1968—2017年石羊河流域降水演變特征及趨勢(shì)分析

寧學(xué)鵬

(甘肅省武威水文水資源勘測(cè)局，甘肅 武威 733000)

1 研究背景

目前，我國(guó)中西部地區(qū)氣候干旱、蒸發(fā)量大、降水量少、時(shí)空分布不均已成為普遍存在的問(wèn)題。近年來(lái)，人們對(duì)降水變化的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行了研究，降水的變化特征和趨勢(shì)及其對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響已成為世界各國(guó)科學(xué)家廣泛關(guān)注的問(wèn)題。降水也是水循環(huán)中重要環(huán)節(jié)，而水文時(shí)間序列包括確定性部分和隨機(jī)部分。研究水文時(shí)間序列趨勢(shì)是揭示其內(nèi)在規(guī)律的關(guān)鍵，具有重要意義。

石羊河流域位于甘肅省河西走廊的東段，蘭州以北。它是中國(guó)這一地區(qū)最早被開(kāi)發(fā)的盆地之一，被認(rèn)為是中國(guó)西北地區(qū)被過(guò)度開(kāi)發(fā)的內(nèi)陸盆地之一。由于認(rèn)識(shí)到流域水資源壓力的不斷增加和環(huán)境的不斷惡化，該流域最近成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，采用計(jì)算距平及累計(jì)距平、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)法)相結(jié)合的方法對(duì)石羊河流域1968—2017年的降水變化趨勢(shì)進(jìn)行具體分析進(jìn)，以期探討石羊河流域降水量變化的歷史演變規(guī)律，為該流域地區(qū)的水文研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究流域概況

石羊河流域全長(zhǎng)達(dá)300km，流域總面積為4.16萬(wàn) km2。

流域上、中、下游的氣候特征差異顯著。石羊河的源頭發(fā)源于海拔2000～5000m的寒冷潮濕、半干旱的祁連山區(qū)，在武威盆地流入海拔1400～2000m的中游溫帶地段，然后在民勤盆地繼續(xù)流入海拔1000～1400m的下游暖溫帶。夏季，流域常年干旱少雨、炎熱，降雨集中在夏季；冬季，流域呈現(xiàn)極度干燥和寒冷的氣候條件，風(fēng)沙危害嚴(yán)重。流域內(nèi)年均降水量變化十分顯著，從上游至下游總體呈遞減趨勢(shì)，山區(qū)為200～700mm，武威盆地為150～300mm，民勤盆地不到100mm。相比之下，潛在的蒸發(fā)范圍從山區(qū)的700mm到沙漠平原的2600mm以上，從上游至流域下游干旱程度愈顯著。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文為更加客觀、科學(xué)地反映石羊河流域降水變化特征，既結(jié)合區(qū)域具體河流水系分布，又盡可能保證較長(zhǎng)觀測(cè)資料序列具有一致性，故選取研究流域內(nèi)8個(gè)代表雨量站點(diǎn)1968—2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。利用這8個(gè)站點(diǎn)降水量資料計(jì)算石羊河流域面雨量，并分析其演變特征。流域概況及站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 石羊河流域數(shù)字高程及雨量站點(diǎn)分布圖

本次研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)中地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(包含全國(guó)824個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù))。為了方便數(shù)據(jù)分析計(jì)算，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Python在原數(shù)據(jù)文件中提取所需8個(gè)站點(diǎn)20-20時(shí)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)序列，并對(duì)提取的流域氣象資料缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

2.3 研究方法

在時(shí)間序列分析方面，采用滑動(dòng)t平均法分析其變化規(guī)律，以10a滑動(dòng)區(qū)間來(lái)統(tǒng)計(jì)計(jì)算流域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的日平均降水量、雨日平均降水量、月平均降水日數(shù)、最大日降水量等指標(biāo)，通過(guò)距平累計(jì)法、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法相結(jié)合的方法對(duì)石羊河流域降水變化趨勢(shì)進(jìn)行具體分析。在空間尺度分析方面，利用地理信息處理系統(tǒng)(Arcgis)，采用樣條函數(shù)插值法進(jìn)行空間插值，通過(guò)石羊河流域日平均降水量空間分布圖來(lái)分析其降水空間分布特征。

滑動(dòng)平均法是一種通過(guò)時(shí)間序列的平滑值來(lái)表達(dá)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)趨勢(shì)擬合方法。時(shí)間序列數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均計(jì)算后，消除時(shí)間序列數(shù)據(jù)的偶然突變值，使其顯示出更加顯著的變化趨勢(shì)。

距平趨勢(shì)分析法是利用曲線變化比較直觀分析河流演變過(guò)程的科學(xué)方法。流域內(nèi)的降水量變化特征也常利用年降水量的距平累積曲線來(lái)表征。

M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法是一種對(duì)于樣本分布要求低且對(duì)少數(shù)異常值不敏感的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。利用檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)量Z值用來(lái)判斷序列的變化趨勢(shì)，Z>0表示序列呈增加趨勢(shì)，Z<0表示序列呈減少趨勢(shì)。若|Z|>= 1.64、1.96、2.58，則數(shù)據(jù)序列通過(guò)置信度為90、95%、99%的顯著性水平檢驗(yàn)。

樣條函數(shù)空間插值法是一種主要基于最小曲率面的控制點(diǎn)進(jìn)行擬合的數(shù)據(jù)處理方法。常用于水文氣象數(shù)據(jù)的空間插值處理。

3 降水變化特征分析

3.1 降水空間分布特征

根據(jù)樣條插值法所得雨季月平均降水量空間分布如圖2所示，雨季流域降水量自西南向東北方向逐漸減少，即自上游向下游出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，降水集中于門源和烏鞘嶺地區(qū)，武威、民勤地區(qū)降水量相對(duì)較少。

圖2 石羊河流域6—7月份實(shí)測(cè)降水空間分布圖

3.2 降水時(shí)間趨勢(shì)變化

從1968—2017年石羊河流域武威站年降水量的10a滑動(dòng)平均曲線如圖3所示，可以看出，武威站雨季降水量有明顯的上升趨勢(shì)，雨季降水日則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，說(shuō)明更多的降水量集中到了較少的降水日數(shù)里，降水強(qiáng)度增大。由于文章篇幅問(wèn)題，本文僅給出武威站10a滑動(dòng)雨季降水變化趨勢(shì)圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，民勤、門源、烏鞘嶺和景泰四站點(diǎn)雨季降水量均呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，永昌、武威和西寧則表現(xiàn)為明顯的上升趨勢(shì)，且基本整個(gè)流域站點(diǎn)都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，說(shuō)明石羊河流域雨季連續(xù)降雨日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這在側(cè)面也反映石羊河流域雨季降水強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。

圖3 1968—2017年武威站10年滑動(dòng)雨季降水變化趨勢(shì)

根據(jù)石羊河流域?yàn)跚蕩X站的雨季降水量及降水日數(shù)距平趨勢(shì)圖，如圖4所示，烏鞘嶺站20世紀(jì)80年代及之前的雨季降水量及降水日數(shù)都處于正距平階段，此時(shí)間段降水量值較多；20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，處于負(fù)距平階段，此時(shí)間段降水量較少。20世紀(jì)初至今，基本處于正距平階段，說(shuō)明站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量有上升趨勢(shì)。研究區(qū)域內(nèi)其他代表站點(diǎn)數(shù)據(jù)的距平趨勢(shì)與烏鞘嶺站類似，說(shuō)明該流域降水量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 1968—2017年烏鞘嶺雨季降水量及降水日數(shù)距平趨勢(shì)

M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可知， 1968—2017年石羊河流域內(nèi)民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)雨季多年平均降水量呈下降趨勢(shì)，靖遠(yuǎn)站|Z|>1.96，呈顯著下降；永昌、武威、烏鞘嶺和西寧雨季多年平均降水量呈上升趨勢(shì)，靖遠(yuǎn)站|Z|>1.96，呈顯著上升。同時(shí)，武威、民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)站的雨季降水日數(shù)的|Z|>1.96，故呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。綜合分析，石羊河流域內(nèi)大部分地區(qū)降水更加集中，增加了洪澇干旱風(fēng)險(xiǎn)。

表1 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果(Z值)

4 結(jié)論與討論

本文分析了石羊河流域的降水趨勢(shì)和變化特征，有利于了解該地區(qū)年降水量序列的總體變化趨勢(shì)及其雨季降水分布特征和變化規(guī)律，為該流域的中長(zhǎng)期水文變化趨勢(shì)估算和預(yù)報(bào)提供可靠的依據(jù)。依據(jù)1968—2017年石羊河流域日降水?dāng)?shù)據(jù)，流域降水分布特征及變化趨勢(shì)有以下特點(diǎn)：

(1)從石羊河流域降水空間分布情況可以發(fā)現(xiàn)，流域面上降水自上游至下游呈減少，雨量主要集中在門源及烏鞘嶺，武威、民勤地區(qū)相對(duì)較少，呈現(xiàn)出自西南方向向東北逐漸減少的變化趨勢(shì)。

(2)根據(jù)石羊河流域降水時(shí)間序列分布情況顯示各站點(diǎn)變化情況有明顯的階段分布特征。雨季的降水量主要分為三個(gè)階段：多-少-多；永昌、武威和西寧地區(qū)雨季降水量有較為明顯的上升，而靖遠(yuǎn)地區(qū)則呈現(xiàn)相反趨勢(shì);武威、民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)地區(qū)的雨季降水總?cè)諗?shù)顯著減少，降雨強(qiáng)度變大?？傮w上，石羊河流域降水有更集中的發(fā)展趨勢(shì)。