黑龍江省湯旺河流域水文氣象要素分析

宋俊博,劉軍濤,王 炎,陳 彬

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

氣候變化一直以來(lái)都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它與人類的生活息息相關(guān)，正確評(píng)價(jià)氣候變化下區(qū)域水資源狀況是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)和自然生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。湯旺河流域地勢(shì)多為低山丘陵相間的山地，屬小興安嶺山系，高緯度、多山區(qū)林地的條件對(duì)該區(qū)域的氣候形成有較大影響。李金楠[1]通過(guò)研究得出湯旺河流域多受厄爾尼諾和拉尼娜等天氣影響，當(dāng)受拉尼娜氣候影響時(shí)，南旱北澇，湯旺河流域源頭受降雨影響較大；當(dāng)受厄爾尼諾氣候影響時(shí)，北旱南澇，湯旺河流域下游受降水天氣影響較大。楊婧[2]通過(guò)對(duì)流域內(nèi)河川基流量進(jìn)行分析計(jì)算，提出了計(jì)算湯旺河基流量的簡(jiǎn)化方法和使用條件。劉慧娟等[3]分析了該流域的輸沙量特征，為合理開(kāi)發(fā)利用其水土資源提供依據(jù)。研究成果對(duì)湯旺河流域水資源適用性調(diào)控、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和流域內(nèi)水文預(yù)報(bào)工作等具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

湯旺河是黑龍江水系松花江下游的一條主要支流，發(fā)源于黑龍江省伊春市西北部的小興安嶺丘陵地區(qū)，是典型的山溪性森林流域。流域平均海拔500 m，地勢(shì)北高南低。地形較為復(fù)雜，水系呈樹(shù)枝狀，上游山勢(shì)緩和，河谷寬廣，多山間盆地，沿河沼澤發(fā)育，地貌類型為低山、丘陵、谷地，是我國(guó)的主要林區(qū)之一[4]。湯旺河流域共有600多條大小支流、溝溪，集水面積超過(guò)1000 km2的就有6條。河流由北向南橫穿伊春市，最終在佳木斯湯原縣匯入松花江。

湯旺河流域處于亞寒帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春秋兩季的時(shí)間較短，春季降雨較少、風(fēng)比較大且氣溫回升較快。多年平均氣溫約為1 ℃，年降雨量約為610 mm，年內(nèi)降水集中在6—9月，河流補(bǔ)給以融雪、降雨為主。流域地處小興安嶺腹地，林地面積大，對(duì)地面氣溫和濕度有一定的調(diào)節(jié)作用，蒸發(fā)量較小，且受季節(jié)影響明顯，多年平均蒸發(fā)量為510 mm。湯旺河河道全長(zhǎng)509 km，流域面積20 838 km2，多年平均徑流量55.2億m3。

2 數(shù)據(jù)資料

本研究采用了伊春氣象站共59 a(1956—2014年)的逐日氣象資料，包括逐日降水、平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫；研究中還采用了湯旺河流域內(nèi)五營(yíng)、伊春、南岔和晨明等四個(gè)水文站共12 a(2001—2012年)的流量資料。伊春氣象站的坐標(biāo)為東經(jīng)128°55′，北緯47°44′。

3 研究方法

(1)傾向率。設(shè)定某個(gè)氣象要素的時(shí)間序列為z1、z2、…、zi、…zn，它可以用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)表示：

+pm·tm(m

(1)

式中：t為時(shí)間，a；pm為時(shí)間因數(shù)tm的系數(shù)。

(2)突變分析法。突變分析方法采用的是Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，計(jì)算其均值E(Sk)和方差Var(Sk)，定義統(tǒng)計(jì)量：

(2)

(3)

式中：X1，X2，…，Xn為原始時(shí)間序列;mi表示第i個(gè)樣本yi大于yj(1≤j≤i)的累積數(shù);E(Sk)和Var(Sk)分別為序列X的均值和方差。

令UF1=0，按時(shí)間序列X順序X1，X2，…，Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量記為UFk，按時(shí)間序列X逆序Xn，Xn-1，…，X1計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量記為UBk。UBk與UFk呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在給定的顯著性水平α(一般取α=0.05，則U0.05=±1.96)下，繪制UBk與UFk的曲線，從而根據(jù)曲線可以分析序列X的突變情況。

(3)小波分析法。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常將水文時(shí)間序列進(jìn)行離散化，常取過(guò)程狀態(tài)的總量、平均值或極值作為時(shí)間序列的值，如降水量、水位、徑流量等[5]。

小波變換的離散形式：

(4)

小波方差的離散形式為：

(5)

式中:Var(a)為小波方差;N為年徑流序列的長(zhǎng)度;|Wf(a,xt)|2為尺度a、時(shí)間xt處小波系數(shù)的平方，對(duì)于復(fù)系數(shù)則是系數(shù)模的平方。

4 年際變化分析

4.1 趨勢(shì)分析

伊春氣象站59 a(1956—2014年)歷年平均氣溫和降水量變化曲線見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 平均氣溫趨勢(shì)圖

圖2 降水量趨勢(shì)圖

由圖1可以看出，該氣象站多年來(lái)的平均氣溫呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，速率為0.35 ℃/10 a，而氣溫的增長(zhǎng)趨勢(shì)也明顯分為兩個(gè)階段，1986年之前增速較快，速率為0.36 ℃/10 a，1986—2014年的氣溫增速則為0.06 ℃/10 a，基本趨于穩(wěn)定。這與全球氣溫升高的趨勢(shì)基本一致。2007年和2008年為平均氣溫最高的年份，達(dá)到2.8 ℃，最低氣溫為1969年的-1.1℃，多年平均氣溫為1.1 ℃。

由圖2可以看出該站降水量多年來(lái)總體呈下降趨勢(shì)，下降速率為2.3 mm/10 a，降水最大年份為1985年，當(dāng)年降水量達(dá)到995.5 mm，而降水最小年份發(fā)生在2001年，當(dāng)年的降水量421 mm，多年平均降水量為634.9 mm。

4.2 突變分析

采用M-K法對(duì)伊春氣象站的歷年平均氣溫和降水量進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 平均氣溫MK統(tǒng)計(jì)量曲線

圖4 年降水量MK統(tǒng)計(jì)量曲線

從平均氣溫的MK 統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，曲線UF與曲線UB在1981年相交，并且交點(diǎn)位于95%的顯著性水平臨界線(±1.96)之間，因此認(rèn)為該平均氣溫序列在1981年發(fā)生了突變，氣溫呈上升趨勢(shì)，符合20世紀(jì)80年代全球氣候變暖的趨勢(shì)，并且UF曲線絕大多數(shù)值都大于0，其曲線已經(jīng)超過(guò)正向臨界線(+1.96)，說(shuō)明多年氣溫的上升趨勢(shì)顯著(置信水平95%)。

從年降水的MK 統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，曲線UF與曲線UB一共有兩次相交，并且兩個(gè)交點(diǎn)都位于95%的顯著性水平臨界線(±1.96)之間，因此認(rèn)為該年降水序列共發(fā)生了兩次突變，突變點(diǎn)分別是 1963年和2011年，雖然該序列呈下降趨勢(shì)，但是UF曲線未超過(guò)負(fù)向臨界線(-1.96)，說(shuō)明年降水量的下降趨勢(shì)不夠顯著(置信水平95%)。

4.3 周期分析

對(duì)伊春氣象站歷年平均氣溫和降水量進(jìn)行Morlet小波分析，小波實(shí)部等值線圖和小波方差曲線見(jiàn)圖5～圖8。

從平均氣溫的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖5可以看出，多年平均氣溫存在5～8 a、9～20 a、21～32 a左右的3類時(shí)間尺度的演變規(guī)律，在3類時(shí)間尺度上分別經(jīng)歷了14個(gè)、8個(gè)和4個(gè)低—高值時(shí)期交替變化的過(guò)程，在21～32 a尺度上，1956年之前和2014年之后虛線區(qū)域均未閉合，說(shuō)明在該尺度下1956年之前和2014年之后的氣溫都屬于低值，小波方差曲線圖6中存在3個(gè)峰值，最大峰值對(duì)應(yīng)著11 a左右的時(shí)間尺度，表明11 a左右的振蕩周期最強(qiáng)，是該平均氣溫序列變化的第一主周期；第二大峰值為7 a左右時(shí)間尺度所對(duì)應(yīng)的方差，為該平均氣溫序列變化的第二主周期；22 a左右的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第三峰值，為該平均氣溫序列變化的第三主周期。

圖5 平均氣溫小波實(shí)部等值線圖

圖6 平均氣溫小波方差曲線

圖7 降水量小波實(shí)部等值線圖

圖8 降水量小波方差曲線

從降水量的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖7可以看出，多年降水量存在3～7 a、8～13 a、14～32 a左右的3類時(shí)間尺度的演變規(guī)律，在3類時(shí)間尺度上分別經(jīng)歷了19個(gè)、10個(gè)和6個(gè)高—低值時(shí)期交替變化的過(guò)程，在14～32 a的尺度下可以看出，1956年前虛線區(qū)域和2014年后實(shí)線區(qū)域都為閉合，表明在1956年之前可能為降水低值時(shí)期，2014年之后可能為高值時(shí)期。圖8中小波方差曲線存在3個(gè)峰值、最大峰值對(duì)應(yīng)著17 a左右的時(shí)間尺度，表明17 a左右的振蕩周期最強(qiáng)，是該降水量序列變化的第一主周期；第二大峰值為10 a左右時(shí)間尺度所對(duì)應(yīng)的方差，為該降水量序列變化的第二主周期；4 a左右的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第三峰值，為該降水量序列變化的第三主周期。

5 年內(nèi)變化分析

分析完各氣象要素的年際變化后，接下來(lái)對(duì)氣溫和降水量的年內(nèi)變化進(jìn)行分析，伊春氣象站多年平均氣溫以及降水量的年內(nèi)變化曲線如圖9和圖10所示。

從圖9可以看出，平均氣溫從10月開(kāi)始就進(jìn)入零下，最低達(dá)到1月份的-22.6 ℃，之后氣溫開(kāi)始回升，4月份開(kāi)始達(dá)到零上并且一直升高，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，平均值達(dá)到20.8 ℃，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從變化過(guò)程線的趨勢(shì)上可以知道平均最低氣溫和平均最高氣溫的年內(nèi)變化趨勢(shì)同平均氣溫是一致的。從圖10可以看出，降水量年內(nèi)分配存在豐、枯時(shí)期，6—9月為降水量豐沛的時(shí)期，該時(shí)期降水量占到全年總降水量的75.7%，其中7月份降水量最大，達(dá)到163.6 mm，8月份次之，為144.5 mm，從每年的10月到次年的5月為枯水時(shí)段，這也將影響湯旺河流域的徑流變化過(guò)程。

湯旺河流域內(nèi)四個(gè)水文站共12 a(2001—2012年)各月平均徑流變化如圖11所示。

圖9 氣溫年內(nèi)變化曲線

圖10 降水量年內(nèi)變化曲線

圖11 各水文站徑流過(guò)程年內(nèi)分配

由圖11可以看出，四個(gè)水文站年內(nèi)徑流過(guò)程變化趨勢(shì)基本一致，每年的1—3月流量相對(duì)較小，這與流域內(nèi)該時(shí)期的降水量少且氣溫低導(dǎo)致河流封凍有關(guān)，4、5月份，徑流快速增長(zhǎng)，雖然這段時(shí)期降水量有所增加但仍然較少，這個(gè)時(shí)期的徑流增大主要是因?yàn)闅鉁剡_(dá)到零上且持續(xù)升溫，大量積雪融化匯入河道，6—8月降水量逐漸增大直接導(dǎo)致徑流量增加，本研究中的四個(gè)站點(diǎn)，除了五營(yíng)水文站的最大月平均流量出現(xiàn)在7月份外，其余三個(gè)水文站(晨明、南岔、伊春)的最大月平均流量都出現(xiàn)在8月份，而9月份徑流量隨著降水的減少也有所減少，10月份開(kāi)始，各個(gè)地區(qū)氣溫逐漸達(dá)到零下，降水量減少，主要以降雪形式出現(xiàn)且形成積雪，河流開(kāi)始封凍，河道流量迅速減小，一直到次年4月份氣溫回升。

6 結(jié) 論

本研究采用伊春氣象站多年氣象數(shù)據(jù)資料以及湯旺河流域內(nèi)四個(gè)水文站徑流資料進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

(1)多年平均氣溫以0.35 ℃/10 a的速率波動(dòng)上升，且上升顯著(95%置信水平)，1986年之后上升趨勢(shì)減緩，速率為0.06 ℃/10 a，氣溫序列存在11 a左右的主周期。

(2)降水量以2.3 mm/10 a的速率波動(dòng)減少，下降趨勢(shì)不顯著(95%置信水平)，存在17 a左右的主周期，降水序列存在兩個(gè)突變點(diǎn)，分別是1963年和2011年，出現(xiàn)了三個(gè)多雨期和兩個(gè)少雨期，多雨期為1956—1963年、1984—1991年和2009—2014年，少雨期為1964—1983年和1992—2007年。

(3)流域內(nèi)每年10月—次年3月由于氣溫較低、河流封凍，導(dǎo)致徑流量很小，4—5月氣溫逐漸升高，流域內(nèi)積雪與河冰融化，致使徑流快速增長(zhǎng)，6—8月徑流量隨著降水量的增大而增大，9—10月降水量減少導(dǎo)致徑流量隨之減少。