遼寧省各分區(qū)徑流深的時間特性分析

陳麗

（沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧沈陽 110036）

遼寧省地處亞洲東部沿海和太平洋西北岸，屬溫帶半濕潤和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)；西北部與蒙古高原接壤，又受遼東半島和山東半島夾持及東部山區(qū)阻隔，為明顯的大陸性氣候，省內(nèi)水資源的分配和利用對地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著很大的影響。下文依據(jù)氣象地理區(qū)劃，將遼寧省劃分為遼北地區(qū)、遼西地區(qū)、中部平原、遼東地區(qū)、遼南地區(qū)五部分，采用相對變率、趨勢系數(shù)及小波分析等方法，對各分區(qū)徑流深的時間特性進(jìn)行分析。通過計(jì)算，結(jié)果表明徑流深穩(wěn)定性最差的為遼西地區(qū)，其次為遼南地區(qū)，穩(wěn)定性最好的為遼東地區(qū)。各區(qū)徑流深序列均呈下降趨勢，遼南地區(qū)徑流深的趨勢系數(shù)（-0.29）通過了0.05的信度檢驗(yàn)，遼西地區(qū)的趨勢系數(shù)（-0.21）通過了0.1的信度檢驗(yàn)，其他地區(qū)的下降趨勢不顯著。通過小波周期分析，各分區(qū)的徑流深均存在10年左右周期及25年左右較大尺度周期，且10年左右周期的信號強(qiáng)度普遍大于25年左右周期的信號強(qiáng)度。

1 基本資料

分析所用的徑流深資料來自于遼寧省第三次水資源評價成果，資料系列為1956—2016年，共計(jì)61年。遼北地區(qū)包括鐵嶺市及沈陽市的康平縣和法庫縣，遼西地區(qū)包括阜新市、朝陽市、錦州市及葫蘆島市，中部平原包括沈陽市（除去康平縣、法庫縣）、遼陽市、鞍山市（除去岫巖縣）及盤錦市，遼東地區(qū)包括撫順市、本溪市、丹東市及鞍山市的岫巖縣，遼南地區(qū)包括營口市及大連市。各分區(qū)的徑流深數(shù)據(jù)及10年滑動平均情況如圖1所示，由圖1可以看出，各分區(qū)的徑流深呈現(xiàn)豐枯交替的狀態(tài)，且從線性趨勢線可以看出各個分區(qū)的徑流深整體上均有減少趨勢，只是程度有所不同。

圖1 遼寧省各分區(qū)徑流深及滑動平均成果圖

遼寧省第三次水資源評價采用系列為1956—2016年，與第二次水資源評價系列對比情況見表1。由表1可以看出，遼寧省的5個氣象地理分區(qū)中徑流深最大的為遼東地區(qū)，然后是遼南地區(qū)、中部平原及遼北地區(qū)，徑流深最小的為遼西地區(qū)。對比兩系列均值情況，各分區(qū)徑流深1956—2016年系列均值都小于1956—2000年系列均值。

表1 不同資料系列徑流深特性對比表

2 各分區(qū)徑流深的穩(wěn)定性分析

各分區(qū)徑流深的穩(wěn)定性分析是通過計(jì)算相對變率來判斷的，相對變率是指徑流深的絕對變率與同期多年平均值的百分比[1]，相對變率的計(jì)算公式：

表2 遼寧省不同分區(qū)相對變率成果表

3 各分區(qū)徑流深的趨勢分析

為了解水文氣象要素的長期趨勢變化，根據(jù)文獻(xiàn)［2］的方法，計(jì)算徑流深與時間之間的相關(guān)系數(shù)（稱為趨勢系數(shù)），計(jì)算公式：

式中：rxt為趨勢系數(shù)；n為年份序號；N為樣本長度；xi是第i年的徑流深；為其樣本均值；對趨勢系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)使用相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)方法，在不同的信度下，查表得到相關(guān)系數(shù)的臨界值rα，當(dāng) |rxt|＞rα?xí)r，趨勢系數(shù)是有意義的。若rxt＞0，意味著序列呈上升趨勢；若rxt＜0，意味著序列呈下降趨勢[3]。遼寧省5個氣象地理分區(qū)的趨勢系數(shù)計(jì)算成果見表3。由表3中計(jì)算成果可見，各分區(qū)的趨勢系數(shù)均為負(fù)值，說明各分區(qū)的徑流深序列均呈下降趨勢，這與圖1中各分區(qū)徑流深序列的線性趨勢線一致。取信度α=0.1時，rα=0.21；α=0.05時，rα=0.25。通過計(jì)算，遼南地區(qū)徑流深的趨勢系數(shù)為-0.29，通過了信度0.05的檢驗(yàn)；遼西地區(qū)徑流深的趨勢系數(shù)為-0.21，通過了信度0.1的檢驗(yàn)；其他3區(qū)的趨勢系數(shù)均未通過信度檢驗(yàn)，說明下降趨勢不顯著。

表3 遼寧省不同分區(qū)趨勢系數(shù)成果表

4 各分區(qū)徑流深的周期分析

Morlet小波是常用的復(fù)數(shù)小波基函數(shù)，定義為

式中：i為虛數(shù)；t為時域；ω0為常數(shù)，當(dāng)時就能近似滿足允許性條件。其Fourier變換為

式中：ω為頻域。復(fù)數(shù)形式的小波，因其實(shí)部和虛部的位相差為π/2，用復(fù)小波變換系數(shù)的模來作為判別氣候資料中包含的各尺度周期性的大小及這些周期在時域中分布的判據(jù)，能夠消除用實(shí)型小波變換系數(shù)作為判據(jù)而產(chǎn)生的虛假振蕩，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。除模外，Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部是另一個重要的變量，表示不同時間尺度信號在不同時間上的分布和位相兩方面的信息，能夠很好地對資料序列連續(xù)進(jìn)行時頻局部化分析[4]。

通過Morlet小波分析對5個分區(qū)的徑流深系列進(jìn)行了周期分析，如圖2所示，通過小波周期分析發(fā)現(xiàn),各分區(qū)的徑流深均有一定的周期性。遼北地區(qū)徑流深10年左右的周期在1970—2000年表現(xiàn)較為明顯，2000年之后10年左右的周期弱了下來；較大時間尺度還存在著25年左右的周期，但是該周期的信號強(qiáng)度弱于10年周期。遼西地區(qū)的徑流深也存在著較為顯著的10年左右周期及20～25年較大時間尺度的周期，與遼北地區(qū)類似，10年左右周期的信號強(qiáng)度在2000年后弱了下來。中部平原徑流深存在著10～15年周期，2000年之后，該周期縮短為不足10年；大時間尺度存在著25年左右周期，但是該周期的信號強(qiáng)度稍弱。遼東地區(qū)徑流深的周期分析與中部平原的類似，都存在著10年左右周期及25年左右周期，且10年周期在2000年之后縮短為8年左右。遼南地區(qū)徑流深10年左右周期與25年左右周期貫穿整個系列，且兩個周期的信號變化均較顯著。

5 結(jié)語

文中采用了多種診斷分析方法對遼寧省內(nèi)各分區(qū)的徑流深做了初步分析，但是研究的深度和廣度還不夠，還有一些地方存在不足之處，仍需做進(jìn)一步的研究：

1）僅對各分區(qū)徑流深的時間特性做了分析，未對其變化原因進(jìn)行分析?？山Y(jié)合降雨、人類活動等要素，對導(dǎo)致徑流深呈下降趨勢的原因進(jìn)行深入分析，以期對影響各分區(qū)徑流深的物理機(jī)制有更進(jìn)一步的了解。

2）可結(jié)合氣象因子及海溫因子等與遼寧省各分區(qū)的徑流深做相關(guān)分析，挑選出主要影響因子，建立中長期預(yù)報模型，以期對徑流深的變化做出定量分析。