牤牛河流域近60年降水時空演變特征分析

佟大千

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110000)

1 流域概況

牤牛河是大凌河的一條主要支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古敖漢旗南營子，流域面積2795km2，河長136km，流經(jīng)阜新市、北票市，于北票市下府鄉(xiāng)注入大凌河。流域內(nèi)多丘陵山區(qū)，大部分開發(fā)為耕地，植被較差，水土流失嚴(yán)重，洪水時陡漲陡落，含沙量較大，河床來回擺動，兩岸為石崖或土崖，洪水時塌岸比較嚴(yán)重，近年來為加固河床，在河道兩邊的沙灘上造林較多。牤牛河直接匯入白石水庫，入庫前牤牛河控制站為九連洞水文站。河流域?qū)儆跍貛喐珊禋夂騾^(qū)，大陸性氣候較為明顯，四季分明，冬寒降水少，夏熱雨水多，多年平均氣溫7～9.5℃，北部低南部高。多年平均蒸發(fā)量1700～1930mm(20cm蒸發(fā)皿)，南部小北部大。流域多年平均降水量在430～630mm之間，北部少南部多，降水時空分布不均，年內(nèi)分配極不均勻，4—5月占全年的12%，汛期6—9月占全年的80%，10—11月占全年的6.5%，其它月份占全年的1.5%，汛期降水量集中在7—8月，尤以7月最多。就一次降水而言，多局部短暫暴雨，次暴雨歷時一般為1—2天，主雨集中于6～24h。近些年來，不少研究成果表明[1- 6]，受氣候變化影響區(qū)域降水量呈現(xiàn)較為明顯的變化，通過對降水量時空變化的分析，有助于分析區(qū)域水資源變化的影響因素。牤牛河屬于遼寧西部主要河流，是遼西水資源重要組成部分，為探討流域降水的變化特征，本文選用當(dāng)前在國內(nèi)降水變化特征分析較為成熟的M-K非線性顯著檢驗方法[7- 12]和突變分析方法[13]，結(jié)合牤牛河流域15個雨量站點近60年實測降水?dāng)?shù)據(jù)對其降水變化時空變化特征進(jìn)行分析。

2 變化特征分析方法

2.1 顯著性檢驗方法

采用M-K非線性顯著檢驗方法對降水變化特征進(jìn)行顯著變化特征的分析。該方法將長系列的降雨序列作為樣本序列對其統(tǒng)計變量S進(jìn)行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—降雨樣本序列顯著性檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj—來自同一個樣本總體的兩個降雨樣本數(shù)據(jù)系列；σs—方差標(biāo)準(zhǔn)計算值；sign—計算變量；n—總的樣本序數(shù)；Z—檢驗特征變量，當(dāng)Z>0則表示降雨呈現(xiàn)遞增變化趨勢，否則呈現(xiàn)遞減變化趨勢，當(dāng)|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達(dá)到99%、95%以及90%的置信水平。

2.2 突變點分析

對降雨樣本數(shù)據(jù)序列采用統(tǒng)計變量ck對其突變點進(jìn)行分析，分析方程為：

(5)

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

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—降雨序列樣本xi>xj(1≤j≤i)的統(tǒng)計值；E(ck)—變量統(tǒng)計值ck的均值；σ(ck)—變量統(tǒng)計值ck的方差；UFk—統(tǒng)計值ck的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換值。對樣本序列進(jìn)行逆序計算其統(tǒng)計變量ck的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換值，即為|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果正序和逆序計算曲線在置信范圍出現(xiàn)交點，則可判定出現(xiàn)突變特征點。

3 不同時間尺度下的降雨變化趨勢分析

3.1 年尺度降雨變化特征分析

基于牤牛河流域內(nèi)15個降雨站點1960—2020年近60年的降雨數(shù)據(jù)系列，結(jié)合面積加權(quán)方法對柳河面平均降水進(jìn)行計算，得到60年年降水量的變化特征進(jìn)行趨勢檢驗和突變特征分析，分析結(jié)果如圖1所示，見表1。

從牤牛河流域年尺度降水變化特征分析結(jié)果可看出，從1960—2020年牤牛河流域年降水量總體呈現(xiàn)遞減變化趨勢，但趨勢較弱，從表1不同年代際降水變化趨勢檢驗結(jié)果可看出，近60年牤牛河年降水變化趨勢檢驗統(tǒng)計值為-0.6256，其絕對值低于1.28，未通過90%的顯著性檢驗，從其他年代際降水變化趨勢檢驗結(jié)果可看出，1960—1969年牤牛河降水呈現(xiàn)較為明顯的遞減趨勢，其變化趨勢檢驗值為-1.4523，絕對值高于1.28，達(dá)到90%的顯著性檢驗水平。1970—1979年降水變化趨勢檢驗值為1.3925，達(dá)到90%的顯著遞增變化趨勢。1990—1999年以及2000—2009年降水呈現(xiàn)弱遞增和弱遞減變化趨勢，2010—2020年降水呈現(xiàn)弱遞增變化趨勢。從近60年降水突變特征可看出，牤牛河流域降水突變年份主要為1960—1969年和2010—2020年，降水均呈現(xiàn)低到高的遞增突變。

3.2 月尺度降雨變化特征分析

考慮到牤牛河流域汛期和非汛期尺度降雨變化差異性較大，在年降水量變化特征分析的基礎(chǔ)上對其月尺度降水趨勢以及突變特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

從牤牛河月尺度降水變化過程可看出，近60年牤牛河汛期降水總體呈現(xiàn)遞減變化，而非汛期降水總體呈現(xiàn)遞增變化，汛期和非汛期降水的變化趨勢檢驗絕對值均低于1.28，為達(dá)到90%的顯著性檢驗水平。從汛期降水突變特征可看出，其和年降水突變年份較為一致，這主要是因為牤牛河流域降水主要集中在汛期，汛期降水占年降水的比例超過70%，因此其降水突變特征和年降水突變較為一致，主要集中在1960—1969年和2010—2020年，降水突變特征也較為一致，這兩個年代汛期降水突變均體現(xiàn)為由低到高的變化特征。從牤牛河非汛期降水突變特征可看出，突變年份主要集中在1990—1999年和2000—2009年，這兩個年代非汛期降水變化較為明顯，其中1990—1999年非汛期降水突變主要從低到高的變化，2000—2009年非汛期降水突變主要從高到低的變化。

圖1 牤牛河流域年尺度降水變化特征分析結(jié)果

表1 牤牛河流域不同年代際降水變化趨勢檢驗結(jié)果

圖2 牤牛河流域月尺度降水量變化趨勢及突變特征分析

4 降雨空間變化趨勢分析

對牤牛河流域各年代際降水量均值空間演變特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

從各年代際牤牛河流域降水空間分布結(jié)果可看出，各年代際降水空間分布較為一致，總體呈現(xiàn)從南到北逐步遞減的空間變化趨勢。從各年代際降水空間分布過程可看出，呈現(xiàn)較為明顯的10年豐枯周期變化。1960—1969年，年降水量均值在600～700m的區(qū)域占比低于20%，主要集中在400～500mm之間，該年代也屬于牤牛河干旱少雨的一個年代際，區(qū)域在該年代也出現(xiàn)較為嚴(yán)重的干旱年份。1970—1979年，年降水量在200～300mm的區(qū)域有所減少，降水量相比于1960—1969年有明顯增多，總體處于降水偏豐年代際。1980—1989年，又進(jìn)入枯水年代際，降水量相比于1970—1979年明顯遞減，區(qū)域年降水量在300～400mm的區(qū)域占比超過60%。1990—1999年，降水增多進(jìn)入又一個10年豐水周期，且屬于各年代際降水量均偏多的一個年代，年降水量均值超過500mm的區(qū)域占比超過40%，屬于水量較為充沛的一個年代際。2000—2009年，降水量相比于1990—1999年明顯遞減，區(qū)域年降水量均值主要集中在300～400mm之間，且南部遞減的趨勢明顯高于北部區(qū)域，北部也屬于牤牛河受旱程度較大的區(qū)域。進(jìn)入2010年以后，區(qū)域降水量明顯增加，年降水量在500mm以上的區(qū)域降水量占比超過50%，且北部干旱易發(fā)區(qū)的降水量也有所增加。從牤牛河降水空間演變可看出，在2020年以后牤牛河區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入枯水變化周期，應(yīng)提前做好區(qū)域農(nóng)村灌溉供水儲備，做好水庫蓄水調(diào)度規(guī)劃，重點對北部干旱易發(fā)區(qū)增加引水措施規(guī)劃。

圖3 牤牛河流域不同年代際降水空間分布

5 結(jié)論

(1)牤牛河流域非汛期降水量呈現(xiàn)遞增變化，建議加大非汛期流域內(nèi)水庫的調(diào)蓄水量，降低非汛期內(nèi)用水量，做好水量儲備。

(2)在2020年以后牤牛河區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入枯水變化周期，應(yīng)提前做好區(qū)域農(nóng)村灌溉供水儲備，做好水庫蓄水調(diào)度規(guī)劃，重點對北部干旱易發(fā)區(qū)增加引水措施規(guī)劃。

(3)本文對牤牛河流域降水變化的成因還未進(jìn)行研究，在后期還應(yīng)對流域內(nèi)降水變化成因尤其是環(huán)流特征進(jìn)行深入探討。