基于M-K方法的大凌河中游降水量時(shí)空演變及突變特征分析

景淑娟，徐世民

（1.遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽1110101；2.遼寧省阜新水文局，遼寧阜新118000）

基于M-K方法的大凌河中游降水量時(shí)空演變及突變特征分析

景淑娟1，徐世民2

（1.遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽1110101；2.遼寧省阜新水文局，遼寧阜新118000）

以大凌河中游大城子水文站以上為研究區(qū)域，結(jié)合區(qū)域內(nèi)1955～2014年近60年實(shí)測降水量數(shù)據(jù)，應(yīng)用MK方法分析大凌河中游降水量時(shí)空演變以及降水突變特征。并在此基礎(chǔ)上定量分析降水量和地下水埋深之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：近60以來大凌河中游降水量增長趨勢較弱，呈現(xiàn)5～10年的變化周期，不同季節(jié)降水量突變年份呈現(xiàn)個(gè)異性變化；從20世紀(jì)90年代到2000年后降水空間呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的趨勢，增長幅度較大；降水量和區(qū)域地下水埋深呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7167。研究成果對(duì)于區(qū)域水資源變化評(píng)估提供參考價(jià)值。

M-K方法；降水量時(shí)空演變分析；突變特征分析；大凌河中游

降水量為區(qū)域水資源的主要補(bǔ)給量，對(duì)于區(qū)域降水量特性的分析將對(duì)區(qū)域水資源量的準(zhǔn)確評(píng)估至關(guān)重要，對(duì)于降水量特性的分析，國內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行過研究，取得一定的研究成果［1-7］，在這些研究成果中，M-K方法［8-9］在降水量趨勢以及突變分析中應(yīng)用較為成熟，但是M-K方法在區(qū)域不同季節(jié)突變分析中應(yīng)用還較少，而年降水量在不同季節(jié)分配不同，出現(xiàn)突變的原因和年份也不相同，呈現(xiàn)個(gè)異性［10］。為此本文選用M-K方法，對(duì)遼寧西部大凌河中游降水量的時(shí)空演變以及突變特征進(jìn)行分析，并重點(diǎn)分析不同季節(jié)降水量的突變特征，此外，由于大凌河中游地地處遼寧西部地區(qū)，屬于干旱半干旱區(qū)域，區(qū)域地下水資源量占總水資源量70%以上，比例較高，在降水量分析的基礎(chǔ)，本文還定量分析了降水量和地下水埋深之間的相關(guān)關(guān)系。研究成果對(duì)于區(qū)域水資源量變化評(píng)估提供參考價(jià)值。

1 M-K趨勢分析及突變分析原理

1.1 趨勢分析

M-K檢驗(yàn)，時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn）是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的定義S：

式中，1≤j＜i≤n；S近似服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為σs；Z＞0表示增加趨勢，Z＜0表示減少趨勢，查表可知Z的絕對(duì)值大于一定值時(shí)表示通過了不同置信度的顯著性檢驗(yàn)。

1.2 突變分析

時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn）是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本，其中mi表示第i個(gè)樣本xi＞xj（1≤j≤i）的累積數(shù)，定義一個(gè)統(tǒng)計(jì)量ck：

式中，E（ck）、σ（ck）為ck的均值和方差，UFk為ck的標(biāo)準(zhǔn)化；按逆序列數(shù)據(jù)（xn，xn-1，…，x1）重復(fù)上面過程，使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，UB1= 0。如果UF和UB兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，即為可能的突變點(diǎn)。

2 降水量時(shí)空演變及突變特征分析

2.1 研究區(qū)域概況

本文以遼寧西部第一大河大凌河中游為研究區(qū)域，研究區(qū)域主要位于遼寧省干旱半干旱區(qū)域，區(qū)域多年平均降水量為600mm，降水主要集中在7～9月份，由于地處干旱少水的區(qū)域，其水資源量相對(duì)較為匱乏，地下水資源在總水資源量的比例高達(dá)70%。

2.2 年降水量變化分析

結(jié)合小凌河流域1955～2014年年平均降水量，采用M-K趨勢分析方法對(duì)遼寧西部小凌河流域的年降水量進(jìn)行趨勢分析并結(jié)合小波周期分析方法對(duì)區(qū)域降水變化周期進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1（a）為大凌河中游年降水量變化趨勢分析結(jié)果，從圖中可以看出，大凌河中游年降水量呈現(xiàn)微弱上漲趨勢，上漲趨勢不顯著，未能通過置信度為95%的假設(shè)檢驗(yàn)，表明大凌河中游的年降水量變化較小，為對(duì)大凌河中游降水量的變化周期進(jìn)行分析，采用小波周期分析方法對(duì)大凌河中游的年降水量進(jìn)行周期分析，見圖（1）b，從圖1中可以看出，大凌河中游的年降水量小波方差在0～30之間，其年降水量的小波呈現(xiàn)5～10的周期性變化，變化周期性較短，區(qū)域降水量年際變化較快。

圖1 研究區(qū)年降水變化分析

2.3 不同季節(jié)降水量突變特征分析

考慮到不同季節(jié)降水量變化的個(gè)異性，采用M-K方法對(duì)大凌河中游四個(gè)季節(jié)的降水量進(jìn)行突變特征的分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2 不同季節(jié)降水量突變分析

從圖2中可以看出，大凌河中游春季降水量在1960～1970年間呈現(xiàn)下降的趨勢，其突變點(diǎn)出現(xiàn)在1970年，從1970年以后其降水量開始上升，并在1989、1993、2013年其U統(tǒng)計(jì)值大于1.64，通過置信度為90%的假設(shè)檢驗(yàn)。在夏季其降水量在90年代和2000年代呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，綜合分析夏季降水量的突變點(diǎn)發(fā)生在1980年，秋季的降水量在1963～1966年其U統(tǒng)計(jì)值超過1.64，通過通過置信度為90%的假設(shè)檢驗(yàn)，表明在這個(gè)時(shí)期大凌河中游冬季的降水量下降趨勢較為顯著，通過其M-K統(tǒng)計(jì)值得分析表面，在秋季其降水量突變點(diǎn)發(fā)生在1957年。而在冬季大凌河中游降水量遠(yuǎn)小于其他幾個(gè)季節(jié)的降水量，冬季的降水量在1958～1960其M-K統(tǒng)計(jì)值超過了1.96，通過了置信度為95%的假設(shè)檢驗(yàn)，在這三個(gè)年份的降水量呈現(xiàn)了顯著的下降趨勢，這三個(gè)年份也呈現(xiàn)了嚴(yán)重的干旱情況，通過對(duì)大凌河中游冬季M-K統(tǒng)計(jì)值綜合分析，在冬季大凌河中游的降水量在1973年出現(xiàn)突變。綜上可見，大凌河中游不同季節(jié)降水量呈現(xiàn)個(gè)異性，不同季節(jié)突變特征不同，突變年份也大不相同。

2.4 年代降水量空間變化分析

在大凌河中游降水量時(shí)間過程分析的基礎(chǔ)上，對(duì)大凌河中游降水量空間演變過程進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見圖3。

圖3 不同年代區(qū)域降水量空間變化分析

圖3 為不同年代區(qū)域降水量空間變化分析結(jié)果，從圖中可以看出，區(qū)域不同年代降水量空間變化分布較為不均勻，紅色部分代表降水量較大的區(qū)域，而藍(lán)色部分代表降水量較小的區(qū)域，黃色和橙色代表降水量中等的區(qū)域，從圖3（a）可以看出，在90年代大凌河中游從西向東呈現(xiàn)遞增的趨勢，但降水量增加幅度較小，而進(jìn)入2000年代以后，極端降水事件頻發(fā)，區(qū)域降水量較大的區(qū)域出現(xiàn)在大凌河中游的北部區(qū)域，且降水量的空間變化呈現(xiàn)從90年代的由西向東遞增變化到由北向南逐漸遞減，降水量的空間分布出現(xiàn)變化。

2.5 降水對(duì)地下水變化的影響

為分析降水對(duì)地下水的影響，結(jié)合大凌河中游降水量和地下水?dāng)?shù)據(jù)，點(diǎn)繪了研究區(qū)域地下水和降水量之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖4。

圖4 研究區(qū)域降水量和地下水位的回歸分析

從圖4中可以看出研究區(qū)的降水量和地下水變化有著較好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7167，可以看出，降水量的變化勢必造成地下水的動(dòng)態(tài)變化，從2000年以后大凌河中游地下水發(fā)生了較大程度的變化，一部分是由于區(qū)域開采量的變化，另外一部分還主要是因?yàn)?000年以后大凌河中游降水量呈現(xiàn)一定程度的變化，從而使得區(qū)域的地下水出現(xiàn)較為明顯的變化，從圖中還可以看出，大凌河中游的降水量和地下水變化呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，當(dāng)區(qū)域的降水量增加100mm，區(qū)域地下水水位可以抬升0.6m，可見，大凌河中游降水量對(duì)于區(qū)域地下水變化的影響較為顯著。

3 結(jié)語

本文采用M-K方法，結(jié)合大凌河中游1955～2014年近60年的降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了大凌河中游降水量時(shí)空變化以及突變特征，分析得到以下結(jié)論：

（1）大凌河中游年降水量由于均化影響，變化不明顯，但是季節(jié)降水量變化程度遠(yuǎn)高于年降水量的變化，在水資源評(píng)估中，應(yīng)重點(diǎn)分析不同季節(jié)降水量對(duì)水資源量的影響；

（2）由于2000年后，區(qū)域極端降水事件頻率增加，使得區(qū)域降水量高值區(qū)域增加，呈現(xiàn)由北向南遞增趨勢；

（3）降水量和區(qū)域地下水呈現(xiàn)線性關(guān)系，降水量增加100mm，區(qū)域地下水水位可以抬升0.6m。

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P332.1

A

1008-1305（2017）01-0130-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.040

2016-10-11

景淑娟（1966年—），女，高級(jí)工程師。