬頰河系)。根據(jù)1957～2004年降水系列,全流域多年平均降水量543.52mm,是我國(guó)東部沿海降水最少的地區(qū)。降水時(shí)空分布呈明顯的地帶性、季節(jié)性和年際差異,河流源短流急,水量集中,連續(xù)枯水年延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[6]。

圖1 所選氣象站分布示意圖

文中所用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局氣象中心,選用海河流域32個(gè)水文站點(diǎn)的數(shù)據(jù),考慮到序列的一致性,取各站點(diǎn)1957～2004年的月降水量數(shù)據(jù)(部分站點(diǎn)由日數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來),個(gè)別年份數(shù)據(jù)有所缺失,采用臨近站點(diǎn)進(jìn)行插值,以保證序列的完整性。所選的具體站點(diǎn)如圖1所示。為了更好地分析季節(jié)性變化,將其進(jìn)行季節(jié)性劃分,3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季,12～次年2月為冬季。站點(diǎn)的年降水量數(shù)據(jù)采用月數(shù)據(jù)累加的方法,季節(jié)性的數(shù)據(jù)也以相同的方法生成。

2 降水量的時(shí)空變化趨勢(shì)

研究應(yīng)用非參數(shù)M ann-Kendall檢驗(yàn)法和線性趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法,在M-K檢驗(yàn)中,一個(gè)重要的指標(biāo)就是表示單位時(shí)間內(nèi)變化量的Kendall傾斜度值,即β值,用它來量化單調(diào)趨勢(shì),當(dāng)β為正時(shí),表示上升趨勢(shì);當(dāng)β為負(fù)時(shí),表示下降趨勢(shì)。根據(jù)海河流域32個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,對(duì)其春夏秋冬四個(gè)季節(jié)及總降水序列進(jìn)行變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn),并以此分析其時(shí)間變化趨勢(shì);同時(shí),根據(jù)計(jì)算出的32個(gè)站點(diǎn)的β值,用Surfer7.0將其繪制成等值線圖,對(duì)其空間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.1 降水量的時(shí)間分析

根據(jù)海河流域12個(gè)月份的統(tǒng)計(jì)特征值,從線性趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,3個(gè)月的降水量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),尤其是7、8兩個(gè)月份下降幅度較大,8月份的b值達(dá)到-1.146mm/a,而且該月的結(jié)果拒絕原假設(shè),即存在下降的趨勢(shì);而M ann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果稍有不同,4個(gè)月的β值為負(fù),但與線性結(jié)果發(fā)生的月份基本相同;下降趨勢(shì)明顯的同樣出現(xiàn)在7、8月份,尤其是8月份的數(shù)據(jù),β值為-0.992mm/a,與線性結(jié)果相差不大。因此,汛期的7、8月份出現(xiàn)了降水量減少的趨勢(shì),而且減少明顯。

表1 海河流域四個(gè)季節(jié)及年降水量統(tǒng)計(jì)值

表1顯示了四個(gè)季節(jié)及年值的統(tǒng)計(jì)特征值,從表中可以看出,兩種方法的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果基本相同,夏季和秋季的降水量均出現(xiàn)了減少的趨勢(shì),其中夏季最為明顯 ,b值和β值分別達(dá)到-1.918mm/a和-1.982mm/a,海河流域的夏季降水量每年約減少1.9mm,春季有微弱的上升趨勢(shì),但程度不大,這造成了海河流域年降水量出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì),b值和β值分別達(dá)到-2.727mm/a和-2.634mm/a。這種強(qiáng)下降趨勢(shì)與夏軍等(2007)分析結(jié)果相似[3]。

圖2 年降水量的b值及β等值線圖

2.2 降水量的空間變化趨勢(shì)分析

針對(duì)海河流域32個(gè)站點(diǎn)的線性結(jié)果的b值及β值 ,對(duì)計(jì)算結(jié)果用Surfer7.0進(jìn)行作圖,其結(jié)果如圖2及圖3所示。圖2給出了流域年降水量b及β值的等值線圖,從圖中可以看出,兩者的分析結(jié)果基本上是相同的,流域各站點(diǎn)幾乎均處于負(fù)等值線區(qū),形成了以五臺(tái)山為中心的強(qiáng)下降趨勢(shì)區(qū),其b值達(dá)到-8.581mm/a,而β值達(dá)到-7.754mm/a,下降趨勢(shì)非常明顯。北京、天津兩大城市處于-1mm/a到-2mm/a的等值線之間。

圖3給出了流域4個(gè)季節(jié)的β等值線圖,從圖中可以看出:

(1)春季:從圖中可以看出,春季流域西部出現(xiàn)了以五臺(tái)山站為中心的下降趨勢(shì)區(qū),北部地區(qū)均處于微弱上升趨勢(shì)區(qū);

(2)夏季:夏季降水量的空間變化情況比較復(fù)雜,流域所有區(qū)域均處于負(fù)等值線區(qū),即該季節(jié)全流域出現(xiàn)了降水量減少的趨勢(shì),以五臺(tái)山站、豐寧站、青龍站、廊坊站及石家莊站為中心形成了不同程度的下降趨勢(shì)區(qū);

(3)秋季:與春季相似,除了以五臺(tái)山站為中心的下降趨勢(shì)區(qū)外,流域上其他站點(diǎn)基本呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì);

(4)冬季:該季節(jié)的上升或下降情況均不明顯,同樣形成了以五臺(tái)山站為中心的微弱下降趨勢(shì)區(qū),其他區(qū)域無明顯分布特征。

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)海河流域年降水量、季節(jié)性降水量及逐月降水量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的分析,根據(jù)流域年降水量b值及β值等值線圖、32個(gè)站點(diǎn)的β值等值線圖,可以初步得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)海河流域12個(gè)月份降水量的統(tǒng)計(jì)特征值中,線性及M ann-Kendall趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似,7、8兩個(gè)月份的下降幅度較大,尤其是8月份,b值達(dá)到-1.146mm/a,β值為-0.992mm/a。M ann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果中,4個(gè)月的β值為負(fù),與線性結(jié)果發(fā)生的月份基本相同。

(2)關(guān)于四個(gè)季節(jié)及年降水量的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示出,夏季和秋季的降水量均出現(xiàn)了明顯減少的趨勢(shì),以夏季最為明顯,b值和β值分別達(dá)到-1.918mm/a和-1.982mm/a;年降水量同樣出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì),b值和β值分別達(dá)到-2.727mm/a和-2.634mm/a。

(3)根據(jù)海河流域年降水量b及β值的等值線圖可以看出,兩者的分析結(jié)果的空間分布趨勢(shì)基本相同,流域各站點(diǎn)幾乎均處于負(fù)等值線區(qū)域,形成了以五臺(tái)山站為中心的強(qiáng)下降趨勢(shì)區(qū),其b及β值達(dá)到-8.581mm/a和-7.754mm/a,下降趨勢(shì)非常明顯。

(4)從四個(gè)季節(jié)的β值等值線圖可以看出:春季與秋季降水量的空間分布情況相似,流域西部出現(xiàn)了以五臺(tái)山站為中心的下降趨勢(shì)區(qū),北部地區(qū)均處于微弱上升趨勢(shì)區(qū);夏季流域所有區(qū)域均處于負(fù)等值線區(qū),即該季節(jié)全流域出現(xiàn)了降水量減少的趨勢(shì),以五臺(tái)山站、豐寧站、青龍站、廊坊站及石家莊站為中心形成了不同程度的下降趨勢(shì)區(qū),其中以五臺(tái)山站為中心的下降趨勢(shì)區(qū)最為顯著;冬季同樣形成了以五臺(tái)山站為中心的微弱下降趨勢(shì)區(qū),其他區(qū)域無明顯分布特征。

圖3 季節(jié)降水量的β等值線圖示意

由以上的分析可以看出:

海河流域的年降水量及夏季降水量出現(xiàn)了明顯的減少趨勢(shì),作為全年降水量貢獻(xiàn)超過50%的7、8月份,下降趨勢(shì)最大;同時(shí),降水時(shí)空分布不均,中部以五臺(tái)山站為中心的地區(qū)變化劇烈,流域的北面山區(qū)變化不大。

對(duì)48年的數(shù)據(jù)分析可以看出:

年降水量的減少是造成海河流域水資源危機(jī)的主要原因之一,該下降趨勢(shì)短期內(nèi)若不能改變,勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步加劇海河流域水資源短缺的局面。

針對(duì)這種情況,加緊實(shí)施南水北調(diào),加大非傳統(tǒng)水資源的利用,建立節(jié)約型社會(huì),將成為海河流域乃至華北地區(qū)解決水資源問題的重要出路。

1 孫福寶,楊大文,劉志雨等.海河及西北內(nèi)陸河流域的水熱平衡研究[J].水文,2007,4(2):7-10.

2 劉登偉,封志明,楊艷昭.海河流域降水空間插值方法的選取[J].地球信息科學(xué),2006,12(4):75-80.

3 夏軍,歐春平,HUANG G.H等.基于GIS和差異信息測(cè)度的海河流域水文氣象要素時(shí)空變異性分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2007,5(3):409-415.

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5 劉春蓁,劉志雨,謝正輝.近50年海河流域徑流的變化趨勢(shì)研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2004,8(4):385-393.

6 范榮生,王大齊.水資源水文學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.1996.