太子河干流中游段近60年降水蒸發(fā)要素演變分析

徐 飛

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

降水蒸發(fā)是水平衡方程的重要輸入項，對于區(qū)域水資源量的分配和計算至關重要，也是反映區(qū)域氣候變化和土地利用/覆被的最重要的兩個因素。對于區(qū)域降水蒸發(fā)的演變規(guī)律的分析有助于對區(qū)域水資源演變進行有把控。近些年來，對于區(qū)域降水蒸發(fā)演變規(guī)律分析的研究成果較多[1- 5]，其中趨勢檢驗分析方法[6- 7]以及突變診斷分析方法[8- 9]在區(qū)域降水蒸發(fā)演變特征的分析中應用較為成熟。太子河是遼寧東部較為重要的河流，為此本文結合趨勢檢驗法以及突變特征分析方法，結合太子河干流水文站實測降水蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對太子河干流中游段的降水蒸發(fā)要素的演變特征及規(guī)律進行全面系統(tǒng)的分析，分析成果對于太子河中游水資源規(guī)劃和水資源評價具有重要的參考價值。

1 研究方法

1.1 趨勢檢驗方法

為對水文氣象要素特征變化趨勢進行檢驗，采用非線性趨勢檢驗方法對水文變化特征進行檢驗，該方法假設時間數(shù)據(jù)序列(x1，x2，，xn)為獨立、隨機同變量分布的樣本序列，檢驗統(tǒng)計變量S計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態(tài)分布的檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj—同一樣本中不同分布的兩個系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—標準方差；sign—運算符號；n—樣本的總個數(shù)；Z—檢驗值，若Z>0，檢驗的時間序列為上升變化趨勢，Z<0，檢驗的時間序列為上下降變化趨勢；Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%、95%以及90%的顯著性檢驗水平。

1.2 突變診斷方法

突變分定義一個統(tǒng)計量ck來分析n個獨立的、隨機變量同分布的樣本數(shù)據(jù)序列(x1，x2，，xn)，計算方程分別為：

圖1 研究區(qū)域站點分布圖

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累積數(shù)，E(ck)、σ(ck)—ck的均值和方差，UFk—ck的標準化；按逆序列數(shù)據(jù)(xn，xn-1，，x1)重復上面過程，使|UBk|=-UFk，k=n，n-1，，UB1=0。如果UF和UB兩條曲線在置信區(qū)間內出現(xiàn)交點，即為可能的突變點。

2 研究成果

2.1 區(qū)域概況

太子河流域屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，全年氣候溫和、濕潤，四季分明。太子河流域多年平均降水量在700～900mm之間，是東北地區(qū)降水較多的地區(qū)。年內降水量分布很不均勻，多集中在6～9月，占全年的70%～80%，其中7～8月份降水量最多，約占全年的60%。小林子水文站址位于遼陽縣小北河鎮(zhèn)小林子村(東經(jīng)122°54′，北緯41°22′)，是太子河重要控制站。太子河中下游，集水面積10254km2，至遼陽水文站距離為47km，見圖1。

2.2 降水蒸發(fā)趨勢檢驗分析

2.2.1 年降水蒸發(fā)趨勢分析

結合小林子站1952～2016年降水蒸發(fā)統(tǒng)計年值，分析其年降水蒸發(fā)演變趨勢，結果見圖2。

圖2 小林子站年降水蒸發(fā)趨勢變化過程

圖3 小林子站各季節(jié)降水變化過程

2.2.2 月降水蒸發(fā)趨勢分析

結合小林子站1952～2016年降水蒸發(fā)統(tǒng)計月值，分析小林子站月降水蒸發(fā)演變趨勢，結果見圖3、4及表1。

表1 各時間尺度降水蒸發(fā)趨勢檢驗結果

圖2直觀地反映了太子河干流小林子站的年降水和年蒸發(fā)演變趨勢，從圖2中可看成，小林子站年降水變化較為平穩(wěn)，而年蒸發(fā)呈現(xiàn)較為明顯的遞減趨勢，結合表1可看成，年降水的趨勢檢驗值為-0.4812，變化趨勢較弱。而年蒸發(fā)的檢驗統(tǒng)計值為-4.8405，達到95%的遞減趨勢。從降水各季節(jié)變化可以看成，和年降水變化較為一致，各季節(jié)降水變化也較為平穩(wěn)，其秋季遞減趨勢較為明顯，遞減率達到-9.1mm/a，從蒸發(fā)的季節(jié)變化趨勢圖可以看成，春節(jié)較其他季節(jié)的遞減趨勢最為明顯，冬季的變化趨勢最弱，年蒸發(fā)逐年遞減率為-14.7mm/a，而年蒸發(fā)遞減率高，也是太子河干流徑流減少的主要因素之一。

2.3 降水蒸發(fā)突變診斷分析

2.3.1 年降水蒸發(fā)突變診斷分析

結合小林子站1952～2016年降水蒸發(fā)統(tǒng)計年值，運用突變診斷分析方法對小林子站年降水蒸發(fā)的突變特征進行分析，分析結果如圖5所示。

圖5 年降水蒸發(fā)突變診斷結果

2.3.2 月降水蒸發(fā)突變診斷分析

結合小林子站1952～2016年降水蒸發(fā)統(tǒng)計月值，運用突變診斷分析方法對小林子站年降水蒸發(fā)的突變特征進行分析，分析結果如圖6、7所示。

圖5中可看出年降水和年蒸發(fā)的突變年份不一致，這主要是因為造成降水和蒸發(fā)變化的原因不一樣，降水主要受氣候變化，而蒸發(fā)除受氣候變化外，還受到區(qū)域下墊面的變化，年降水突變主要發(fā)生在20世紀70年代，其中1975年為其突變轉折年份?？梢哉J為太子河干流在1975年前后出現(xiàn)一定程度的氣候突變。而年蒸發(fā)的突變主要發(fā)生在2000年以后，這主要由于2000年以后城市化的發(fā)展步伐較快，城市化的發(fā)展減少了區(qū)域植被量，也間接減少了區(qū)域了蒸發(fā)量，使得年蒸發(fā)較2000年以前呈現(xiàn)一定的突變特征。而季節(jié)蒸發(fā)和降水和年突變特征具有一定的相似性，各季節(jié)降水突變主要發(fā)生20世紀70年代，而蒸發(fā)主要發(fā)生在2000年以后，其中夏季降水突變特征顯著性高于其他季節(jié)，而春季蒸發(fā)的突變特征高于其他季節(jié)。春季蒸發(fā)突變的原因在于農業(yè)耕作措施的開展。

3 結語

(1)太子河干流中游段年蒸發(fā)遞減趨勢明顯，而降水變化平穩(wěn)，這一特征是區(qū)域徑流降低變化的主要因素之一。

(2)太子河干流在1975年前后出現(xiàn)一定程度的氣候突變，這一特征使得降水出現(xiàn)突變，而蒸發(fā)的突變主要受區(qū)域城市化的發(fā)展，植被量的減少，使得蒸發(fā)遞減突變特征明顯，而春季蒸發(fā)突變的原因在于農業(yè)耕作措施的變化。

圖6 小林子季節(jié)降水突變診斷結果

圖7 小林子站季節(jié)蒸發(fā)突變診斷結果

[1] 曾思亮, 曾欽文, 林珊珊, 等. 近55年龍川縣降水蒸發(fā)差的變化特征[J]. 廣東水利水電, 2016(07): 13- 15.

[2] 魏琳, 徐姝, 張治倩. 海河流域汛期降水量多尺度分析及預測研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2017(10): 60- 63+86.

[3] 孫衛(wèi)國, 程炳巖, 郭渠. 華北地區(qū)降水蒸發(fā)差與西太平洋副熱帶高壓的關系[J]. 中國農業(yè)氣象, 2010, 31(01): 41- 47.

[4] 陳學林, 王學良, 景宏. 60年來白龍江流域水文特征變化分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2017(01): 39- 42.

[5] 楊正華. 石羊河流域降水特征值及變化趨勢分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2016(05): 23- 25.

[6] 陳水蓉. 趨勢分析在水質管理中的應用研究[D]. 天津師范大學, 2012.

[7] 趙愛華. 于橋水庫入庫河流水質評價及其趨勢分析[D]. 天津大學, 2009.

[8] 鄢波, 夏自強, 黃峰, 等. 黑龍江流域氣溫突變診斷及極值重現(xiàn)期分析[J]. 水電能源科學, 2016, 34(10): 5- 8.

[9] 曾杭. 非一致性洪水分析計算及對水利工程防洪影響研究[D]. 天津大學, 2015.