細河流域不同等級降水量及降水強度變化特征

朱正如， 郭姍姍

(遼寧師范大學 城市與環(huán)境學院， 遼寧 大連 116029)

細河流域不同等級降水量及降水強度變化特征

朱正如， 郭姍姍

(遼寧師范大學 城市與環(huán)境學院， 遼寧 大連 116029)

根據細河流域內雨量站1966—2015年的日降水量數據，采用趨勢系數法和氣候傾向率法計算細河流域近50 a的不同等級降水量與降水強度的變化趨勢，通過Mann-Kendall突變檢驗法檢驗突變，利用反距離權重空間插值法研究了空間分布特征.結果表明：細河流域近50 a年降水量呈逐年增加的變化趨勢，增加速率為0.432 mm/a；年降水強度呈逐年降低的變化趨勢，降低速率為0.162(mm·d-1)/a.各等級降水中小雨降水量及小雨降水強度均呈減少趨勢，且小雨降水強度減少趨勢較為明顯.2003年中雨降水量發(fā)生增加突變，1983年小雨降水強度發(fā)生了減小突變.在空間分布上，小雨和中雨降水量由東北向西南呈逐漸遞減至逐漸增加的變化趨勢，暴雨及大暴雨降水量由東南向西北呈逐漸遞減至逐漸增加的變化趨勢.

不同等級；降水量；降水強度；變化特征

隨著全球氣候變暖，降水的發(fā)生越來越不穩(wěn)定，影響著氣候環(huán)境的變化[1]，同時影響著社會和經濟的發(fā)展，為掌握降水的時空變化特征以合理利用降水資源，許多學者對降水事件進行了研究分析[2-8].如趙志鵬等分析了近52年黑龍江省不同級別降水特征[6]，得出近52年來黑龍江省夏季降水量較大、年降水強度下降趨勢較顯著等結論；李菲等對1962—2011年寧夏不同等級降水的變化特征進行了分析[7]，發(fā)現(xiàn)寧夏地區(qū)降水事件主要發(fā)生在夏季、同等級降水量與降水日數在同季節(jié)變化趨勢一致等；李慧芳等研究了海河流域不同等級降水強度和雨日的時空變化特征[8]，得出海河流域東南部地區(qū)大雨以上級別強度大并對年降水量的貢獻較大等結論.

細河流域位于遼寧省本溪市，是工、農業(yè)用水的主要來源.流域內農業(yè)用地所占比例較大[9-10]，而農業(yè)的生產發(fā)展與降水密切相關，掌握降水量及降水強度的變化特征，可以充分利用降水資源，提高本區(qū)域的農業(yè)生產并促進農業(yè)發(fā)展.目前，專家學者對于本溪市細河流域不同等級降水的研究較少，通過參考前人使用的研究方法，筆者對細河流域不同等級降水量及降水強度的變化特征做出分析，以期為降水資源的合理利用提供科學依據.

1 研究區(qū)概況及數據、方法

1.1 研究區(qū)概況與數據來源

圖1 研究區(qū)域及站點分布示意圖Fig.1 Sketch map of the study area and the distribution of the precipitation station

本文研究區(qū)域為本溪市細河流域(圖1).細河流域位于40°47′～41°16′N和123°32′～123°59′E之間，系遼寧省太子河的支流，是本溪市境內的主要流域，總面積1 047 km2.地處山區(qū),屬于溫帶季風氣候區(qū)，氣溫最高月份為7月，最低月份為1月，年平均氣溫6.1～7.8 ℃.降水是細河流域地表徑流的主要來源.

為了能準確地反映細河流域降水量及降水強度的變化特征，本文選取了覆蓋細河流域上、中、下游的橋頭、南芬、甬子峪、下馬唐、顧家屯5個雨量站記載的日降水數據.根據5個雨量站數據的完整性與精確性，采用1966—2015年的數據(1966年南芬雨量站數據缺失)進行研究分析.文中降水強度定義為研究時段內總降水量與降水日數之比.依據降水等級劃分標準[11]，將降水事件劃分為5個等級(表1)，由于細河流域暴雨及大暴雨出現(xiàn)較少，將這兩等級降水放在一起進行分析.

表1 降水等級劃分標準

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率和趨勢系數

建立氣候變量隨時間變化的一元線性回歸方程，來表示兩者之間的關系.其回歸系數表示氣候變量隨著時間的增加所呈現(xiàn)的趨勢傾向，回歸系數為正(負)時，說明氣候變量呈上升(下降)趨勢，另外回歸系數絕對值的大小表示隨著時間的增加氣候變量變化的速率，即氣候傾向率[12].

趨勢系數[12]是指某期間內氣候變量序列與時間序列的相關系數，表示某一氣候變量隨時間增加的升降程度.趨勢系數無量綱，可以對不同地域或者不同時間尺度的氣象要素的氣候趨勢進行比較.

1.2.2 反距離權重法

反距離權重(IDW)法[13]可在ArcGIS軟件中實現(xiàn)，是空間插值法中常用的一種.以插值點與樣本點之間的距離為權重進行加權平均，離樣本點越近的插值點被預測的值越大.

1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall突變檢驗法[14]屬于非參數方法，利用相關公式計算正向和反向樣本序列的統(tǒng)計值，如果在給定的臨界值之間正反序列統(tǒng)計值形成的曲線出現(xiàn)交點，那么此點可能是突變點，根據統(tǒng)計值是否超過給定的臨界值可以判斷增減趨勢是否明顯.

2 結果與分析

2.1 降水量與降水強度的年際變化

圖2為1966—2015年細河流域年降水量和年降水強度的年際變化趨勢圖.通過構建研究期內細河流域年降水量(年降水強度)與時間變化的一元線性回歸方程所得，方程為

y=a+bt(t=1，2,…,n).

(1)

其中，y表示降水量(降水強度)，a為常數，t為時間，b為回歸系數.由圖2a可知近50年來細河流域年降水量總體呈增加趨勢，多年平均降水量為772.18 mm.2010年降水量最大(1 259.12 mm)，1978年降水量最小(530.68 mm)，波動幅度為728.44 mm.1966—1984年期間，只有1966年、1971年、1973年的降水量明顯高于多年平均降水量，其他年份都低于或不明顯的高于均值.由于1970年前后東亞季風環(huán)流較弱，帶入大陸的水汽減少，夏季降水較少，導致此期間細河流域氣候較干旱.1985—1989年年降水量出現(xiàn)大幅度的波動.20世紀90年代年降水量波動幅度相對減小，進入21世紀，2000—2009年年降水量波動幅度大大減小，而2009—2015年波動幅度顯著增大.

圖2 細河流域年降水量和年降水強度年際變化Fig.2 Annual change of precipitation and rainfall intensity in Xihe River Basin

由圖2b可知近50 a細河流域年降水強度總體呈下降趨勢，多年平均降水強度為8.44 mm/d，最大年降水強度和最小年降水強度分別為2012年的10.7 mm/d與2000年的5.87 mm/d，前者為后者的1.82倍.研究期內年降水強度除1971—1973年、20世紀90年代、2009—2013年年降水強度波動幅度稍大外，其余年份均在均值附近變化.20世紀前10 a除了2001年和2010年以外，連續(xù)8 a年降水強度低于均值.

2012年細河流域降水強度最大同時降水量較高，導致發(fā)生了特大洪水.主要原因是由于熱帶風暴“達維”到達大陸，帶來大量的暖濕氣流，使遼寧省全境都有強降水事件發(fā)生，又由于遼寧東部山地對暖濕氣流的阻擋，造成短期滯留使本溪一帶成為暴雨中心地之一，細河洪峰流量達到有記載以來的前十位.

2.2 不同等級四季降水量與降水強度氣候變化趨勢

表2為1966—2015年細河流域四季不同等級降水量的氣候變化趨勢.由表可知，近50 a細河流域年降水量以0.432 mm/a的速率增加.在不同季節(jié)降水量變化來看，除春季降水量呈減少趨勢外，其他各季降水量均呈增加趨勢.對于不同等級的降水量，只有小雨降水量呈減少趨勢，小雨降水量的減少主要由春季與夏季降水量減少引起，夏季降水量減少趨勢最明顯，趨勢系數為-0.277，通過了0.05水平的顯著性檢驗，減少速率為0.334 9 mm/a.中雨降水量在四季中均呈增加趨勢.大雨降水量在冬季呈顯著減少趨勢，暴雨和大暴雨在春季表現(xiàn)出顯著減少趨勢，兩者趨勢系數均通過了0.01水平的顯著性檢驗.

表2 年細河流域四季不同等級降水量氣候變化趨勢

注：*、**分別為通過了0.05和0.01水平的顯著性檢驗

表3為1966—2015年細河流域四季不同等級降水強度氣候變化趨勢.由表可知，年平均降水強度以0.162(mm·d-1)/a的速率減小.在不同季節(jié)降水強度變化來看，夏、秋兩季降水強度呈減小趨勢，春、冬兩季呈增加趨勢.對于不同等級降水只有暴雨和大暴雨降水強度呈增加趨勢，其他等級降水強度均呈減小趨勢，其中小雨降水強度減小趨勢較為顯著，通過了0.01水平的顯著性檢驗，而小雨降水強度的減少主要由夏、秋兩季降水強度的減少引起，夏季與秋季趨勢系數分別為-0.321和-0.291，都通過了0.05水平的顯著性檢驗.大雨降水強度的減小主要表現(xiàn)為秋、冬兩季降水強度的減小，秋季大雨降水強度減小速率為0.040 1(mm· d-1)/a，通過了0.01水平的顯著性檢驗.

表3 1966—2015年細河流域四季不同等級降水強度氣候變化趨勢

注：*、**分別為通過了0.05和0.01水平的顯著性檢驗

2.3 不同等級降水量與降水強度突變檢驗

圖3為1966—2015年細河流域不同等級降水量的突變檢驗結果UF是樣本序列正向統(tǒng)計值,UB是樣本序列反向統(tǒng)計值.由圖可見，小雨降水量(圖3a)在1979—1980年、1985—2007年、2009—2015年UF>0，表明小雨降水量呈增加趨勢，其余各年UF<0，小雨降水量呈減少趨勢，曲線UF與UB交點較多且UF未超過臨界值，說明小雨降水量波動性較強，但沒有發(fā)生突變.中雨降水量(圖3b)在1971—1973年、1976—1982年、1985—1988年、1990—2015年UF>0，降水量呈增加趨勢，UF與UB曲線在2003年于臨界值之間出現(xiàn)交點，之后UF曲線超過了臨界值，說明中雨降水量呈明顯增加的趨勢，2003年為突變點，2002年中雨降水量為202.7 mm，2003年中雨降水量為279.34 mm，增加了76.64 mm.大雨降水量(圖3c)在2009年出現(xiàn)由少到多的轉折.暴雨及大暴雨降水量(圖3d)波動性較強.

圖3 細河流域不同等級降水量的突變檢驗Fig.3 Mutation test of different grades of precipitation in Xihe River Basin

圖4為1966—2015年細河流域不同等級降水強度突變檢驗結果.由圖可知，小雨降水強度(圖4a)1966—1971年呈增加趨勢，而1972—2015年全部呈減小趨勢，1981年小雨降水強度發(fā)生減小突變.中雨降水強度(圖4b)、大雨降水強度(圖4c)和暴雨及大暴雨降水強度(圖4d)均未出現(xiàn)突變年，中雨、大雨降水強度波動較大，暴雨及大暴雨強度在1969年UF>0且超過了臨界值，增加趨勢明顯，在1972年發(fā)生減小轉折，1996年之后波動性增強.

圖4 細河流域不同等級降水強度突變檢驗Fig.4 Mutation test of different grades of rainfall intensity in Xihe River Basin

2.4 不同等級降水量與降水強度的空間分布

圖5為1966—2015年細河流域不同等級降水量的空間分布圖，在地理分布特點上，不同等級降水量分布特點有所差異.小雨降水量(圖5a)從東北到西南大體呈逐漸減少至逐漸增加的變化趨勢；中雨降水量(圖5b)的分布與小雨降水量分布特點相似；大雨降水量(圖5c) 由中心向四周呈逐漸遞增的變化趨勢；暴雨和大暴雨降水量(圖5d)由東南向西北呈逐漸減少至逐漸增加的變化趨勢.小雨、中雨和大雨降水量高值區(qū)均出現(xiàn)在甬子峪站附近，分別為199.59～218.31、251.42～271.39、210.48～216.61 mm，暴雨及大暴雨降水量高值區(qū)在顧家屯站附近，為160.81～173.78 mm.另外，小雨降水量的高值區(qū)在橋頭站、下馬唐站附近也有分布，大雨降水量的高值區(qū)在顧家屯站附近也有分布.各等級降水量的低值區(qū)均出現(xiàn)在南芬站附近.細河流域各等級降水量形成的空間分布差異主要是受地形因素與距水汽源距離的影響.受季風的影響，暖濕氣流由東南向西北輸送，甬子峪站與顧家屯站附近地區(qū)較早受到影響形成降水，但由于南芬站地處背風坡的地理位置，暖濕氣流被阻擋，導致降水量很少.西部離水汽源較遠，暖濕氣流中的水分在被輸送的過程中逐漸減少，所以降水量比東部少.

圖5 細河流域不同等級降水量的空間分布Fig.5 The space distribution of different grades of precipitation in Xihe River Basin

圖6為1966—2015年細河流域不同等級降水強度的空間分布圖.小雨降水強度(圖6a)分布規(guī)律不明顯，高值區(qū)出現(xiàn)在南芬站和顧家屯站附近，為2.87～3.00 mm/d，低值區(qū)出現(xiàn)在橋頭站、甬子峪站、下馬唐站附近，為2.59～2.69 mm/d；中雨降水強度(圖6b)由東北向西南逐漸減小，高值區(qū)位于甬子峪站附近和南芬站附近，為15.77～15.83 mm/d，低值區(qū)位于下馬唐站和顧家屯站附近，為15.62～15.67 mm/d；大雨降水強度(圖6c)由南部至中部至北部呈逐漸減小至逐漸增加至逐漸減小的特點，高值區(qū)位于南芬站，為34.82～35.11 mm/d，橋頭站和下馬唐站附近為低值區(qū)，為34.16～34.36 mm/d，可以看出，中雨與大雨各自的降水強度在空間分布上的地域差異不大.暴雨和大暴雨降水強度(圖6d)的分布由西北向東南逐漸減小，高值區(qū)位于橋頭站附近，為71.58～73.55 mm/d，低值區(qū)位于下馬唐站和甬子峪站附近，為65.06～66.36 mm/d.

圖6 細河流域不同等級降水強度的空間分布Fig.6 The space distribution of different grades of rainfall intensity in Xihe River Basin

3 結 論

(1)細河流域在1966—2015年期間年降水量整體呈增加的趨勢，與前人的研究結論一致[15]，年降水強度整體呈減少的趨勢，由此可以判斷出年降水日數呈增加趨勢，且增加的速率要大于年降水量.降水量的增加表現(xiàn)為中雨、大雨、暴雨和大暴雨降水量的增加，降水強度的減少主要表現(xiàn)為小雨降水強度的減少.

(2)受氣候及地形因素的影響，在空間分布上，小雨及中雨降水量的特點為由東北向西南逐漸減少至逐漸增加，大雨降水量由中心向四周逐漸減少，暴雨和大暴雨由東南向西北呈逐漸減少至逐漸增加的變化趨勢，各級降水強度在空間上的分布規(guī)律各不相同.甬子峪站附近地區(qū)降水量及中雨降水強度均較大，洪澇災害發(fā)生的概率較大，南芬站附近地區(qū)降水量少而降水強度大，較容易發(fā)生干旱及洪澇災害.

(3)中雨降水量在2003年發(fā)生突變、小雨降水強度在1981年發(fā)生突變，其他等級降水均未發(fā)生突變.

[1] TAMMETS，TIINA，JAAGOS，et al.Climatology of precipitation extremes in Estonia using the method of moving precipitation totals[J].Theoretical and Applied Climatology，2013，111(3/4):623-639.

[2] 王芬，曹杰，李腹廣，等.貴州不同等級降水日數氣候特征及其與降水量的關系[J].高原氣象，2015，34(1):145-154.

[3] 李春，劉德義，黃鶴.1958—2007年天津降水量和降水日數變化特征[J].氣象與環(huán)境學報，2010，26(4):8-11.

[4] 王秀萍，祝青林，侯彥澤.近60年大連市不同等級降水量與降水日數的變化特征[J].中國農學通報，2014，30(26):231-235.

[5] 曹永強，劉佳佳，高璐.遼寧省大雨以上降水日數分布與趨勢分析[J].地理科學進展，2015，34(8):1052-1060.

[6] 趙志鵬，曹立國，魏錦燁，等.近52年黑龍江省不同級別降水特征分析[J].水土保持研究，2012，19(2):48-52.

[7] 李菲，張明軍，李小飛,等.1962—2011年來寧夏不同等級降水的變化特征[J].生態(tài)學雜志，2013，32(8):2154-2162.

[8] 李慧芳，殷淑燕.海河流域不同等級降水強度和雨日的時空變化特征[J].中國農業(yè)氣象，2014，35(6):603-610.

[9] 羅慶，孫麗娜，張耀華，等.細河流域地下水中持久性有機氯污染物的健康風險評價[J].水土保持研究，2011，18(6):119-124.

[10] 楊春璐，馬溪平，侯偉，等.南芬細河河岸帶土壤理化性質分析[J].科技導報，2012，30(03):61-66.

[11] 喬林，李延香，符嬌蘭，等.GB/T28592，降水量等級[S].北京:中國標準出版社，2012:1-2.

[12] 周曉宇，敖雪，趙春雨，等.1961—2012年遼寧省不同級別降水事件變化特征[J].氣象與環(huán)境學報，2015，31(5):120-127.

[13] 牟乃夏，劉文寶，王海銀，等.ArcGIS10地理信息系統(tǒng)教程[M].北京:測繪出版社，2012:339-340.

[14] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社，2007:37-68.

[15] 朱正如，韓露，呂樂婷，等.近50年來細河流域降水量的時空變化[J].水電能源科學,2017(1):6-9.

VariationcharacteristicsofprecipitationandrainfallintensitywithdifferentgradesintheXiheRiverBasin

ZHUZhengru，GUOShanshan

(College of Urban and Environmental， Liaoning Normal University, Dalian 116029， China)

Based on the daily precipitation data of rainfall stations from 1966 to 2015 years in the Xihe River Basin, the variation tendency of the different grades of precipitation and rainfall intensity of the Xihe River Basin in recent 50 years were analyzed by using the trend coefficient and climate tendency rate methods, mutation was tested by the Mann-Kendall method, the spatial distribution characteristics were studied by the inverse distance weighted interpolation method, the relationship between precipitation and rainfall intensity and rainfall days were explored by the Spearman correlation analysis method.The results showed that in recent 50 years the annual precipitation of the Xihe River Basin increased in 0.432 mm/a rate and its annual rainfall intensity decreased in 0.162(mm·d-1)/a rate.In different grades of precipitation, both the precipitation and rainfall intensity of the light rain were in a decreasing trend, and the decreasing trend of the rainfall intensity was obvious.The moderate rain precipitation occurred abrupt change in 2003 and the rainfall intensity of the light rain occurred abrupt change in 1983.In space distribution, the variation tendency of the light rain precipitation and the moderate rain precipitation were increased gradually after decreasing from northeast to southwest.The rainstorm and the heavy rainstorm were increased gradually after decreasing from southeast to northwest.

different grades;precipitation;rainfall intensity;change characteristics

K903

:A

2017-06-20

遼寧師范大學青年科研項目(LS2014L013)

朱正如(1969- )，女，遼寧本溪人，遼寧師范大學副教授,博士.E-mail：zhengruzhu@gmail.com

1000-1735(2017)03-0379-08

10.11679/lsxblk2017030379