嫩江流域多年降水特征分析

鹿之慧，王東升，王丹寧，潘 帥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

降水趨勢(shì)變化因其對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況、河流、湖泊等水文過(guò)程影響深刻被廣泛關(guān)注[1-2]，位于東北的嫩江流域作為重要的糧食和濕地分布區(qū)，因其地理位置特點(diǎn)，對(duì)全球變化的敏感性較高[3-4]。夏季洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響較大。1970—1990年洪澇發(fā)生頻率達(dá)47.6%[5]，給人們生產(chǎn)生活造成一定損失。降水作為重要的水文要素[6]和災(zāi)害性天氣的重要誘因[7]之一，研究嫩江流域多年降水變化特征，可為流域農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源環(huán)境及環(huán)境保護(hù)提供決策依據(jù)[8]。目前，不少學(xué)者對(duì)東北地區(qū)降水變化進(jìn)行了研究并取得了一定成果[9-12]。筆者以嫩江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選用流域1969—2010年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，以Mann-Kendall趨勢(shì)分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法為技術(shù)支撐，分析流域多年降水及冬、夏兩季降水特征，為流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境管理與決策提供參考[6]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山的中段南側(cè)的嫩江，是黑龍江水系的最長(zhǎng)支流，地處我國(guó)東北中高緯度地區(qū)，地理位置為119°15′～127°40′E、44°26′～51°37′N(圖1)。屬于寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年際溫差變化大，四季分明，夏季多雨，冬季寒冷干燥。流域水系發(fā)達(dá)，擁有甘河、諾敏河、雅魯河、淖爾河、訥謨爾河、烏裕爾河等多條較長(zhǎng)支流。流域總面積達(dá)29.7萬(wàn)km2。流域以暗棕壤和草甸土為主。依據(jù)地形、地貌及河谷特征，將河源至嫩江縣分為上游，嫩江縣至莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗駐地分為中游，其下至三岔河口為下游。上游屬于山丘區(qū)，森林繁茂，河谷狹窄。中下游由丘陵逐步過(guò)渡到平原地區(qū)。

1.2 資料來(lái)源研究中使用的降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象中心，在嫩江流域上中下游共選取了10個(gè)氣象站(圖1)，站點(diǎn)信息如表1所示?；贛atlab軟件，采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法分析流域整體及各站點(diǎn)1969—2010年的年降水量以及夏季、冬季降水量的變化趨勢(shì)。

圖1 嫩江流域水系及氣象站位置Fig.1 Locations of water system and meteorological stations in the Nenjiang River Basin

表1 嫩江流域氣象站基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Nenjiang River Basin

1.3 分析方法

1.3.1Mann-Kendall趨勢(shì)分析法。作為非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的Mann-Kendall趨勢(shì)分析法[13]，計(jì)算簡(jiǎn)單，不受異常值影響，常用于對(duì)降水、徑流數(shù)據(jù)的時(shí)間變化進(jìn)行趨勢(shì)分析。零假設(shè)為數(shù)據(jù)不存在單調(diào)的趨勢(shì)，使用雙尾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)指數(shù)(Z)進(jìn)行趨勢(shì)診斷。其原理主要利用符號(hào)規(guī)則：

(1)

式中，xi和xj為時(shí)間序列i和j的指標(biāo)值(j>i)；n表示序列長(zhǎng)度。

(2)

對(duì)大于10的樣本幾何，S統(tǒng)計(jì)量接近正態(tài)分布，Z統(tǒng)計(jì)量：

(3)

(4)

式中，Var(S)為樣本方差。|Z|>Z(1-α/2)，則時(shí)間序列在α顯著性水平上顯著變化。Z>0為上升趨勢(shì)；Z<0為下降趨勢(shì)。Z(1-α/2)可以通過(guò)查閱正態(tài)分布表格得到。

為了進(jìn)一步獲取趨勢(shì)大小，采用Theil-Sen estimator[14]來(lái)計(jì)算趨勢(shì)的斜率β，得到變化幅度大小：

(5)

式中，10，為上升趨勢(shì)，β<0，為下降趨勢(shì)。

1.3.2Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法[15]是一種可以檢驗(yàn)降水量突變發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)方法，具有不必剔除極值、不必考慮時(shí)間序列是否為線性關(guān)系等優(yōu)勢(shì)，被世界氣象組織推薦，應(yīng)用廣泛，結(jié)果可靠。其原理主要是利用符號(hào)規(guī)則：

(6)

對(duì)n個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列x，構(gòu)建秩序列：

(7)

定義統(tǒng)計(jì)量UF為突變檢測(cè)函數(shù)，計(jì)算方式如下：

(8)

在時(shí)間序列相互獨(dú)立且具有相同連續(xù)分布時(shí)，累積數(shù)sk的平均值E(sk)表達(dá)式為：

(9)

累積數(shù)sk的方差Var(sk)表達(dá)式為：

(10)

將時(shí)間序列x翻轉(zhuǎn)得到逆序列xn,…，x1，按上述步驟得到統(tǒng)計(jì)量UBk，滿足UFk=-UBk，當(dāng)2條曲線交于置信區(qū)間[-1.96，1.96]時(shí)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域年、冬夏季降水量時(shí)間趨勢(shì)變化分析從1969—2010年嫩江流域年降水量變化(圖2)可以看出，近42年來(lái)嫩江流域年降水量最低值發(fā)生于2001年，受1998年洪水影響，降水量在1998年達(dá)到峰值，降水量年際變化波動(dòng)較大。流域年降水量以4.7 mm/10 a的幅度不顯著下降。

圖2 1969—2010年嫩江流域年降水量變化Fig.2 Changes of annual precipitation in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

從1969—2010年嫩江流域冬夏季降水量變化(圖3)可以看出，近42年來(lái)嫩江流域夏季降水量接近年降水量，同樣在1998年達(dá)到峰值。流域夏季降水量無(wú)顯著下降，下降幅度高于年降水量，為10.1 mm/10 a。冬季降水量則表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，上升幅度為1.3 mm/10 a，冬季降水量的峰值在2010年。夏季降水量與年降水量變化表現(xiàn)出較高的相似性。

圖3 1969—2010年嫩江流域夏季(a)和冬季(b)降水量變化Fig.3 Changes of summer(a) and winter(b) precipitation in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

2.2 各站點(diǎn)年、冬夏季降水量時(shí)間趨勢(shì)變化分析近42年來(lái)流域10個(gè)站點(diǎn)年降水量變化結(jié)果(表2)顯示，嫩江流域年降水量為373.1～507.8 mm，中上游的年降水量高于嫩江下游，其中，位于中游的北安站年降水量最大，位于下游的白城站年降水量最小。Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果表明，嫩江流域多年降水量變化幅度在2.7～26.4 mm/10 a，其中，諾敏河附近的小二溝站多年降水量以2.7 mm/10 a的變化幅度上升、烏裕爾河附近的北安站以6.2 mm/10 a的幅度上升、雅魯河附近的龍江站以10.4 mm/10 a的幅度上升、洮兒河附近的索倫站以9.8 mm/10 a的幅度上升；其他站多年降水量均呈下降趨勢(shì)，且主要集中在流域下游。除齊齊哈爾站和乾安站多年降水量顯著下降，其他站點(diǎn)降水量均呈現(xiàn)不顯著變化。

近42年來(lái)流域10個(gè)站點(diǎn)夏季降水量變化結(jié)果(表3)顯示，嫩江流域夏季降水量為231.7～309.4 mm，中上游的降水量高于嫩江下游，其中，位于諾敏河附近的小二溝站和烏裕爾河附近的北安站夏季降水量較大，分別為309.4和306.7 mm，位于的泰來(lái)站和白城站夏季降水量最小，均為231.7 mm。Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果表明，嫩江流域10個(gè)站點(diǎn)夏季降水量變化幅度在1.6～28.8 mm/10 a，均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且索倫站下降幅度最小，齊齊哈爾站最大。其中，齊齊哈爾站和乾安站顯著下降，其他站點(diǎn)均不顯著下降。

表2 1969—2010年嫩江流域10個(gè)站點(diǎn)年降水量變化Table 2 Changes of annual precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

近42年來(lái)流域10個(gè)站點(diǎn)冬季降水量變化結(jié)果(表4)顯示，嫩江流域冬季降水量為3.6～11.4 mm，中上游的冬季降水量高于下游，其中，小二溝站、嫩江站和北安站冬季降水量相近，分別為10.3、11.2和11.4 mm。Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果表明，嫩江流域冬季降水量變化幅度在0.1～2.3 mm/10 a，除乾安站降水量不顯著下降外，其他站均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。與夏季降水量相反，齊齊哈爾站和白城站上升趨勢(shì)并不顯著，其他站點(diǎn)則顯著上升。

表3 1969—2010年嫩江流域10個(gè)站點(diǎn)夏季降水量變化Table 3 Changes of summer precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

2.3 流域突變檢測(cè)分析對(duì)流域年降水量、夏季降水量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4a～b所示，年降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果與夏季降水量十分相似。年降水量出現(xiàn)共3個(gè)階段的趨勢(shì)變化，1969—1981年表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，為第1階段；1982—1999年表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，為第2階段；2000—2010年表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，為第3階段。夏季降水量變化也包含3個(gè)階段，1969—1983年表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，1984—2001年表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，2002—2010年表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。年、夏季降水量整體表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代前后減少，80—90年代增加，在21世紀(jì)初期減少。在α=0.05顯著性水平上，UF統(tǒng)計(jì)量與UB統(tǒng)計(jì)量相交于2個(gè)降水量減少階段，且存在多個(gè)突變點(diǎn)，變化較不穩(wěn)定。年、夏季降水量增加階段無(wú)交點(diǎn)存在，即1981—1999年年降水量和夏季降水量均表現(xiàn)為穩(wěn)定上升趨勢(shì)，無(wú)突變上升情況產(chǎn)生。

表4 1969—2010年嫩江流域10個(gè)站點(diǎn)冬季降水量變化Table 4 Changes of winter precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

對(duì)流域冬季降水量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4c所示。冬季降水量突變檢測(cè)結(jié)果與年、夏季降水量相反，1973—1978和1980—1986年冬季降水量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其他時(shí)間段均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，1969年以來(lái)冬季降水量整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。冬季降水量?jī)H在1998年存在α=0.05顯著性水平上的交點(diǎn)，表明在1998年之后，冬季降水量呈顯著增加。

圖4 1969—2010年嫩江流域年(a)、夏季(b)、冬季(c)降水量突變檢測(cè)Fig.4 Mutation detection of annual (a)，summer (b)and winter (c)precipitation in Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

3 結(jié)論

該研究對(duì)1969—2010年嫩江流域10個(gè)站點(diǎn)年降水量、夏季降水量和冬季降水量進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。結(jié)果表明，嫩江流域的降水情況具有明顯的時(shí)間分異特征，得出結(jié)論如下：

(1)近42年來(lái)嫩江流域年降水量以4.7 mm/10 a的幅度不顯著下降，夏季降水量下降幅度高于年降水量，為10.1 mm/10 a，冬季降水量則表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，上升幅度為1.3 mm/10 a。嫩江流域年降水量為373.1～507.8 mm，夏季降水量為231.7～309.4 mm，冬季降水量為3.6～11.4 mm，中上游的降水量高于下游，10個(gè)站點(diǎn)年降水量主要以下降趨勢(shì)為主，夏季降水量均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，除乾安站冬季降水量呈不顯著下降趨勢(shì)外，其他站點(diǎn)冬季降水量均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。夏季降水量變化與年降水量表現(xiàn)為較高的相似性。

(2)年降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果與夏季降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果在形態(tài)上非常相近。年降水量和夏季降水量均出現(xiàn)3個(gè)階段的趨勢(shì)變化，可以歸納為在20世紀(jì)70年代前后為第1階段，表現(xiàn)為減少趨勢(shì)；80—90年代為第2階段，表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；21世紀(jì)初期為第3階段，再次表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。在α=0.05顯著性水平上，年、夏季降水量在20世紀(jì)70年代前后和21世紀(jì)初期存在多個(gè)突變點(diǎn)，2個(gè)降水量減少階段變化較不穩(wěn)定，降水量增加階段無(wú)交點(diǎn)存在。冬季與年、夏季結(jié)果差異較大，表現(xiàn)為在1973—1978和1980—1986年降水量下降，其他時(shí)間段降水量上升；僅在1998年存在α=0.05顯著性水平上的交點(diǎn)，表明在1998年之后，冬季降水量呈顯著增加。