太子河流域降水演變特征淺析

趙志勇，國(guó)洪琴

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島 125000)

太子河流域降水演變特征淺析

趙志勇，國(guó)洪琴

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島 125000)

文章以太子河流域本溪水文站1952—2014年降水?dāng)?shù)據(jù)為依據(jù)，綜合應(yīng)用氣候傾向率分析、模比系數(shù)差積曲線對(duì)太子河流域降水量多年變化特征進(jìn)行了研究，分析出本溪水文站降水量變化趨勢(shì)；汛前、汛期降水量演變特征，為本溪水文站乃至太子河流域的中長(zhǎng)期降雨預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

降水演變規(guī)律；降雨預(yù)報(bào)；本溪水文站；太子河流域

1 資料與方法

以厄爾尼諾現(xiàn)象為主的氣候變化對(duì)人類的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其中，對(duì)降水量的影響尤甚。遼河支流太子河流域是東北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)地區(qū)，其降水量的變化趨勢(shì)也是水利科學(xué)研究的重點(diǎn)方向之一。

1.1 流域氣候概況及資料來源

太子河發(fā)源于本溪縣東草帽頂子山，本溪境內(nèi)河長(zhǎng)168 km，流域面積4 428 km2，河道比降約80%左右。太子河流域多年平均降水量為824 mm，年內(nèi)降水量分布不均，多集中在汛期6—9月份。太子河流域多年平均水資源量為14.48億 m3，開發(fā)利用率為22.75%，主要集中在本溪市太子河下游地區(qū)。

本溪水文站是太子河控制站，設(shè)立于1933年11月，位于本溪市平山區(qū)體育街，集水面積4 324 km2，至河口距離252 km。

文章分析資料來源于太子河流域本溪水文站1952—2014年逐月降水資料，采用降水傾向率法和累積距平法進(jìn)行分析，并采用Mann—Kenddall法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。

1.2 降水傾向率法

降水量的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化，用線性回歸方程表示：式中：P為降水量，mm；a1=dP/dt為線性趨勢(shì)；a0為常數(shù)。

1.3 模比系數(shù)差積曲線法

模比系數(shù)差積曲線可以反映一段時(shí)期內(nèi)降雨的變化趨勢(shì)。其公式為：

式中：LPi為距平累計(jì)值；xi為第 i年的時(shí)間序列值為所計(jì)算時(shí)間序列的多年平均值。

1.4 Mann—Kenddall檢驗(yàn)

Mann—Kenddall的檢驗(yàn)方法是非參數(shù)方法。非參數(shù)檢驗(yàn)方法亦稱無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便。

由于最初由曼（H.B.Mann）和肯德爾（M.G. Kendall）提出了原理并發(fā)展了這一方法，故稱其為曼—肯德爾（Man—Kendall）法。但是，當(dāng)時(shí)這一方法僅用于檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)。后來經(jīng)其他人進(jìn)一步完善和改進(jìn)，才形成目前的計(jì)算格式。下文采用該方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

方法概述：

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X，構(gòu)造一秩序列：

可見，秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：UF1=0，E Sk()，Var Sk()是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，它們可由式（5）算出：

2 降水量變化趨勢(shì)分析

2.1 降水傾向率法

2.1.1 年降水趨勢(shì)分析

根據(jù)降水傾向率法對(duì)本溪站降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，見圖1（a）。降水傾向率b（mm/10 a）取10 a，當(dāng)b＞0時(shí)，說明降水隨時(shí)間t呈上升的趨勢(shì)；當(dāng)b＜0時(shí)，說明降水隨時(shí)間t呈下降的趨勢(shì)。

圖1 本溪水文站年降水傾向率圖

利用Mann—Kenddall法對(duì)本溪水文站多年平均降水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，給定顯著性水平α= 0.05，即U0.05=±1.96，趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明：本溪站多年平均降水量1960—1985年有明顯下降的趨勢(shì)，1985—1995年有緩慢上升的趨勢(shì)，1995—2014年又有下降的趨勢(shì)。10年滑動(dòng)平均曲線表示本溪站的降水傾向率為9.461 mm/10 a，R2=0.16。

2.1.2 汛前和汛期降水變化趨勢(shì)

現(xiàn)將1月1日至5月31日劃為汛前，6月1日至9月30日劃為汛期。利用Mann—Kenddall法對(duì)本溪水文站汛前和汛期降水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。降水變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明：

1）汛前：本溪站汛前1973—1990年有緩慢上升的趨勢(shì)，2000—2006年有下降的趨勢(shì)，其余年份變動(dòng)不明顯。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定本溪水文站降水量減少是一突變現(xiàn)象，具體是從1990年開始的。10年滑動(dòng)平均曲線表示本溪站汛前的降水傾向率為0.135 mm/10 a，R2=0.000 3。

2）汛期：由于本溪水文站汛期的降水量占全年降水量的比重較大，因此汛期降水量的變化趨勢(shì)與多年平均降水量的變化趨勢(shì)相似，見圖1（b）。由此可見，本溪站汛前降水量，1960—1985年有明顯下降的趨勢(shì) ，1985—1995年有緩慢上升的趨勢(shì)，1995—2014年又有下降的趨勢(shì)。10年滑動(dòng)平均曲線表示本溪站的降水傾向率為9.441 mm/10 a，R2=0.116 8。

2.2 年降水模比系數(shù)差積曲線法

2.2.1 年降水量周期性分析

對(duì)1952—2014年逐年降水量做模比系數(shù)差積曲線，由圖2（a）可以看出，年降水量變化大體可分為兩個(gè)時(shí)期，在20世紀(jì)50年代至70年代中期，總體上是增加的趨勢(shì)，70年代中期以后呈現(xiàn)周期震蕩減少的趨勢(shì)。

2.2.2 汛前和汛期降水變化趨勢(shì)

圖2 本溪水文站模比系數(shù)差積曲線圖

對(duì)本溪站1952—2014年汛前和汛期降水量做模比系數(shù)差積曲線分析，汛前降水量變化大體可分為3個(gè)時(shí)期，從20世紀(jì)50年代至60年代初呈現(xiàn)周期震蕩下降的趨勢(shì)，60年代至80年代中期呈現(xiàn)周期震蕩上升的趨勢(shì)，90年代中期以后呈現(xiàn)周期震蕩下降的趨勢(shì)。

汛期降水量變化大體可分為3個(gè)時(shí)期，從20世紀(jì)50年代至60年代中期呈現(xiàn)周期震蕩上升的趨勢(shì)，80年代中期至90年代中期又呈震蕩上升的趨勢(shì)，90年代中期以后呈現(xiàn)周期震蕩下降的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

以降水傾向率和模比系數(shù)差積曲線方法分析多年降水變化趨勢(shì)，并用Mann—Kenddall檢驗(yàn)方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，是我國(guó)近年來主要采用的方法。該方法經(jīng)過多次實(shí)踐，理論成熟、精度較高。

根據(jù)上述方法得出的降水量多年變化趨勢(shì)，在太子河流域中長(zhǎng)期降水量預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用，效果較好，為今后的防汛抗旱、減災(zāi)避險(xiǎn)等提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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