錫林河下游河谷平原區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律研究

劉慧文，郭中小，龍胤慧，廖梓龍(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 01000)

0 引 言

在全球氣候變暖和極端旱澇事件頻發(fā)的大背景下[1,2]，由于降水時(shí)空分布不均勻而導(dǎo)致發(fā)生的草地退化、生態(tài)系統(tǒng)失衡正在引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。以錫林河流域?yàn)榇淼牡湫筒菰瓍^(qū)，既是重要的畜牧業(yè)發(fā)展基地，又是天然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵保障，尤其是錫林河流域下游的河谷平原區(qū)，地帶性植被分布廣泛，生態(tài)物種豐富，草原植物生產(chǎn)力及群落分布對(duì)降水時(shí)序變化十分敏感[3]。因此，分析錫林河下游河谷平原區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律，診斷其趨勢(shì)性、突變性及周期性，對(duì)于保護(hù)草原生態(tài)和科學(xué)制定合理的水資源開發(fā)利用方案具有重要的指導(dǎo)意義[4]。

近年來(lái)，錫林河流域降水演變規(guī)律的研究取得了一些進(jìn)展，王海梅等[5]研究了錫林郭勒草原各生態(tài)地理區(qū)年降水量的周期變化規(guī)律及各區(qū)異同點(diǎn)，并指出降水豐枯交替出現(xiàn)，且存在區(qū)域差異，并簡(jiǎn)要分析了年降水量的時(shí)空變化規(guī)律[6]；賀俊杰[7]等人的研究表明近50年來(lái)錫林河流域年降水呈減少趨勢(shì)；楊立哲等[8]通過(guò)影響因素分析，發(fā)現(xiàn)夏季集中降水對(duì)徑流的影響最為顯著。盡管成果較多，現(xiàn)有研究對(duì)象的時(shí)空尺度較大，由于氣候變化和下墊面條件的差異性，典型區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律的研究還不夠深入。因此，本文基于1958-2013年的逐日降水資料，采用趨勢(shì)分析法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet小波分析法研究錫林河下游河谷平原區(qū)降水在年尺度和季尺度上的趨勢(shì)性、突變性和周期性，以期科學(xué)認(rèn)識(shí)典型草原區(qū)的降水時(shí)序演變規(guī)律，為該類型區(qū)域的水資源管理和草原生態(tài)保護(hù)提供參考依據(jù)[9]。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及代表性分析

本文采用錫林河流域及其周邊四個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站(錫林浩特站、西烏珠站、那仁寶力格站及阿巴嘎旗站)1958-2013年的長(zhǎng)系列逐日降水?dāng)?shù)據(jù)并在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)年、季降水量，分析年代平均值及距平值。

本次選用的觀測(cè)資料為56 a時(shí)間尺度，為確保降水序列具有較好的代表性，對(duì)年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行差積曲線檢驗(yàn)和長(zhǎng)短系列特征值穩(wěn)定性對(duì)比分析。經(jīng)差積曲線分析，實(shí)測(cè)系列中豐、平、枯水年交替發(fā)生，且豐、枯水年份大致相當(dāng)，整個(gè)系列為完整的豐、平、枯周期，具有較好的代表性，并選取1958-1984年、1975-2013年、1981-2005年3個(gè)時(shí)間段作為短系列，分別計(jì)算其均值與變差系數(shù),并與1958-2013年的長(zhǎng)序列進(jìn)行特征值穩(wěn)定性比較，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由計(jì)算結(jié)果可知，短系列的降水量均值及 值與長(zhǎng)系列相比差別很小，因此從長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)角度來(lái)分析，可認(rèn)為1958-2013年56 a的降水序列具有很好的代表性。

表1 年降水量特征值分析Tab.1 The eigenvalue analysis of annual precipitation

1.2 研究方法

1.2.1Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是國(guó)際氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可分析降水量時(shí)間序列的突變點(diǎn)和變化趨勢(shì)[10-12]，具有檢測(cè)范圍廣、抗干擾性強(qiáng)、結(jié)果可信度高的優(yōu)點(diǎn)?；驹砣缦拢?/p>

時(shí)間序列(x1,…,xn)是n個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，S為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量，計(jì)算公式如下：

S=∑n-1k∑nj=k+1sign(xj-xk)

(1)

其中，

式中：xj、xk分別為時(shí)間序列中第j、k年的數(shù)值。

Z為其趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算公式如下：

(2)

根據(jù)Z統(tǒng)計(jì)量可進(jìn)行趨勢(shì)性分析，若Z<0，表明序列呈減少趨勢(shì)；Z>0，表明序列呈增加趨勢(shì)。|Z|≥1.64、1.96、2.58，則表示變化趨勢(shì)分別達(dá)到90%、95%、99%的置信水平[12]。

當(dāng)Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)時(shí)，通過(guò)構(gòu)造一致序列：

(3)

定義統(tǒng)計(jì)變量：

(4)

將時(shí)間序列(x1,…,xn)逆序排列，再按上式計(jì)算，同時(shí)使

(5)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，若UFk>0表明序列呈上升趨勢(shì)；UFk<0表明序列呈下降趨勢(shì)；當(dāng)超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著；如果UFk與UBk兩條曲線存在交點(diǎn)，那么交點(diǎn)就是突變開始的時(shí)刻。

1.2.2Morlet小波分析法

小波分析是一種基于Fourier基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的信號(hào)分析方法，其原理是將母函數(shù)經(jīng)過(guò)平移和伸縮得到一系列小波函數(shù)，從而將信號(hào)分解為一系列小波函數(shù)的疊加，進(jìn)而得到時(shí)間系列的顯著波動(dòng)模式，即周期變化動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局[13,14]。

Morlet子小波函數(shù)形式如下：

φ(t)=e-t2/2eiω0t

(6)

連續(xù)的小波變換為：

(7)

小波方差為：

(8)

在長(zhǎng)時(shí)序降水?dāng)?shù)據(jù)中，包含了低頻和高頻兩個(gè)部分，前者主要反映降水量在時(shí)序中的趨勢(shì)性，后者是展現(xiàn)降水量在時(shí)序中的周期變化特征。因此，Morlet小波圖是反演不同時(shí)間尺度降水結(jié)構(gòu)變化的放大鏡和顯微鏡。

2 降水量演變規(guī)律分析

2.1 降水量變化趨勢(shì)分析

2.1.1年降水量變化趨勢(shì)分析

如圖1與表2所示，錫林河下游河谷平原區(qū)1958-2013年降水量年際變化趨勢(shì)較明顯，主要體現(xiàn)在：①在1958年以來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間序列中，研究區(qū)年降水量呈明顯遞減趨勢(shì)，平均減幅為4.5 mm/10 a，M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.23(未通過(guò)90%顯著性水平檢驗(yàn))；②年降水量在年際尺度豐枯性交替波動(dòng)顯著，經(jīng)歷了多次短歷時(shí)的豐水期和枯水期，豐水期最大年降水量為1959年的475.5 mm，枯水期最小年降水量為1980年的160.1 mm，最大豐枯變幅為315.4 mm；③夏季降水量是年降水量最主要的組成部分，二者在年際尺度變化趨勢(shì)高度一致，說(shuō)明夏季降水量演變規(guī)律是年降水量的一個(gè)典型縮影。

圖1 年降水量變化趨勢(shì)圖Fig.1 The variation tendency figure of annual precipitation

表2 不同時(shí)期降水量統(tǒng)計(jì)值 mmTab.2 The precipitation statistic of different period

2.1.2各季降水量變化趨勢(shì)分析

季尺度降水時(shí)序變化過(guò)程分析結(jié)果(圖2、表2)表明：①季尺度降水在時(shí)間序列上波動(dòng)較大，豐枯交替變化頻繁，其中夏季最為顯著，且與年降水量具有高度一致性，20世紀(jì)60、70、90年代夏季降水偏豐；20世紀(jì)80年代及21世紀(jì)初期夏季降水偏枯。②變化趨勢(shì)在季尺度上存在一定差異，春季呈略微增加趨勢(shì)，增加幅度為0.41 mm/10 a，夏、秋降水呈減少趨勢(shì)，幅度分別為-5.16、-0.23 mm/10 a，冬季降水20世紀(jì)60年代以遞減為主，60年代后呈微增趨勢(shì)。③經(jīng)Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)量 值四季依次為-0.386、-1.114、-1.095、0.380，均未達(dá)到90%顯著性水平，說(shuō)明四季變化均不顯著。

2.2 降水量突變分析

2.2.1年降水量突變分析

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析研究了該區(qū)年降水量的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖3，可以看出，UF曲線和UB曲線在0.05顯著性水平內(nèi)存在交點(diǎn)，發(fā)生突變年份為1969年、1998年，說(shuō)明年降水量存在明顯的突變現(xiàn)象[12]。圖3中UF曲線變化趨勢(shì)表明年降水量在20世紀(jì)60年代之前呈增加趨勢(shì)，60年代中期至70年代中期呈較強(qiáng)減少趨勢(shì)，70年代中后期至21世紀(jì)之前呈微弱增加，21世紀(jì)之后減少趨勢(shì)顯著，56年間豐水期和枯水期頻繁循環(huán)交替，但枯水期周期較長(zhǎng)。

圖2 四季降水量變化趨勢(shì)圖Fig 2 The variation tendency figure of seasonal precipitation

圖3 年降水突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig 3 Mutation test analysis result of annual precipitation

2.2.2季尺度降水量突變分析

從季節(jié)降水Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)分析(圖4)中可以看出：①56年來(lái)春季降水量呈波動(dòng)式弱減少趨勢(shì)，與圖2中春季降水變化趨勢(shì)一致，由UF曲線可以看出，錫林河下游河谷平原區(qū)只有在1970年和1980年有增加趨勢(shì)，其余年份均呈波動(dòng)式減少，由曲線UF和UB在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)可看出，春季降水量在80年代前豐枯突變頻繁，之后僅在2009年存在焦點(diǎn)，由持續(xù)的少雨期變?yōu)槎嘤昶?。②由圖4(b)可看出，錫林河下游河谷平原夏季降水量的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)1998年處存在明顯的交點(diǎn)，說(shuō)明夏季降水量在該年發(fā)生突變，由偏豐期變?yōu)槠萜?，UF曲線幾乎均勻地分布在0的兩邊，可見(jiàn)，夏季降水量呈現(xiàn)增多、減少的交替變化，這與圖2夏季降水的實(shí)際變化過(guò)程一致。③秋季降水除1959年及80年代中期至90年代中期之前存在增加外，其余年份呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，1962-1967年間減少趨勢(shì)尤為明顯(UF曲線超過(guò)0.05置信水平)，到2012年左右有所回升，變化趨勢(shì)與圖2中秋季降水的實(shí)際變化過(guò)程相一致。④56年間研究區(qū)冬季降水占年降水比例很少，波動(dòng)變化并不大，除60年代中期變化較明顯外，其余年代呈微弱波動(dòng)，從UF曲線和UB曲線可以看出冬季降水在1986年發(fā)生突變。

圖4 四季降水量的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig 4 Mutation test analysis results of seasonal precipitation

2.3 降水量周期性分析

連續(xù)小波系數(shù)等值線圖[圖5(a)]和小波方差圖[圖5(b)]反映了錫林河流域下游河谷平原區(qū)年降水量具有顯著的時(shí)間尺度演變特征，表現(xiàn)出豐水期-枯水期頻繁循環(huán)交替和不規(guī)律性周期振蕩的特點(diǎn)。

在小波分析結(jié)果中，陰影區(qū)表示降水偏豐期，非陰影區(qū)表示降水偏枯期，等值線為零時(shí)對(duì)應(yīng)降水豐、枯的突變時(shí)間[10]。從連續(xù)小波系數(shù)等值線圖可以看出，，不同尺度的周期演變特征可以在一定程度上反映出未來(lái)降水量的豐枯態(tài)勢(shì)，既存在著35 a左右的大周期，也有5 a左右的小周期，年降水量周期性變化最穩(wěn)定的時(shí)間尺度主要為15～20 a。

從1958年至2013年，年均降水量經(jīng)歷了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多的三次交替周期性變化，具體分析為：20世紀(jì)50年代中期到60年代初期年均降水量偏多，60年代中后期年均降水量偏少，70年代年均降水量偏多，80年代年均降水量偏少，90年代年均降水量偏多，21世紀(jì)前10年年均降水量偏少。從2008年開始，錫林河流域下游河谷平原區(qū)開始步入新的振蕩周期，至2013年仍未閉合，說(shuō)明未來(lái)幾年降水量偏多的可能性較大。

在小波方差圖[圖5(b)]中，存在4個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為3、5、19、33 a，且19 a時(shí)間尺度振幅最大，震蕩變化最強(qiáng)烈，為第一主周期，第2～3主周期依次為5、3、33 a。

圖5 年降水小波分析結(jié)果Fig 5 wavelet analysis results of annual precipitation

同時(shí)，為探究錫林河下游河谷平原區(qū)季尺度上的降水演變規(guī)律及與年尺度降水的相關(guān)關(guān)系，對(duì)四季降水分別進(jìn)行了小波周期分析，發(fā)現(xiàn)雖四季降水周期變化存在一定差異，但均存在大周期下嵌套小周期，大周期跨度大不穩(wěn)定，小周期較為穩(wěn)定，偏枯水年偏豐水年交替變換的特點(diǎn)，未來(lái)除冬季處于偏枯水年外，其余三季降水均將有所增加。其中，夏季降水量的周期變化特征(圖6)與年降水量的周期變化特征(圖5)高度一致，更進(jìn)一步說(shuō)明夏季降水量對(duì)該研究區(qū)的影響最大，是反映年降水量變化的一個(gè)典型縮影。

圖6 夏季降水量的小波分析結(jié)果Fig 6 wavelet analysis results of summer precipitation

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用線性趨勢(shì)法分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和小波分析法分析1958-2013年錫林河下游河谷平原區(qū)降水量演變規(guī)律，通過(guò)分析得出：

(1)56年來(lái)，降水量在多年尺度上呈遞減趨勢(shì)，減幅為4.5 mm/10 a，年際間豐枯交替變換明顯。

(2)在季尺度上降水呈夏秋減少、春冬增加的特點(diǎn)，夏季降水量的突變性和周期性與年降水量高度一致，是反映年降水量變化規(guī)律的一個(gè)典型縮影，未來(lái)除冬季降水處于偏枯期外，其余三季及年降水量處于偏豐期。

(3)降水演變特征與時(shí)間尺度的選擇有關(guān)，在多時(shí)間尺度存在不同程度的周期性變化，小尺度振蕩劇烈，大尺度振蕩平緩，年及四季振蕩主周期分別為19、6、18、8、44 a。

□

[1] 陳龍勛，宋獻(xiàn)方，張秋英，等.太行山山前平原降水量特征及其分布的小波分析[J].氣象學(xué)報(bào)，1998,56(3)：257-271.

[2] 張意林，覃 軍，陳正洪.近56武漢市降水氣候變化特征分析[J].暴雨災(zāi)害，2008,27(3):253-257.

[3] 王文圣，丁 晶，向紅蓮. 小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用研究及展望[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2002,13(4)：515-520.

[4] 陳佐忠，汪詩(shī)平. 中國(guó)典型草原生態(tài)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2000：104-121.

[5] 王海梅，李政海，閆 軍，等. 錫林郭勒草原不同生態(tài)地理區(qū)降水周期變化特征的小波分析[J]. 水土保持通報(bào)，2010,30(5):46-49.

[6] 王海梅，李政海，韓經(jīng)緯. 錫林郭勒草原區(qū)降水量的時(shí)空變化規(guī)律分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012,26(6)：24-27.

[7] 賀俊杰. 錫林浩特市50年降水量變化特征分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012,28(29)：271-278.

[8] 楊立哲，錢 紅，郝 璐. 錫林河近50年徑流變化特征及其影響因素分析[J]. 草業(yè)科學(xué)，2015,32(3)：303-310.

[9] 尹婭婷. 1951-2013年南京市降水變化特征研究[J].水電能源科學(xué)，2015,33(5)：9-13.

[10] 李春娟，楊建虎. 孤山川流域降水變化特征及趨勢(shì)分析[J].地下水，2012，34(4)：136-151.

[11] 劉葉玲，翟曉麗，鄭愛(ài)勤. 關(guān)中盆地降水量變化趨勢(shì)Mann-Kendall分析[J]. 人民黃河，2012,34(2)：28-30.

[12] 曹潔萍，遲道才，武立強(qiáng)，等.Mann-Kendall檢驗(yàn)方法在降水趨勢(shì)分析中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2008,(5)：35-37.

[13] 仉文勇，孫淑珍. 滄州東南部典型區(qū)近30年溫度演變特征分析[J]. 中國(guó)水利，2013(S2)：86-88.

[14] 吳燕鋒，巴特爾·巴克，阿斯姑力·托合提，等. 1958-2012年鄭州市極端氣溫和極端氣溫事件年際變化特征[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014,(23)：259-265.