海河流域降水量變化特征及趨勢分析

于洋李春麗夏達忠包鑫如

(1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

引言

降水是流域水文循環(huán)的重要組成環(huán)節(jié)，流域徑流量、地表水資源量、地下水資源量等的變化都受到降水量的影響。目前，由于氣候變化和人類活動的影響，降水時空分布已經(jīng)發(fā)生了變化，因此，對降水量變化趨勢進行分析顯得尤為重要，可為海河流域水旱災(zāi)害預(yù)測預(yù)報、水資源配置與調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)等提供科學(xué)依據(jù)[1,2]。

在水文時間序列趨勢分析方法中，常用的有累積距平法、線性回歸法、滑動t檢驗、游程檢驗法(輪次檢驗)、Mann-Kendall法。當(dāng)序列趨勢變化較明顯時，用累積距平、線性傾向等方法通過繪制有關(guān)變化曲線圖可直觀進行判斷；但趨勢變化不是較明顯時，有時用這種直觀判斷較為困難或者不夠可靠，這時就要借助統(tǒng)計檢驗的方法如游程檢驗法和Mann法進行判別[3-6]。

翟劭燚等[7]分析了海河流域1956—2006 年降水量的周期性變化，檢測出存在4a，7a，10a 和準24a的主周期變化。馬穎等[8]檢測了海河流域降水的歷史變化特征。徐志龍等[9]分析了1951—2005年海河流域汛期降雨量的時空變化特征。劉學(xué)鋒等[10]分析了過去47a海河流域降水極值的時空演變特征。王利娜等[11]、束美珍等[12]分析了海河流域近50a降水量的時空變化特征。鮑振鑫等[13]對海河流域60a降水量的變化及未來情景作了分析。王璐璐等[14]分析了不同等級降水時空分布變化特征及其影響。

海河流域(N35°～43°，E112°～120°)東臨渤海、西倚太行、南界黃河、北接蒙古高原，全流域地勢呈西北高東南低，大致分高原、山地及平原3種地貌類型，屬溫帶季風(fēng)氣候。海河流域包括7大河系，分別為灤河河系、北三河系、永定河系、大清河系、子牙河系、漳衛(wèi)河系和徒駭馬頰河系。其行政區(qū)劃涉及京、津、冀、晉、蒙、豫、魯、遼等8個省(自治區(qū)、直轄市)，總面積31.82萬km2。近年來，氣候變化加上經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，海河流域水安全形勢發(fā)生顯著變化，水旱災(zāi)害損失嚴重、水資源短缺嚴重、地下水超采嚴重、水環(huán)境污染嚴重、水生態(tài)損害嚴重。海河流域?qū)儆趪乐刭Y源型缺水流域，人均、每667m2平均水資源占有量遠低于國際公認的嚴重缺水警戒線。因此，研究海河流域降水量的變化特征及其趨勢分析尤為重要。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用了海河流域2006—2018年約1740個雨量站的逐日降水量資料。數(shù)據(jù)資料來源于海河流域水文年鑒，具有良好的完整性、可靠性和一致性。選擇的站點站網(wǎng)密度和空間分布能夠控制整個海河流域，同時使得流域面降雨量更具代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 特征值

采用均值、標準差、變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs對水文序列特征值進行分析。

1.2.1.1 均值

均值取基準期氣候均值和多年平均值2類均值，基準期氣候期均值以3個氣候期為討論時段，1961—1990年，該基準期是目前國際上研究氣候變化時使用的基準氣候期；1971—2000年；1981—2010年；后2個基準期是最新的時段。本文采用多年平均值。

均值計算公式：

(1)

1.2.1.2 標準差

標準差是刻畫觀測數(shù)據(jù)頻率分布離散程度的最重要物理量，計算方法：

(2)

(3)

1.2.1.3 變差系數(shù)Cv

變差系數(shù)Cv的計算公式：

(4)

反映了年(或季、月)水文要素總體系列離散程度，Cv值越大，水文要素的年(或季、月)際變化就越大。

1.2.1.4 偏態(tài)系數(shù)Cs

偏態(tài)系數(shù)Cs是水文時間序列分布不對稱程度的統(tǒng)計參數(shù)，偏態(tài)系數(shù)絕對值越大，偏斜越嚴重。計算方法：

(5)

式中，當(dāng)偏態(tài)系數(shù)=0，表明隨機變量相對于均值是對稱分布的；當(dāng)偏態(tài)系數(shù)>0，是正偏分布，表示隨機變量大于平均值比小于平均值的機率少；當(dāng)偏態(tài)系數(shù)<0，是負偏分布，表示隨機變量大于平均值的機率比小于平均值的機率多。

1.2.2 特征值分析

本文采用線性趨勢進行趨勢分析，其特點是簡潔方便易于理解。用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示所對應(yīng)的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸[15]。

(6)

該式可以看作是一種特殊的、最簡單的線性回歸形式。其含義是用一條合理的直線表示x與其時間t之間的關(guān)系。由于式(6)右邊的變量是x對應(yīng)的時間t，而不是其它變量，因此這一方法屬于時間序列分析范疇。式中a是回歸嘗試，b是回歸系數(shù)。a和b可以用最小二乘估計得到。

(7)

統(tǒng)計參數(shù)S：

S=b/σ

(8)

相關(guān)系數(shù)r表示變量與時間t之間線性相關(guān)的密切程度。當(dāng)r=0時，回歸系數(shù)b為0，即用最小二乘估計確定的回歸直線平行于x軸，說明x的變化與時間t無關(guān)；當(dāng)r>0時，b>0，說明x隨時間t的增加呈上升趨勢；當(dāng)r<0時，b<0，說明x隨時間t的增加呈下降趨勢；|r|越接近0，x與t之間的線性相關(guān)就越小。反之，|r|越接近1，x與t之間的線性相關(guān)就越密切。當(dāng)然，要判斷變化趨勢的程度是否顯著，就要對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗。確定顯著性水平α，若|r|>|rα|，表明x隨時間t的變化趨勢是顯著的，否則表明變化趨勢是不顯著的。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 特征值

海河流域月降水量統(tǒng)計部分參數(shù)變化如圖1所示；海河流域月降水量統(tǒng)計特征參數(shù)詳見表1。

表1 海河流域月降水量統(tǒng)計參數(shù)

圖1a是月降水量多年均值的變化曲線及最大最小值，其中橫線是多年年平均降水量，主要降水月份(6—9月)的總降水占全年降水的77.3%，月降水量多年均值最大的月份為7月，142.1mm；最小的月份為1月，1.7mm。

圖1b是月降水量標準差的變化曲線，標準差最大是7月，最小是1月。對照降水的年內(nèi)分布，可以看到，降水量大的月份，標準差較大；降水量小的月份，標準差也偏小。

圖1c是月降水量變差系數(shù)的變化曲線，變差系數(shù)代表了數(shù)據(jù)的離散程度?？梢钥吹?，5—9月變差系數(shù)相對較小，表明汛期降水量較為集中。變差系數(shù)最大是11月，1.21；最小的是8月，0.24。

圖1d是月降水量偏態(tài)系數(shù)的變化曲線，從圖中可以看出大部分月份的偏態(tài)系數(shù)均為正偏，偏態(tài)系數(shù)較大的月份是1月、3月、4月、10月、11月、12月，這說明在這幾個月份降水量大的事件較少，而降水量小的事件較多，存在負偏態(tài)系數(shù)的有7月、8月，說明7月、8月降水量大的事件偏多，這與實際情況吻合。

圖1 海河流域月降水量統(tǒng)計部分參數(shù)變化過程

2.2 趨勢分析

海河流域逐月降水量時間序列見圖2，紅色點直線是趨勢線。從圖2分析可得，1月、4月、7月、10月、11月呈現(xiàn)增加趨勢；3月、5月、6月、9月、12月呈現(xiàn)減少趨勢。

圖2 海河流域1—12月降水量的年際變化

海河流域季度降水量時間序列圖見圖3，紅色點直線是趨勢線。從圖3中分析可得，夏季降水量呈現(xiàn)明顯增加趨勢；秋季降水量呈現(xiàn)微弱增加趨勢；春季和冬季降水量呈現(xiàn)微弱減少趨勢。

圖3 海河流域季度降水量的年際變化

3 結(jié)語

本文通過對海河流域2006—2018年的降水量進行特征值統(tǒng)計分析和線性趨勢分析，獲取了不同時間尺度的變化特點和變化趨勢，可以得出如下結(jié)論。

近13a來，海河流域的降水量主要集中在6—9月，其中7月降水量最大，1月降水量最小。

根據(jù)海河流域逐月降水量時間序列圖分析得出，1月、4月、7月、10月、11月呈現(xiàn)增加趨勢；3月、5月、6月、9月、12月呈現(xiàn)減少趨勢。根據(jù)海河流域季度降水量時間序列圖，發(fā)現(xiàn)夏季降水量呈現(xiàn)明顯增加趨勢；秋季降水量呈現(xiàn)微弱增加趨勢；春季和冬季降水量呈現(xiàn)微弱減少趨勢。

本文采用單變量趨勢檢驗分析方法得出了流域的降水趨勢，由于前期水文年鑒數(shù)據(jù)沒有數(shù)字化，本文使用2006—2018年的數(shù)據(jù)對序列整體趨勢和每個成分趨勢的認識可能存在局限性；本文結(jié)論僅作為海河流域近年來的降水量變化趨勢研究的參考。