1961-2012年汾河流域降水量變化特征

1961—2012年汾河流域降水量變化特征

侯劍英

(山西省太原市水文水資源勘測分局,山西 太原030002)

摘要：基于汾河流域12個氣象站1961—2012年降水資料,采用統(tǒng)計(jì)、線性傾向估計(jì)和Morlet子波分析等方法,對流域自然降水量變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:52年間,汾河流域降水量在波動中不斷減少,1990年代后,減少速率加快,自然水資源短缺現(xiàn)象趨于嚴(yán)重,且變差系數(shù)大,表明流域年降水量年際變化大,降水匱乏,水資源利用價(jià)值較低。流域降水量的周期表現(xiàn)出多尺度特征,2010年代后開始進(jìn)入豐水期。流域年和季節(jié)降水量的突變點(diǎn)及變化趨勢表現(xiàn)出明顯的季節(jié)氣候特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：降水量;變化特征;線性傾向估計(jì)法；Morlet 子波分析；汾河流域

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.012

作者簡介:侯劍英(1968—),女,工程師,長期從事水文水資源分析研究工作。E-mail: sxtybhxq0308@163.com

中圖分類號：P332.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-05-14編輯：高渭文)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.013

Precipitation variation characteristics of Fenhe Basin from 1961 to 2012

HOU Jianying

(HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofShanxiProvince,Taiyuan030002,China)

Abstract：Based on precipitation data from twelve weather stations in Fenhe Basin from 1961 to 2012, using statistical method, linear trend estimation, and Morlet wavelet analysis method to analyze variation characteristics of natural precipitation. Results show that the natural precipitation in Fenhe Basin has been continually reducing during the recent 52 years. Since the 1990s, the reducing rate has been increasing and shortage of water resource became more and more serious. Also, the coefficient of variation has been bigger than ever, which means the annual variation of precipitation over Fenhe Basin being too large, lacking in rain and water resource utilization of low value. The cycle of precipitation in Fenhe Basin has multi-scale characteristics. In the 2010s, the abundant water period started. The abrupt junction and variation trend of precipitation over years and seasons in Fenhe Basin plays apparent seasonal weather characteristics.

Key words： precipitation; variation characteristics; linear trend estimation; Morlet wavelet analysis; Fenhe Basin

汾河發(fā)源于山西北部的寧武縣,經(jīng)由6個地市的34個縣市,最后由河津匯入黃河,全長716km,流域面積39 741km2,約占山西省總面積的1/4,是山西省工業(yè)集中、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的主要地區(qū),沿岸地區(qū)每年從汾河提取的水量占全省水資源利用總量的46%[1],經(jīng)濟(jì)地位特殊。

汾河流域水資源短缺,嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在極端干旱條件下,水資源安全受到嚴(yán)重威脅[2]。目前,由于水資源過度開采造成的河道斷流、地下水位下降等已經(jīng)成為汾河流域水生態(tài)環(huán)境的主要危機(jī)之一[3]。為了緩解城市水資源供需矛盾,雨水利用已經(jīng)成為許多城市的重點(diǎn)水利工程之一,因?yàn)橛晁貌粌H能夠涵養(yǎng)水源、延緩滯洪、減少徑流、緩解供排水壓力,而且能夠改善生態(tài)環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益[4]。而雨水利用必須充分考慮自然降水的多年變化規(guī)律,才能達(dá)到理想效果。國內(nèi)一些學(xué)者針對黃河三角洲、長江、松花江等流域的降水變化特征進(jìn)行了研究,得出一些有意義的結(jié)論[5-11]。但利用最新降水資料,針對汾河流域的水情變化特征進(jìn)行的分析還較少。筆者以汾河流域12個氣象站近52年降水資料為基礎(chǔ),利用多種分析方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為全面了解該流域在全球氣候變化背景下的水情變化規(guī)律,為合理開發(fā)水資源、有效利用雨水資源、減緩需水矛盾提供重要參考。

1數(shù)據(jù)和方法

1.1數(shù)據(jù)選擇

資料來源于汾河流域12個氣象站(圖1)的降水量觀測,12個氣象站分別位于流域的上游和下游地區(qū),基本能反映流域自然降水分布情況。序列長度為1961—2012年,以12個站的年、季降水量平均值作為流域年、季降水量,多年降水平均值采用1981—2010年氣候值。

圖1　 研究區(qū)域示意圖

1.2研究方法

所用方法為統(tǒng)計(jì)法、線性傾向估計(jì)法和Morlet小波變換[12]等。

統(tǒng)計(jì)參數(shù)為多年降水平均值和變差系數(shù)、變化速率等。

降水變差系數(shù)是指年降水量的距平數(shù)與多年平均降水量之比的百分?jǐn)?shù),用以表征某一地區(qū)降水的年際變化程度。一個地區(qū)降水量豐富,變化率小,說明水資源利用價(jià)值高。

子波分析方法在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性,可以對信號進(jìn)行多尺度分析并能聚焦到所研究對象的任意微小細(xì)節(jié),因此,子波分析理論被廣泛應(yīng)用于信號處理、地震勘探、非線性科學(xué)等領(lǐng)域。而Morlet子波分析對奇異點(diǎn)的診斷還具有數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性(對應(yīng)于拐點(diǎn))。本文選用Morlet子波分析進(jìn)行周期分析和突變分析。

最常用的復(fù)數(shù)形式的小波函數(shù)是Morlet子波函數(shù),母函數(shù)為

(1)

其Fourier變換為如下形式:

(2)

用該子波變換時(shí),物理空間尺度L與伸縮標(biāo)度因子a之間的關(guān)系為L≈πa/Ω或

(3)

式中：ω為頻率;T為與Fourier分析中所對應(yīng)的周期,而Ω取值5.4。

2流域降水量的基本特征和線性趨勢變化

2.1基本特征

汾河流域年降水量的多年平均值為443.9mm,最大值為714.2mm(1964年),最小值為287.3mm(1997年),年降水量最大值是最小值的2.5倍;而春、夏、秋季降水量的多年平均值分別為78.4mm、243.6mm、109.3mm,最大值分別為177.2mm(1963年)、414.9mm(1966年)、232mm(2011年),最小值分別為21mm(2001年)、125.1mm(1997年)、35.7mm(1998年)?？梢?流域降水量最大值基本出現(xiàn)在1960年代,最小值出現(xiàn)在1990年代末到21世紀(jì)初。年降水量距平最大值為270.3mm,最小值為-0.2mm,變差系數(shù)為41.9 %,表明流域年降水量的年際變化大,降水匱乏,水資源利用價(jià)值較低。

汾河流域1961—2012年年均降水量年代距平見表1。由表1可見,1960年代、1970年代和1980年代汾河流域的降水量距平為正,說明該時(shí)段內(nèi)降水量偏多,而進(jìn)入1990年代后,汾河流域的降水量距平為負(fù),說明該時(shí)段內(nèi)降水量偏少,其中1990年代最少,距平百分率為-4.5%。21世紀(jì)以來,汾河流域降水量距平雖然仍為負(fù)值,但與1990年代相比，降水量有增加趨勢。

表1　1961—2012年汾河流域年均降水量年代距平

2.2變化趨勢

圖2為汾河流域1961—2012年的年、季降水量變化曲線。從圖2可看出,近52年來汾河流域的年降水量在波動中不斷減少,減少速率為每10年16.7mm。1961—1990年30年中,共有12年降水量小于多年平均值,而1991—2010年的20年中,有13年降水量小于多年平均值,說明1990年代以來,其減少速率加快,自然水資源短缺現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。

圖2　汾河流域1961—2012年降水量線性趨勢變化

對于季節(jié)降水量來說,春、夏、秋季降水量均為減少趨勢,每10年減少速率分別為5.8mm、7.4mm和3.8mm,夏季減少速率最大,且夏季波動幅度也最大,說明年降水量的變化主要受夏季降水量變化主導(dǎo)。

3流域降水量的周期變化特征和突變情況

利用式(1)～(3)對汾河流域年、季降水量進(jìn)行小波變換計(jì)算,分析周期特征和突變情況。

3.1周期變化特征

圖3反映了汾河流域近52年降水變化Morlet子波變換實(shí)部等值線,圖中實(shí)線為正值,虛線為負(fù)值。

圖3　汾河流域1961-2012年降水量小波變換實(shí)部

從圖3可看出,近52年汾河流域年降水量在16~64a時(shí)間尺度上,信號最為顯著,存在30~32a的周期,以1995年為界,之前為豐水期,之后為枯水期;在4~8a的時(shí)間尺度上,信號也較強(qiáng),存在5~7a的周期。其他時(shí)間尺度上,信號較弱。

季節(jié)降水量的周期特征具有明顯差異。春季:在4~16a時(shí)間尺度上,信號最強(qiáng),存在11~13a的周期。夏季和秋季:在長時(shí)間尺度和短時(shí)間尺度上,信號最強(qiáng)。16~64a的長時(shí)間尺度上,夏季存在32~34a的周期,以1993年為界,之前為豐水期,之后為枯水期;秋季存在25~27a的周期;2~4a的短時(shí)間尺度上,夏季存在16~18a的周期,秋季存在6~8a的周期。

圖4　汾河流域1961-2012年降水量小波變換趨勢

可見,不同季節(jié)其周期特征不同;不同時(shí)間尺度其信號強(qiáng)弱不同。但無論是年降水量還是季節(jié)降水量,2010年代以來均開始進(jìn)入豐水期。

另外,根據(jù)周期分析可以推測,在16~64a時(shí)間尺度上,2002年以后開始進(jìn)入豐水期,年降水量在2025—2030年、夏季降水量在2035—2038年、秋季降水量在2022—2028年將可能出現(xiàn)極值。

3.2流域降水量的突變情況

圖4為汾河流域降水量的小波變化趨勢?？梢钥闯?流域年降水量在64a和32a的時(shí)間尺度上,均只有1個突變點(diǎn),分別為2002年和1986年,且總體上為減少趨勢,這與線性傾向估計(jì)法得到的結(jié)論一致。16a時(shí)間尺度上,則有4個突變點(diǎn),為1976年、1983年、1988年和2006年,且在1976—1988年間,降水量變化平穩(wěn),基本在距平附近擺動。在32a和16a時(shí)間尺度上,2006年以后為明顯增加趨勢。

對于季節(jié)降水而言,其突變點(diǎn)和變化趨勢明顯不同。

夏季:64a和32a的時(shí)間尺度上,均只有1個突變點(diǎn),分別為2004年和1992年,總體上雖然為減少趨勢,但在2011年以后,開始出現(xiàn)增加趨勢。而16a的時(shí)間尺度上,也有4個突變點(diǎn),為1962年、1965年、1986和2011年,在整個時(shí)間序列上,基本呈正弦式變化,但年際間變幅較春季要小。

秋季:64a時(shí)間尺度上,有1個突變點(diǎn),為2004年,總體上為減少趨勢;32a和16a時(shí)間尺度上,均有2個突變點(diǎn),分別為1977年和2006年,1974年和1999年;且在整個時(shí)間序列上,均為正弦式變化,但年際間變幅多變,1970年代末以前變幅大,之后變幅趨于減小;21世紀(jì)以來變幅又趨于增大。

可見汾河流域的年和季節(jié)降水量變化趨勢和突變點(diǎn)均存在明顯差異。

4結(jié)論

a. 1961—2012年,汾河流域降水量最大值基本出現(xiàn)在1960年代,最小值出現(xiàn)在1990年代末到21世紀(jì)初,變差系數(shù)為41.9%,表明流域年降水量的年際變化大,降水匱乏,水資源利用價(jià)值較低。

b. 52年間,汾河流域的年、春季、夏季和秋季的降水量均在波動中不斷減少,每10年減少速率分別為16.7mm、5.8mm、7.4mm和3.8mm,季節(jié)中夏季減少速率最大。1990年代以來,降水量減少速率加快,自然水資源短缺現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。

c. 汾河流域降水量的周期表現(xiàn)出多尺度特征,但無論是年、還是季節(jié)降水量,2010年以來,均開始進(jìn)入豐水期。在長時(shí)間尺度上,年、夏季和秋季降水量分別在2025—2030年、2035—2038年、2022—2028年將可能出現(xiàn)極值。

d. 汾河流域年、季節(jié)降水量的突變點(diǎn)和變化趨勢明顯不同,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)氣候特點(diǎn)。

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