基于Mann-Kendall檢驗(yàn)的尼洋河流域水文變量演變趨勢(shì)分析

張東艷，吳運(yùn)卿，李 妮

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院武漢分院，武漢 430072)

0 前 言

青藏高原作為中國(guó)氣候變化的“啟動(dòng)區(qū)”和全球變化的“放大器”對(duì)東亞、南亞地區(qū)乃至全球氣候變化均有重大影響[1]，反之氣候變化對(duì)水資源、河川徑流等也產(chǎn)生了明顯影響[2]，研究流域水文演變趨勢(shì)對(duì)流域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的生態(tài)意義[3]。尼洋河被譽(yù)為“西藏江南”林芝地區(qū)的母親河，喜馬拉雅山山脈和念青唐古拉山山脈和橫斷山環(huán)繞該區(qū)域，該區(qū)域氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，森林覆蓋率為46.1%，是我國(guó)第三大林區(qū)，西藏地區(qū)80%的森林都集中于此。它與西藏其他地區(qū)相比具有獨(dú)特氣候特征和下墊面條件，而目前對(duì)該區(qū)域水文特性的研究較少。

近年來(lái)全球氣候變化顯著，洪澇災(zāi)害已成為我國(guó)常見的氣候?yàn)?zāi)害[4]。洪澇災(zāi)害的產(chǎn)生主要是由于降水量的時(shí)空分布不均導(dǎo)致的，因此研究流域降水變化趨勢(shì)，有利于了解洪澇災(zāi)害的變化規(guī)律，為預(yù)防工作提供參考[5]。尼洋河流域內(nèi)1964、1980、1991、1995、1998年曾發(fā)生大洪水，因此，模擬和預(yù)測(cè)尼洋河流域氣候變化下的水文演變規(guī)律，必然成為當(dāng)前水文水資源科學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)問(wèn)題，能為該流域洪澇災(zāi)害防治工作和水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)，也能更好地為林芝地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

1 尼洋河流域概況

1.1 自然概況

尼洋河位于西藏自治區(qū)東南部，介于東經(jīng)92°10′～94°35′、北緯29°28′～30°30′之間，發(fā)源于念青唐古拉山南麓工布江達(dá)縣西部的錯(cuò)水果拉冰川湖，流經(jīng)工布江達(dá)縣和林芝縣，于林芝縣的格則村附近匯入雅魯藏布江。尼洋河流域水系發(fā)達(dá)，全長(zhǎng)307.5 km，流域面積達(dá)17 732 km2，其中大于100 km2的一級(jí)支流有白曲、娘曲、巴朗曲、巴河、克拉曲、則弄曲、普布弄巴、尼西曲和八及曲等19條。尼洋河是雅魯藏布江中下游左岸的一級(jí)支流，在雅魯藏布江眾支流中排行第4，水量居第2位，水量豐足，河口多年平均流量550 m3/s，多年平均徑流量173.55 億m3，流域平均海拔在4 000 m以上，河谷海拔3 000～3 500 m，最高山峰海拔6 800 m。

由于尼洋河正處于岡底斯-念青唐古拉地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，巖層發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺和變質(zhì)，變質(zhì)巖分布較廣，巖石較破碎，易產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象。特殊的地形地貌造就了尼洋河流域獨(dú)特的氣候條件，徑流補(bǔ)給主要為降水，其次為地下水和冰川融水，流量豐富，而降水年內(nèi)分配不均勻，降水量多的月份也正是全年氣溫高、融水補(bǔ)給量大的時(shí)期，洪災(zāi)危害較大。

1.2 氣象與水文

尼洋河流域地處青藏高原東南部，具有大陸性高原溫帶半濕潤(rùn)氣候特征，四季分明，其自然地理、氣候等要素影響著河流徑流的形成，尤其是降水、氣溫、蒸發(fā)是主要影響因素。

每年11月至次年4月為旱季，主要受西風(fēng)帶的影響，西太平洋副熱帶高壓南退到南部的喜馬拉雅山上空，偏南季風(fēng)影響微弱，在南下的蒙古冷高壓控制下，干旱、少雨、氣溫較低。5-10月為雨季，在印度洋熱低壓和西太平洋副熱帶高壓影響下，盛行西南季風(fēng)，加之本流域東為南北走向的橫斷山脈，北為東北、西北走向的念青藏唐古拉山脈，南為東西走向的喜馬拉雅山脈，西北部為東西走向的岡底斯山余脈，形成“∧”型地形，使印度洋暖濕氣流沿雅魯藏布江上溯，加上高原的熱力作用造成水汽上升運(yùn)動(dòng)，形成降雨。

降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的75%以上。尼洋河流域地處高山峽谷，氣候垂直變化明顯，具有山區(qū)小氣候特征，日溫差大、多夜雨、陣雨。尼洋河流域有林芝縣氣象站、更張氣象站，參考以上氣象站結(jié)合《西藏自治區(qū)降水等值線圖》，該流域多年平均降水量為700～1 100 mm，多年平均氣溫7.77 ℃，多年平均最大風(fēng)速15 m/s，最高氣溫30.3 ℃，最低氣溫-16.4 ℃，多年平均相對(duì)濕度63%，多年平均蒸發(fā)量1 085.2 mm(E601)，年無(wú)霜期為175 d，年日照時(shí)數(shù)為2 022 h。

固體降水的比重、冰雪的消融、河流水溫、冰清的變化、蒸發(fā)強(qiáng)度等都受到氣溫變化的影響，而氣溫的影響因素也很多，包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角的大小、地形、土壤、植被等。尼洋河流域太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，但地處高海拔地區(qū)，夏季短暫，冬季漫長(zhǎng)，年平均氣溫低，年差較小，且氣溫垂直變化規(guī)律明顯，根據(jù)推算大致每上升100 m高程，年平均氣溫降低0.5～0.6 ℃，一般7月份為氣溫最高月份，1月份為最低月份，同時(shí)，由于高原地區(qū)空氣稀薄、日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，使得日夜溫差大。

1.3 自然災(zāi)害

尼洋河流域自然災(zāi)害有洪水、干旱、泥石流、地震和霜凍，其中洪澇是主要的自然災(zāi)害。尼洋河流域內(nèi)1964、1980、1991、1995、1998年曾發(fā)生大洪水[6,7]，其中最近發(fā)生的1998年大洪水是由于尼洋河流域普降大到暴雨，位于更張的河道附近有水文實(shí)測(cè)斷面，洪痕也較清晰，根據(jù)常年洪痕，用曼寧公式推求，計(jì)算當(dāng)時(shí)瞬時(shí)洪峰流量約有2 200 m3/s。

總的來(lái)說(shuō)，雨水是形成尼洋河洪水的主要原因，從所處地理位置和天氣系統(tǒng)分析，每年5-10月，受印度洋熱低壓和西太平洋副熱帶高壓影響，使印度洋暖濕氣流沿雅魯藏布江上溯，受地形抬升形成降雨。洪水主要由暴雨形成，全年降雨主要集中在6-9月，一般一次降雨歷時(shí)約15 d左右。由于尼洋河流域植被較好，對(duì)洪水的調(diào)蓄作用相對(duì)較強(qiáng)，支流巴河上有巴松措的天然水庫(kù)調(diào)節(jié)作用，使尼洋河洪水漲落平緩，洪峰小，歷時(shí)長(zhǎng)。

2 演變趨勢(shì)檢驗(yàn)分析方法——Mann-Kendall檢驗(yàn)

目前，在降水和徑流等單變量變化趨勢(shì)分析中，Mann-Kendall檢驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))相對(duì)于線性傾向估計(jì)、累積距平、滑動(dòng)平均、二次平滑、三次樣條函數(shù)等方法[2]，更能有效表述水文氣象時(shí)間序列的變化趨勢(shì)[8]。M-K檢驗(yàn)是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，最初由Mann和Kendall提出[9,10]，許多學(xué)者不斷應(yīng)用Mann-Kendall方法來(lái)分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。

2.1 趨勢(shì)分析

Mann-Kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)便。

在M-K檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0：時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1,…,xn)是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)：對(duì)于所有的k,j≤n，且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算如下式：

其中：

(1)

式中：S為正態(tài)分布，其均值為0。

S的方差可由下式計(jì)算：

Var(S)=[n(n-1)(2n+5)-∑tt(t-1)(2t+5)]/8

(2)

式中：t為任意給定結(jié)點(diǎn)的范圍；∑t是所有結(jié)點(diǎn)的和。

當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量z通過(guò)下式計(jì)算：

(3)

這樣，在雙邊的趨勢(shì)檢驗(yàn)中，在給定的α置信水平上，如果|z|≥zα/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或者下降趨勢(shì)。對(duì)于統(tǒng)計(jì)變量Z>0時(shí)，是向上趨勢(shì)，反之，則是下降趨勢(shì)。

2.2 突變檢驗(yàn)

當(dāng)M-K檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量同上述z有所不同，通過(guò)構(gòu)造一秩序列：

其中：

(4)

定義統(tǒng)計(jì)變量：

(5)

式中：E(sk)=k(k-1)/4；Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72；UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

將時(shí)間序列x按逆序排列，再按上式計(jì)算，同時(shí)使

(6)

通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢(shì)變化，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域。若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)，當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

3 尼洋河流域降水、氣溫、徑流變化趨勢(shì)分析

3.1 尼洋河流域降水變化趨勢(shì)分析

3.1.1 降水的年際變化特征分析

采用尼洋河流域林芝站點(diǎn)1979-2005年的年降水系列進(jìn)行分析，林芝市在林芝縣設(shè)有氣象站，測(cè)站海拔高程約2 905 m,為了分析尼洋河流域降水量的年際變化規(guī)律和趨勢(shì)，選用極值比進(jìn)行表征[11]，統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 尼洋河流域年降水量極值比統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The table of statistics for the extremes ratio ofannual precipitation in Niyanghe basin

通過(guò)表1顯示尼洋河流域降水量年際變化不大，且呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)狀態(tài)，豐水年較枯水年差異明顯，最大可達(dá)到1.9倍的差異。

3.1.2 降水的年內(nèi)分配

尼洋河流域降水量受干旱氣候影響，其年內(nèi)各月分配變化比較大，主要表現(xiàn)為汛期降雨量大而集中、非汛期雨水少而不穩(wěn)，降水量年內(nèi)分配見表2。

表2 尼洋河流域降水量年內(nèi)分配表Tab.2 The table of distribution of annual precipitation in Niyanghe basin

如表2所示，尼洋河流域5-10月汛期降水量占全年的85%～90%左右，11月到次年4月僅占全年的10%～15%。尼洋河流域連續(xù)最大4個(gè)月降水量為6-9月。而在連續(xù)兩個(gè)月中，以7、8月最為集中，一般可占年降水量40%左右，7、8月份也是暴雨洪水的頻發(fā)期，往往容易釀成洪災(zāi)；最大月降雨一般在7月，占年降雨量的20%左右。連續(xù)最小4個(gè)月(11-2月)降水量?jī)H占全年降水量的2%左右。從以上的數(shù)據(jù)分析可知，尼洋河降雨的年內(nèi)分配極不均勻。

3.1.3 降水長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析

尼洋河流域各測(cè)站年及各月降水量M-K檢驗(yàn)如表3所示。

表3 尼洋河流域降水變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)分析表Tab.3 The table of Precipitation Variation Trend Based on Mann-Kendall test in Niyanghe Basin

取顯著性水平α=0.05，則M-K雙邊檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量通過(guò)檢驗(yàn)與否的判斷閾值為±1.960，從表3中可以看出，近50年來(lái)，在顯著性水平α=0.05上，尼洋河流域林芝站的降水量在年尺度上，均沒有表現(xiàn)出顯著的增加或減少趨勢(shì)。在月尺度上，冬季(12月、1月、2月)降水表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢(shì)；而在夏季，不同月份的趨勢(shì)并不相同，但均不明顯。

3.2 尼洋河流域氣溫變化趨勢(shì)分析

尼洋河流域各測(cè)站年及各月氣溫M-K檢驗(yàn)如表4所示。

由表4知， 2.48(1月)、2.33(2月)、3.02(3月)、2.63(4月)、3.19(9月)、2.16(10月)、2.29(11月)在顯著性水平α=0.05上，存在顯著趨勢(shì)。從表中可以看出，氣溫的變化趨勢(shì)與降雨有很大不同。近50年來(lái)，尼洋河流域各站的氣溫不論在年尺度上，還是在月尺度上，全都表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。1-4月、6月、9-11月都檢驗(yàn)出顯著的上升趨勢(shì)。

3.3 尼洋河流域徑流變化趨勢(shì)分析

利用M-K檢驗(yàn)對(duì)尼洋河流域更張水文站站點(diǎn)的年、月尺度徑流量進(jìn)行檢驗(yàn)，更張水文站集水面積15 600 km2，為國(guó)家基本站，1978年建站，地理位置為東經(jīng)94°04′，北緯29°44′，檢驗(yàn)主要結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，尼洋河流域出口斷面流量在春夏秋冬季和全年尺度上都有上升趨勢(shì)，且在6月具有最顯著的上升趨勢(shì)，而在冬季有輕微下降趨勢(shì)。

表4 尼洋河流域氣溫變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)分析表Tab.4 The table of temperature changes Based on Mann-Kendall test in Niyanghe Basin

表5 尼洋河流域徑流變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)分析表Tab.5 The table of runoff variety Based on Mann-Kendall test in Niyanghe Basin

4 總 結(jié)

在充分收集研究區(qū)概況資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)Mann-Kendall方法等趨勢(shì)方法對(duì)尼洋河流域降雨、氣溫和徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，得出以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：

(1)尼洋河流域降水量年際變化不大，但降雨的年內(nèi)分配極不均勻，汛期降雨量大而集中、非汛期雨水少而不穩(wěn)。

(2)在顯著性水平α=0.05上，尼洋河流域降水在全年尺度上沒有明顯的變化趨勢(shì)，但在各個(gè)月份變化趨勢(shì)不一，其中冬季降雨整體表現(xiàn)出減少趨勢(shì)。而氣溫較為一致，呈上升趨勢(shì)。

(3)尼洋河流域出口斷面流量在夏季和全年尺度上有上升的趨勢(shì)，秋季、冬季的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)較弱，需要分析在未來(lái)氣候變化的情景下流域徑流量的變化情況。

這些結(jié)論與林芝站點(diǎn)所處地理位置的氣候變化分析結(jié)果相吻合，表明降水變化趨勢(shì)應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法是可行的?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)研究尼洋河流域水文變量變化趨勢(shì)，可以為該流域洪澇災(zāi)害防治工作和水資源優(yōu)化配置提供參考依據(jù)。

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