變化環(huán)境下鄱陽湖流域降水演變特征分析

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(1.長江科學(xué)院 水資源所，湖北 武漢 430010；2.長江水利委員會 規(guī)計局，湖北 武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 長澳公司，湖北 武漢 430010)

變化環(huán)境下鄱陽湖流域降水演變特征分析

許斌1陳廣才1,2陳麗3

(1.長江科學(xué)院 水資源所，湖北 武漢 430010；2.長江水利委員會 規(guī)計局，湖北 武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 長澳公司，湖北 武漢 430010)

近年來，鄱陽湖流域的干旱災(zāi)害呈現(xiàn)出較為明顯的非一致性，針對干旱研究中對降水序列非一致性研究不足的情況，以鄱陽湖流域內(nèi)修水站、宜春站、南昌站等14個氣象站點夏秋兩季的降水序列為研究對象，采用水文變異診斷系統(tǒng)對降水序列進(jìn)行了變異診斷，并以診斷結(jié)果為依據(jù)，對變化環(huán)境下鄱陽湖流域降水演變特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，鄱陽湖流域內(nèi)降水序列變異主要發(fā)生在夏季，變異后的降水均值有所增加，變異時間集中在20世紀(jì)90年代初，且導(dǎo)致鄱陽湖流域內(nèi)干旱非一致性的主要因素為水量支出。

水文變異診斷；降水演變特征；變化環(huán)境；鄱陽湖

1 研究背景

作為自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，湖泊具有調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、提供水產(chǎn)品和保護(hù)生物多樣性等諸多功能。鄱陽湖位于長江流域，是我國最大的淡水湖泊生態(tài)濕地，也是目前仍與長江干流保持著自然連通狀態(tài)的大型湖泊。鄱陽湖流域的水資源利用、水生態(tài)安全和旱澇災(zāi)害防治，是長江中游地區(qū)核心問題[1]。

干旱災(zāi)害因其范圍廣、次生災(zāi)害嚴(yán)重、持續(xù)時間長等特征，成為對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的自然災(zāi)害之一。近年來，受氣候變化和人類活動的影響，通過比較歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2000年以來鄱陽湖流域的干旱災(zāi)害呈現(xiàn)出較為明顯的非一致性，即同等頻率干旱發(fā)生的次數(shù)顯著增加，對流域內(nèi)的生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境造成了較為不利的影響。

降水序列通常用來計算干旱的歷時和烈度等重要參數(shù)，是判斷干旱等級的重要依據(jù)。降水序列是否存在非一致性對干旱頻率的計算結(jié)果會造成較大影響，而目前在對鄱陽湖流域的干旱研究中，少有學(xué)者對降水序列的非一致性問題，以及該問題出現(xiàn)前后流域內(nèi)降水的演變特征展開研究。本文以鄱陽湖流域內(nèi)的降水為研究對象，采用水文變異診斷系統(tǒng)，對流域內(nèi)不同站點的降水序列進(jìn)行變異診斷；隨后以診斷結(jié)果為依據(jù)，對變異前后流域內(nèi)降水的演變特征進(jìn)行分析。由于鄱陽湖流域干旱主要表現(xiàn)為“夏秋連旱”[2]，本文著重對變化環(huán)境下夏、秋兩季降水序列的非一致性以及演變特征進(jìn)行分析。

2 鄱陽湖流域降水?dāng)?shù)據(jù)

2.1 概 況

鄱陽湖流域位于長江中下游南岸，東經(jīng)113°35′～118°29′，北緯24°29′～30°05′，跨江西、安徽、浙江、福建、廣東和湖南6省，流域面積16.22萬km2，占江西省流域面積的96.7%，占長江流域總面積8.97%。鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊，承接贛江、撫河、信江、饒河及修水5大河之水，屬于天然吞吐型、季節(jié)性湖泊。

2.2 降水?dāng)?shù)據(jù)

綜合考慮氣象站點降水實測序列長度和所處地理位置，選擇修水站、宜春站、南昌站等14個氣象站點的降水序列進(jìn)行分析。各站點的地理位置如圖1所示；各站點的基本信息如表1所示。

圖1 鄱陽湖流域主要氣象及水文站點分布

站點編號降水序列起止年份降水序列長度/a修水575981953^201361宜春577931953^201361吉安577991952^201362井岡山578941959^201355遂川578961951^201363贛州579931951^201363波陽585191955^201359景德鎮(zhèn)585271953^201361南昌586061951^201363樟樹586081957^201357貴溪586261953^201361玉山586341951^201363南城587151953^201361廣昌588131954^201360

3 水文變異診斷系統(tǒng)

水文序列包括確定性成分和隨機(jī)性成分，而確定性成分則包括周期、趨勢和跳躍成分。如果水文序列與周期、趨勢和跳躍成分無關(guān)，則它是平穩(wěn)的時間序列，表明整個水文序列具有相同的物理成因，其統(tǒng)計規(guī)律滿足一致性，即分布形式(如P-Ⅲ型)和分布參數(shù)(如均值、變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)等)在整個序列時間范圍內(nèi)均保持不變；這種情況下水文序列只在均值上下隨機(jī)波動，而無統(tǒng)計規(guī)律的變化。反之，水文序列則屬于非平穩(wěn)的時間序列，表明影響水文序列的物理成因發(fā)生了變化，其統(tǒng)計規(guī)律具有非一致性，即分布形式或(和)分布參數(shù)在整個序列時間范圍內(nèi)發(fā)生了變化。因此，從統(tǒng)計學(xué)的角度，水文序列變異主要是指水文序列的分布形式或(和)分布參數(shù)在整個序列時間范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化[3]。

在水文序列變異診斷方法上，針對不同水文序列，對成分的診斷方法也有所區(qū)別，如診斷跳躍變異的秩和檢驗法、有序聚類法等，診斷趨勢變異的Spearman秩次相關(guān)檢驗法、Kendall秩次相關(guān)檢驗法等。

2010年，謝平提出了用于水文水資源序列變異診斷的水文變異診斷系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)主要考慮了趨勢和跳躍兩種變異形式，由初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷3個部分組成。

(1) 初步診斷。采用過程線法、滑動平均法、Hurst系數(shù)法判斷序列是否存在變異。若判斷結(jié)果為不存在變異，則進(jìn)入成因調(diào)查分析，對結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)；若存在變異，則進(jìn)入詳細(xì)診斷部分。

(2) 詳細(xì)診斷。采用多種檢驗方法分別對序列的趨勢變異、跳躍變異情況進(jìn)行判斷分析。對于趨勢變異，采用基于線性趨勢相關(guān)系數(shù)的趨勢變異分級法和檢驗法、Spearman秩次相關(guān)檢驗法和Kendall秩次相關(guān)檢驗法；對于跳躍變異，采用有序聚類法、Lee-Heghinan法、秩和檢驗法、滑動F檢驗法、滑動T檢驗法、游程檢驗法、最優(yōu)信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、Mann-Kendall、Bayesian方法，最后進(jìn)入綜合診斷部分。

(3) 綜合診斷。根據(jù)詳細(xì)診斷結(jié)果，對趨勢診斷結(jié)論進(jìn)行趨勢綜合，對跳躍診斷結(jié)論進(jìn)行跳躍綜合。根據(jù)效率系數(shù)評價水文序列與趨勢成分或跳躍成分的擬合程度，以效率系數(shù)較大者作為變異形式判斷的結(jié)果。最后結(jié)合實際水文調(diào)查分析，對變異形式和結(jié)論進(jìn)行確認(rèn)，從而得到較準(zhǔn)確的變異診斷結(jié)果。

該系統(tǒng)不僅可以從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度(無變異、弱變異、中變異、強(qiáng)變異、巨變異)，而且可以識別非一致性序列發(fā)生變異的形式(趨勢、跳躍變異點)；檢驗指標(biāo)全面、權(quán)重賦值客觀、診斷結(jié)果可信。同時，它也解決了傳統(tǒng)檢驗方法只能進(jìn)行單一變異形式識別，以及難以從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度的缺點；跳躍變異中單一檢驗方法存在檢驗結(jié)果不合理、多種檢驗方法常常與檢驗結(jié)果不一致的問題。

因此，本文采用水文變異診斷系統(tǒng)進(jìn)行水文序列的變異診斷。

4 降水變異診斷結(jié)果及演變特征

4.1 診斷結(jié)果

在第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.01的條件下，利用水文變異診斷系統(tǒng)對修水站、宜春站、南昌站等14個氣象站點在夏季(6～8月)和秋季(9～11月)的降水序列進(jìn)行變異診斷，其中夏季降水序列的診斷結(jié)果如表2所示，秋季降水序列的診斷結(jié)果如表3所示。

表2 夏季降水序列變異診斷結(jié)果

注：表格中“+”為跳躍或趨勢顯著，“-”為跳躍或趨勢不顯著，“0”為不能進(jìn)行顯著性檢驗，“↓”為跳躍下降，“↑”為跳躍上升。

表3 秋季降水序列變異診斷結(jié)果

從表2中可以看出，鄱陽湖流域內(nèi)氣象站點在夏季降水序列中，僅修水站未發(fā)生變異，其余13個站點的降水序列均發(fā)生了不同程度的水文變異，其中贛州、波陽、玉山的變異形式并非跳躍和趨勢變異，無法檢測；剩余各氣象站點的降水序列均發(fā)生了跳躍向上的變異，僅樟樹站的跳躍點發(fā)生于1965年，宜春、吉安、井岡山、遂川、景德鎮(zhèn)、南昌、貴溪、南城、廣昌站的跳躍點均分布在1991～1993年，變異程度界于弱變異與中變異之間。

從表3可以看出，鄱陽湖流域內(nèi)氣象站點秋季的降水序列均未發(fā)生變異，說明均滿足一致性的要求。

4.2 演變特征分析

就時間尺度而言，鄱陽湖流域內(nèi)的降水變異均發(fā)生在夏季，秋季降水序列均未發(fā)生變異，且夏季降水序列的變異時間段較為集中，大部分發(fā)生在20世紀(jì)90年代初；對于變異形式而言，夏季降水序列均發(fā)生了跳躍向上的變異，即相對于變異前，變異后多年平均降水量有所上升。

干旱的本質(zhì)是水量的減少，降水是鄱陽湖流域主要的水量來源。在秋季降水無變異，且不考慮水分支出(包括蒸發(fā)、人類生產(chǎn)生活用水等)影響的條件下，鄱陽湖流域內(nèi)夏秋連旱的概率應(yīng)當(dāng)有所下降。但自2000年以來，鄱陽湖干旱發(fā)生的歷時和烈度有所增加[5]，因此，導(dǎo)致鄱陽湖流域內(nèi)干旱非一致性的主要影響因素為水量支出。

5 結(jié)論與建議

降水序列是計算干旱參數(shù)、判斷干旱頻率的主要依據(jù)，針對目前鄱陽湖干旱研究中對降水序列非一致性考慮不足的問題，本文采用水文變異診斷系統(tǒng)，對流域內(nèi)修水站、宜春站、南昌站等14個氣象站點在夏、秋兩季的降水序列進(jìn)行了變異診斷，在診斷結(jié)果的基礎(chǔ)上，對變異前后鄱陽湖流域的降水演變特征進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

(1) 鄱陽湖流域內(nèi)的降水變異均發(fā)生在夏季，秋季降水序列均未發(fā)生變異，即秋季降水序列滿足一致性的要求。

(2) 除部分無法檢測變異時間的站點外，夏季降水序列發(fā)生變異的時間段主要集中在20世紀(jì)90年代初。

(3) 變異形式方面，除部分無法檢測變異形式的站點外，夏季降水序列均發(fā)生了跳躍向上的變異，即相對于變異前，變異后多年平均降水量有所上升。

(4) 導(dǎo)致鄱陽湖流域內(nèi)干旱非一致性的主要影響因素為水量支出，包括流域內(nèi)的自然蒸發(fā)、人類生產(chǎn)生活用水等。

針對本文的研究內(nèi)容，建議在以下幾個方面開展進(jìn)一步研究。

(1) 由于資料有限，本文僅對鄱陽湖流域14個氣象站的降水序列進(jìn)行了分析，應(yīng)進(jìn)一步收集相關(guān)資料，增設(shè)研究站點，對變化環(huán)境下鄱陽湖流域降水的演變特征進(jìn)行更詳細(xì)地分析。

(2) 在變異后降水均值增加的情況下，導(dǎo)致鄱陽湖流域內(nèi)干旱非一致性的主要因素為水量支出。但對于鄱陽湖而言，水量支出的途徑包括蒸發(fā)、人類生產(chǎn)生活用水、湖泊出流等方面，這些影響因素對干旱形成的貢獻(xiàn)大小不同，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)鄱陽湖流域干旱非一致性的歸因分析研究。

[1] 楊桂山．長江水問題基本態(tài)勢及其形成原因與防控策略[J]．長江流域資源與環(huán)境，2012，21(7) : 821-830．

[2] 閔騫.鄱陽湖區(qū)干旱演變特征與水文防旱對策[J].水文,2010,30(1):84-88.

[3] 謝平，陳廣才，雷紅富．基于Hurst系數(shù)的水文變異分析方法[J]．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17(1)：1-82．

[4] 謝平，陳廣才，雷紅富，等.水文變異診斷系統(tǒng)[J].水力發(fā)電學(xué)報，2010，29(1)：85-91．

[5] 劉元波.近十年鄱陽湖區(qū)極端干旱事件頻發(fā)現(xiàn)象成因初析[J].長江流域資源與環(huán)境,2014,23(1):131-138.

2017-09-15

國家自然科學(xué)基金項目資助項目(51409014)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(20150914091245)

許 斌,男，長江科學(xué)院水資源所，高級工程師，博士.

1006-0081(2017)12-0036-03

P426.615

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(編輯：李曉濛)