松花江流域極端氣象水文要素分析

章曉夢(mèng)，郝 潔，鞠 琴*，蕭峻瓊,次旦多杰，陳 璽

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098;2. 水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000;3. 西藏水文水資源勘測(cè)局林芝水文水資源分局, 西藏 林芝 860000;4. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010)

松花江流域內(nèi)各地區(qū)有顯著的氣候差異，且降水空間分布不均勻[1]。任國(guó)玉等[2]的研究指出，東北偏高緯度地區(qū)的降水量呈增加或者不明顯變化趨勢(shì)。曹小磊等[3]研究結(jié)果表明氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，降水量和徑流量呈不顯著下降趨勢(shì)，影響天然徑流的主要?dú)庀笠厥墙邓?。袁杰等[4]研究結(jié)果表明松花江各流域年徑流量均有下降的趨勢(shì)。已有學(xué)者針對(duì)極端氣候事件定義方法、極端降水事件規(guī)律特點(diǎn)進(jìn)行研究[5-8]。目前針對(duì)松花江流域氣候變化的研究大部分集中在單個(gè)氣象、水文要素，如降水、氣溫或徑流的研究，缺少對(duì)極端氣象水文要素變化的分析以及其成因的研究。

本文擬以1961—2018年間松花江流域39個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降水觀測(cè)資料，以及1961—2018年間松花江流域佳木斯、大賚、扶余3個(gè)水文站點(diǎn)的日徑流量資料為研究對(duì)象，采用趨勢(shì)分析法、Mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法、Mann-kendall突變檢驗(yàn)法、克里金插值法、皮爾遜相關(guān)系數(shù)等方法進(jìn)行松花江流域極端降水和極端徑流的時(shí)空變化規(guī)律和變異點(diǎn)診斷，分析松花江流域及各子流域極端氣象水文特征以及極端降水與極端徑流事件的關(guān)聯(lián)性，為該流域極端氣象水文事件的預(yù)測(cè)及防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

松花江流域位于中國(guó)東北的北部地區(qū)，其經(jīng)緯度范圍為北緯41°42′至51°38′、東經(jīng)119°52′至132°31′，流域內(nèi)有內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林三個(gè)省份，總流域面積為55.68×104km2。將松花江流域分為松花江干流流域、二松流域、嫩江流域三個(gè)子流域進(jìn)行分析，選擇流域內(nèi)39個(gè)氣象站點(diǎn)及3個(gè)具有代表性的水文站點(diǎn)，3個(gè)水文站分別為嫩江的大賚站、第二松花江的扶余站以及松花江干流的佳木斯站。松花江流域站點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

注：Ⅰ：松花江干流流域，Ⅱ：第二松花江流域，Ⅲ：嫩江流域。圖1 松花江流域站點(diǎn)分布圖Fig.1 Site distribution map in Songhua River Basin

所用降水?dāng)?shù)據(jù)為中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的1961—2018年的逐日降水實(shí)測(cè)資料。對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行篩選和質(zhì)控處理，并對(duì)存在降水?dāng)?shù)據(jù)缺失的日期進(jìn)行了剔除，最終提取出所選39個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)信息，得到了完整連續(xù)的逐日降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為佳木斯、扶余、大賚水文站1961年1月1日—2018年12月31日的逐日徑流數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

世界氣象組織氣候委員會(huì)等組織成立了氣候變化監(jiān)測(cè)和指標(biāo)專家組，并定義了27個(gè)典型氣候指數(shù)，包括16個(gè)氣溫指數(shù)和11個(gè)降水指數(shù)[9]，目前這些指數(shù)已被廣泛應(yīng)用于極端氣候研究。本文選取其中11個(gè)降水指數(shù)(表1)進(jìn)行研究。極端徑流事件采用洪量作為標(biāo)準(zhǔn)，用最大1日洪量、最大3日洪量、最大7日洪量、最大15日洪量、最大30日洪量作為標(biāo)準(zhǔn)[10](表2)。

運(yùn)用趨勢(shì)分析法、Mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法[11]對(duì)極端降水指數(shù)和極端徑流指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，采用克里金插值繪制極端降水指數(shù)的空間分布圖，采用Mann-kendall突變檢驗(yàn)法[11]得到各極端指數(shù)的突變點(diǎn)，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析極端降水與極端徑流的關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié)果分析

2.1 極端降水要素

2.1.1 極端降水要素的空間分布特征

松花江流域的極端降水指數(shù)空間分布特征見(jiàn)圖2。強(qiáng)度指數(shù)中，降水強(qiáng)度(SDII)分布較均勻，最大降水強(qiáng)度9.14 mm/d出現(xiàn)在長(zhǎng)春，最小降水強(qiáng)度7.49 mm/d出現(xiàn)在富錦，其余強(qiáng)度指數(shù)在松花江干流流域由西向東先增加再減小，第二松花江流域由西南向東北部逐漸減小，嫩江子流域由西南向東北呈先增加后減小趨勢(shì)，Rx1day、Rx5day這兩個(gè)強(qiáng)度指數(shù)的最大值均出現(xiàn)在流域最南部，分別為67.99 mm和107.69 mm。

表1 極端降水指數(shù)定義

表2 極端徑流指數(shù)定義

絕對(duì)指數(shù)中，在嫩江子流域，R1和R10指數(shù)由東南向西北呈增加趨勢(shì)，R20指數(shù)由東南向西北先增大后減?。辉诘诙苫ń退苫ń闪鞲浇?，三個(gè)絕對(duì)指數(shù)的分布特征相同，呈中南部大，西部、東部小的分布特點(diǎn)。

持續(xù)指數(shù)中，持續(xù)干旱指數(shù)和持續(xù)濕潤(rùn)指數(shù)是長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)降雨情況的反映，其中持續(xù)干旱指數(shù)反映長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)降雨的情況，是研究干旱的方法之一[12]。持續(xù)干期(CDD)與持續(xù)濕期(CWD)、年總降水量(PRCPTOT)呈完全相反的空間分布，CDD指數(shù)在嫩江子流域呈南部大、北部小的趨勢(shì)，在二松子流域及松花江干流子流域呈南部小、北部大的分布趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在嫩江流域南部的富錦，約達(dá)75.07 d，最小值出現(xiàn)在第二松花江流域南部的東崗，為27.84 d。

相對(duì)指數(shù)在嫩江流域從東南到西北呈增大趨勢(shì)，在松花江干流和第二松花江附近從西到東先增大后減小，從南到北先減小后增大。

極端降水指數(shù)存在區(qū)域性差異，除CDD和SDII外，其余指數(shù)的分布特征均呈現(xiàn)出第二松花江流域?yàn)楦咧祬^(qū)，松花江干流流域次之，嫩江流域?yàn)榈椭祬^(qū)。說(shuō)明在松花江流域，嫩江流域降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度較小，第二松花江流域極端降水事件強(qiáng)度高且持續(xù)性強(qiáng)，應(yīng)成為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象。

2.1.2 極端降水要素的空間趨勢(shì)分布

極端降水要素在不同空間的趨勢(shì)性反映了其變化趨勢(shì)的總體規(guī)律，可借助M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)松花江流域各極端降水指標(biāo)的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，其空間分布情況如圖3所示。松花江流域極端降水事件表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。

強(qiáng)度指數(shù)是一個(gè)衡量是否發(fā)生洪澇災(zāi)害的重要指標(biāo)，23個(gè)站點(diǎn)的Rx1day指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中5個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；有21個(gè)站點(diǎn)的Rx5day指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，18個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；25個(gè)站點(diǎn)的SDII指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，14個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。Rx1day、Rx5day、SDII三個(gè)強(qiáng)度指數(shù)顯著增加的站點(diǎn)大多分布在嫩江子流域南部和松花江干流子流域西部，且最大增幅均出現(xiàn)在明水站。

圖2 極端降水指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation index

絕對(duì)指數(shù)中，R10指數(shù)趨于增加站點(diǎn)數(shù)為27個(gè)，僅有安達(dá)站變化趨勢(shì)通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；R20指數(shù)趨于增加站點(diǎn)數(shù)為25個(gè)，僅有安達(dá)站和白城站變化趨勢(shì)通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；有29個(gè)站點(diǎn)的R1指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中5個(gè)站點(diǎn)呈顯著上升趨勢(shì)。與下降趨勢(shì)相比，絕對(duì)指數(shù)在松花江流域的上升趨勢(shì)更加明顯，但變化趨勢(shì)并不顯著，大多呈微弱上升趨勢(shì)。

持續(xù)指數(shù)中，僅有5個(gè)站點(diǎn)的CDD指數(shù)呈微弱上升趨勢(shì)，34個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，呈顯著下降趨勢(shì)站點(diǎn)主要分布在嫩江流域中部和松花江干流流域北部；有19個(gè)站點(diǎn)的CWD指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，20個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；年總降水量(PRCPTOT)趨于增加的站點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，僅有7個(gè)站點(diǎn)PRCPTOT指數(shù)趨于減小，大多集中在嫩江流域南部，代表松花江流域整體降水量有所增加。

相對(duì)指數(shù)中，19個(gè)站點(diǎn)的R95pTOT指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中4個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，22個(gè)站點(diǎn)的R99pTOT指數(shù)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中4個(gè)站點(diǎn)呈顯著上升趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，同一個(gè)極端降水指標(biāo)在不同時(shí)間段和不同區(qū)域的變化趨勢(shì)均不同，體現(xiàn)了極端降水事件在時(shí)間和空間上的復(fù)雜性和差異性。

2.1.3 極端降水要素的突變分析

掌握徑流演變規(guī)律，除分析其總體趨勢(shì)外，還必須判斷并檢驗(yàn)突變發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)以及變化幅度[13]。水文學(xué)或氣候?qū)W上的突變是指系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象[14]。借助M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)松花江流域三個(gè)子流域1961—2018年的極端降水指數(shù)進(jìn)行突變分析，突變分析結(jié)果見(jiàn)表3。

在松花江干流流域，強(qiáng)度指數(shù)和絕對(duì)指數(shù)無(wú)突變點(diǎn)，持續(xù)指數(shù)CDD、CWD、PCRPTOT的突變年份分別為1998年、1972年、1963年，相對(duì)指數(shù)R95pTOT、R99pTOT的突變年份為1964和1966年左右；二松流域僅有持續(xù)干期CDD指數(shù)在1967年有明顯突變；嫩江流域的強(qiáng)度指數(shù)中的Rx1day、Rx5day指數(shù)分別在1970年、1963年發(fā)生突變；整個(gè)松花江流域各極端降水指數(shù)中僅有Rx5day和CDD指數(shù)分別在1964年和1993年左右開(kāi)始突變。松花江流域及各子流域在突變點(diǎn)后的指數(shù)序列均為突變減小的過(guò)程，各指數(shù)的突變時(shí)間表現(xiàn)出明顯的空間差異性。

圖3 極端降水指數(shù)空間趨勢(shì)分布Fig.3 Spatial trend distribution of extreme precipitation index

表3 極端降水指數(shù)突變檢驗(yàn)

2.2 極端徑流要素

不同時(shí)間尺度下年最大洪量的變化趨勢(shì)和突變年份相近，見(jiàn)表4，佳木斯站、扶余站、大賚站1961—2018年各極端徑流指數(shù)M-K檢驗(yàn)的臨界值|Z|均小于1.96，未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，在佳木斯站和大賚站呈微弱下降趨勢(shì)，在扶余站Rx1day、Rx3day指數(shù)呈微弱下降趨勢(shì)，Rx7day、Rx15day、Rx30day指數(shù)呈微弱上升趨勢(shì)，各指數(shù)總體變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。圖4以年最大7日洪量(Rx7day)為例分析各水文站變化趨勢(shì)和突變情況。

三個(gè)水文控制站中佳木斯站和大賚站極端徑流量較大，扶余站的徑流量較小。從圖4可以看出，佳木斯站RX7day指數(shù)M-K檢驗(yàn)圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，其中1967年為突變點(diǎn)，在1976年左右UF曲線超過(guò)了置信曲線，指數(shù)值有一個(gè)突變減小的過(guò)程，其余交點(diǎn)可以看出RX7day有突變減小的趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)尚未達(dá)到0.05顯著性水平；指數(shù)值年際變化較大，在20世紀(jì)60年代至80年代初呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代至2000年左右呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)初呈現(xiàn)減少再增加的趨勢(shì)。

扶余站RX7day指數(shù)M-K檢驗(yàn)圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，但UF曲線從未超過(guò)置信曲線，代表RX7day指數(shù)在扶余站無(wú)突變點(diǎn)，指數(shù)值呈波動(dòng)性變化，總體變化趨勢(shì)不明顯。

表4 極端徑流指數(shù)趨勢(shì)及突變

圖4 最大7日降水量(Rx7day)突變分析Fig.4 Mutation test of Rx7day

大賚站RX7day指數(shù)M-K檢驗(yàn)圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，其中突變點(diǎn)為1964年，在1975年左右UF曲線超過(guò)了置信曲線，徑流量有一個(gè)突變減小的過(guò)程。在置信區(qū)間外UF曲線和UB曲線交于1983年，說(shuō)明在該點(diǎn)RX7day指數(shù)有增加的趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)沒(méi)有達(dá)到突變的水平，因此不是突變點(diǎn)；指數(shù)值年代際變化幅度較大，20世紀(jì)50年代至80年代初、21世紀(jì)以后相對(duì)減少，20世紀(jì)80年代至2000年相對(duì)增加。

嫩江流域和松花江全流域的強(qiáng)度指數(shù)均在20世紀(jì)60年代發(fā)生突變，其控制站大賚站和佳木斯站的年最大洪量也于20世紀(jì)60年代發(fā)生突變。在二松流域，1953年豐滿水庫(kù)開(kāi)始進(jìn)行人工調(diào)節(jié)之后，對(duì)大洪水洪峰的削減效果十分顯著，對(duì)防洪起到了很大作用，因此扶余站極端徑流指數(shù)的年代際變化不明顯，且無(wú)突變點(diǎn)。

2.3 極端降水和極端徑流事件的關(guān)聯(lián)性

根據(jù)極端徑流指數(shù)所定義的年最大1、3、7、15、30日洪量，取其中相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間尺度，分析松花江流域在時(shí)間尺度為7日、15日、30日時(shí)極端降水和徑流事件兩者間的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)松花江流域不同時(shí)間尺度下的年最大降水量與年最大洪量進(jìn)行相關(guān)性分析。由表5可知，在松花江流域，各極端降水指數(shù)和極端徑流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)99%置信度檢驗(yàn)，表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明這兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，極端降水量的變化必然帶來(lái)極端徑流量的變化。在各控制站所對(duì)應(yīng)流域范圍內(nèi)，年最大30天降水量與年最大30天洪量表現(xiàn)出最為顯著的關(guān)聯(lián)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.678、0.713、0.807。時(shí)間尺度為30天的極端降水和極端徑流的關(guān)聯(lián)性最為明顯，說(shuō)明松花江流域面積較大，支流較多，匯流時(shí)間較長(zhǎng)，所以隨著時(shí)間尺度的增大，其極端降水與極端徑流的相關(guān)性更加顯著。

表5 極端降水與極端徑流相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

本文基于1961—2018年松花江流域39個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降水資料和3個(gè)水文站點(diǎn)逐日流量資料，對(duì)極端降水要素和極端徑流要素的變化趨勢(shì)、時(shí)空分布特征及關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析。

1)松花江流域極端降水指數(shù)值變化規(guī)律呈現(xiàn)出區(qū)域差異性，除持續(xù)干期CDD和降水強(qiáng)度SDII外，其余指數(shù)的分布特征均呈現(xiàn)出第二松花江流域?yàn)楦咧祬^(qū)，松花江干流流域次之，嫩江流域?yàn)榈椭祬^(qū)。各控制水文站極端徑流指數(shù)變化趨勢(shì)均未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，且僅扶余站極端徑流指數(shù)未出現(xiàn)突變點(diǎn)。

2)反映強(qiáng)降水量的極端降水指數(shù)在大部分地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，但極端徑流指數(shù)卻大多表現(xiàn)為減少趨勢(shì)或不顯著上升趨勢(shì)，未顯示出同步變化趨勢(shì)。降水量與徑流量之間關(guān)系密切，但復(fù)雜的氣象活動(dòng)和大壩、水庫(kù)等水利工程的修建都是出現(xiàn)該現(xiàn)象的重要影響因素，例如二松流域上的豐滿水庫(kù)會(huì)使徑流過(guò)程逐漸改變，從而影響極端徑流事件的演變規(guī)律，導(dǎo)致在極端降水增加的情況下，極端徑流指數(shù)卻呈減少趨勢(shì)。

3)不同時(shí)間尺度下各極端降水指數(shù)與極端徑流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)，由于松花江流域面積較大，支流較多，匯流時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)間尺度為30天時(shí)，極端降水與極端徑流表現(xiàn)出最為顯著的關(guān)聯(lián)性。