疏勒河流域降水變化特征研究

季宗虎， 孫棟元， 牛最榮， 王興繁， 武蘭珍，馬亞麗， 陳彩蘋， 崔艷強

（甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

降水作為重要的水文要素，同時也是水循環(huán)的基本環(huán)節(jié)，降水變化對氣象學和水文學有著至關重要的作用，分析降水變化特征對水資源的高效利用有重要影響，同時為自然災害預報系統(tǒng)的發(fā)展提供了科學依據(jù)。疏勒河流域地處河西走廊西端，承擔著整個地區(qū)的工農業(yè)用水，由于特殊的地理位置降水主要受西風帶環(huán)流控制，受東亞夏季風影響較弱［1］，雨季較短且降水量極少，降水持續(xù)時間短，年降水量呈現(xiàn)出由北向南逐漸增加。因此，降水對該地區(qū)的氣候變化影響極為敏感，降水特征變化的研究為氣候變化、水文預報和水資源區(qū)域分布提供了重要依據(jù)，對此流域夏季暴雨預報、防災減災工作和短期氣候研究具有重要作用，為生態(tài)建設、經(jīng)濟發(fā)展、農業(yè)生產(chǎn)奠定了良好基礎［2-7］。

目前，關于降水變化特征的研究主要利用實測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感空間數(shù)據(jù)和影像資料來進行降水變化趨勢、突變及周期規(guī)律分析。齊天杰等［8］利用1960—2020 年的實時降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，用Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析法對研究區(qū)多年降水突變、周期變化規(guī)律以及降水集中期和集中度進行了研究；楊俊等［4］采用累積距平法等方法分析了黃土高原典型小流域降水量年際變化、年內變化、年代變化和突變特征；張靜雯等［9］以武漢市1951—2017 年的逐日降水資料為分析基礎，利用了Mann-Kendall 檢驗法等方法對區(qū)域降水進行分析。疏勒河流域作為河西地區(qū)重要的水源地之一，該流域的降水量對于整個河西地區(qū)尤為重要，關系到河西地區(qū)的經(jīng)濟和生態(tài)發(fā)展。學者們對疏勒河流域的降水變化進行了廣泛研究，孫棟元等［3］利用疏勒河干流3 個水文站1956—2016 年逐月、逐年降水數(shù)據(jù)，對該地區(qū)降水量年內變化、年代際變化、季節(jié)變化和突變特征等進行了分析；王靜［10］收集了疏勒河區(qū)域內6個雨量測站的數(shù)據(jù)，采用時序累積法、模比系數(shù)差積曲線探究了系列資料的合理性。本文基于前人的分析方法，綜合分析了疏勒河流域近60 a 降水變化特征，目的在于了解疏勒河流域降水規(guī)律，為有效應對汛期和旱期降水提供參考。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于河西走廊西端，是甘肅省三大內陸河流域之一。地理位置介于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N（圖1），海拔800～5730 m 之間，基本呈現(xiàn)東南高西北低，干流長670 km，流域面積為4.13×104km2。流域屬典型內陸干旱半干旱性氣候，降水集中在6—9 月，年降水量40.2～57.5 mm，年蒸發(fā)量2577.4～2653.2 mm，山地對水汽的阻擋與抬升使山區(qū)降水相對較多［3,11-12］。其中，昌馬堡站位于疏勒河上游，潘家莊站和雙塔堡水庫站位于疏勒河干流中下游，黨城灣站位于疏勒河流域黨河上游，黨河水庫站位于疏勒河流域黨河中游。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料來源與處理

所有數(shù)據(jù)來源于甘肅省水文站，選用疏勒河流域昌馬堡、潘家莊、雙塔堡水庫、黨城灣和黨河水庫5個水文站1960—2020年逐月降水數(shù)據(jù)作為基礎資料，進行流域降水變化特征的分析。

2.2 研究方法

采用線性傾向擬合與滑動平均來描述降水變化趨勢與特征［13-16］；利用累計距平法分析年際變化趨勢，同時利用累計距平最大絕對值可判斷出大致的突變時間［13-17］；Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)檢驗法，能夠很好的進行突變和趨勢性分析［14-15,18］；小波分析是降水與時間關系轉化為降水頻數(shù)和時間關系的一種方法，通過分析周期和頻數(shù)之間的變化關系來確定時間序列的周期性［13-15,19］。利用降水量分配的向量法推演出不均勻性和集中度，可以很好的反應該流域降水的非均勻性分布特征［20-22］，基于重標極差分析法（R/S）的Hurst指數(shù)可以定量描述長時間序列數(shù)據(jù)相關性，其數(shù)據(jù)大小可作為預測未來變化趨勢的依據(jù)［23-25］。

3 結果與分析

3.1 降水年變化特征

近60 a 疏勒河流域5 個水文站降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢，各特征值見表1。由圖2 可以看出，5 個水文站均呈現(xiàn)增長趨勢，其中，昌馬堡站降水量線性傾向率為0.505 mm·a-1，年均降水量以5.05 mm·(10a)-1的速率增加，65 a 內增加了32.83 mm；潘家莊站降水量線性傾向率為0.069 mm·a-1，年均降水量以0.69 mm·(10a)-1的速率增加，62 a內增加了4.28 mm；雙塔堡水庫站降水量線性傾向率為0.111 mm·a-1，年均降水量以1.11 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 內增加了6.78 mm；黨城灣站降水量線性傾向率為0.923 mm·a-1，年均降水量以9.23 mm·(10a)-1的速率增加，61 a內增加了56.29 mm；黨河水庫站降水量線性傾向率為0.056 mm·a-1，年均降水量以0.56 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 內增加了3.42 mm。其中，1956—1972年和1985—2001年（昌馬堡站）、1959—1973 年和1985—2011 年（潘家莊站）、1960—1969年和1984—2011年（雙塔堡水庫站）、1960—2014年（黨城灣站）、1985—2003 年和2008—2011 年（黨河水庫站）時間段曲線呈下降趨勢，該時間段該流域處于少雨期，1973—1984 年和2002—2020 年（昌馬堡站）、1974—1984年和2012—2020年（潘家莊站）、1970—1983 年和2012—2020 年（雙塔堡水庫站）、2015—2020 年（黨城灣站）、1970—1984 年、2004—2007 年和2012—2020 年（黨河水庫站）時間段曲線呈上升趨勢，該時間段該流域處于多雨期。從疏勒河流域5個站的5 a滑動平均曲線可以看出，除黨城灣站年均降水量1964—2014年較為穩(wěn)定，2014年以后快速上升，其余4 個站年均降水量均呈現(xiàn)緩慢增加-減小-增加波動變化趨勢。

表1 疏勒河流域各站降水量特征值Tab.1 Characteristic values of precipitation at each station in the Shule River Basin

圖2 疏勒河流域年降水量和降水量累積距平變化Fig.2 Changes in annual precipitation and cumulative distance level of precipitation in the Shule River Basin

總體上，疏勒河流域各水文站降水量均以不同程度增長，年降水量各站傾向排序為：黨城灣站9.23 mm·(10a)-1>昌馬堡站5.05 mm·(10a)-1>雙塔堡水庫站1.11 mm·(10a)-1>潘家莊站0.69 mm·(10a)-1>黨河水庫站0.56 mm·(10a)-1。

3.2 降水突變性特征

由圖3a 可知，UFk和UBk主要相交于1966 年和2000 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，昌馬堡站平均降水突變發(fā)生在1966 年和2000 年，由圖可知，該站自20 世紀50 年代以后UFk均>0，降水呈現(xiàn)上升趨勢，尤其在20 世紀70 年代前期至90 年代前期和21 世紀10 年代以后，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗（U0.05=1.96），表明在此段時間內該站平均降水量上升趨勢顯著。

圖3 疏勒河流域年平均降水突變檢驗Fig.3 Test of sudden change of annual average precipitation in the Shule River Basin

由圖3b 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2015 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，潘家莊站平均降水突變發(fā)生在1990 年和2015 年，由圖可知，該站自20世紀60年代前期至90年代前期、21世紀10 年代中期以后UFk>0，表明平均降水量呈上升趨勢，尤其在20世紀70年代后期至80年代中期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗（U0.05=1.96），表明在此段時間內該站平均降水量上升趨勢顯著。

由圖3c 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2012 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，雙塔堡水庫站平均降水突變發(fā)生在1990 年和2012 年，由圖可知，該站自20 世紀60 年代以后UFk均>0，降水呈現(xiàn)上升趨勢，尤其在20 世紀70 年代后期至80年代前期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗（U0.05=1.96），表明在此段時間內該站平均降水量上升趨勢顯著。

由圖3d 可知，UFk和UBk主要相交于1972 年、1980 年和2015 年，只有1980 年不在臨界線±1.96 之間，因此，黨城灣站平均降水突變發(fā)生在1972 年左右和2015年左右，由圖可知，該站自20世紀60年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趨勢，尤其在20世紀80年代前期，突變曲線通過0.05顯著性檢驗（U0.05=1.96），表明在此段時間內該站平均降水量上升趨勢顯著。

由圖3e 可知，UFk和UBk無明顯交點，說明黨河水庫站近60 a 降水無突變現(xiàn)象，由圖可知，該站自20 世紀60 年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趨勢，尤其在20 世紀80 年代前期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗（U0.05=1.96），表明在此段時間內該站平均降水量上升趨勢顯著。

3.3 降水趨勢性特征

疏勒河流域各水文站降水趨勢系數(shù)如表2 所示，從表中可以看出，5 個水文站降水量Sen’s 指標均為正值，有增加趨勢，其中，昌馬堡站和黨城灣站分別以5.05 mm·(10a)-1和9.23 mm·(10a)-1速率增長，根據(jù)M-K 趨勢檢驗計算得Z值分別為2.75 和2.24，采用信度為95%的顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)|Z|>1.96，通過了顯著性檢驗，增長趨勢明顯；而潘家莊站、雙塔堡水庫站、黨河水庫站分別以0.69 mm·(10a)-1、1.11 mm·(10a)-1和0.56 mm·(10a)-1速率增長，通過MK 趨勢檢驗計算得|Z|<1.96，均未通過顯著性檢驗，增長趨勢不明顯。

表2 疏勒河流域各站降水量變化趨勢分析Tab.2 Trend analysis of precipitation changes at each station in the Shule River Basin

3.4 降水周期性特征

采用小波分析法計算疏勒河流域近60 a全年降水小波分析變換系數(shù)和小波方差，并做出相應實部時頻圖和方差圖。由圖4a可知，昌馬堡站全年降水的小波實部圖主要存在55～60 a、5～10 a 和2～5 a 3個特征時間尺度，從小波方差圖可以看出，存在56 a、8 a、4 a 3 個明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為56 a，第二主周期為8 a，第三主周期為4 a；由圖4b 可知，潘家莊站全年降水主要存在52～60 a 和28～34 a 2 個特征時間尺度，存在58 a、32 a、4 a 3個明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為58 a，第二主周期為32 a，第3 主周期為4 a；由圖4c 可知，雙塔堡水庫站全年降水主要存在53～58 a 1個特征時間尺度，存在55 a、12 a、5 a 3 個明顯的波峰，所以該站全年降水的第1 主周期為55 a，第二主周期為12 a，第三主周期為5 a；由圖4d可知，黨城灣站全年降水主要存在30～35 a 1個特征時間尺度，存在33 a 1 個明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為33 a；由圖4e 可知，黨河水庫站全年降水主要存在3～8 a 和50～60 a 2 個特征時間尺度，存在55 a、8 a、4 a 3 個明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為55 a，第二主周期為8 a，第三主周期為4 a。

3.5 降水持續(xù)性分析

結合圖5和表3分析結果可知，疏勒河流域5個水文站降水量的Hurst 指數(shù)分別為：昌馬堡站（0.7169）、潘 家 莊 站（0.7489）、雙 塔 堡 水 庫 站（0.6980）、黨城灣站（0.7259）、黨河水庫站（0.6984），均>0.5，表明未來降水量將與過去60 a 左右的變化趨勢相同，即表現(xiàn)出正持續(xù)性特征，故可預測未來一段時間該站降水量將出現(xiàn)增長趨勢。其中，潘家莊站Hurst 指數(shù)最大為0.7489，表現(xiàn)為較強的正持續(xù)性。

3.6 降水不均勻性與集中度變化分析

由圖6 和表4 可知，疏勒河流域各站降水集中度波動范圍，多年平均值為0.58。昌馬堡站降水量集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢，傾向率為0.007·(10a)-1，近60 a 集中度（PCD）有32 a 大于均值，說明降水分配較集中；潘家莊站集中度（PCD）呈現(xiàn)下降趨勢，傾向率為0.017·(10a)-1，有32 a大于均值，說明降水分配較集中；雙塔堡水庫站集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢，傾向率為0.015·(10a)-1，有29 a 大于均值，說明降水分配較集中；黨城灣站集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢，傾向率為0.003·(10a)-1，有29 a大于均值，說明降水分配較集中；黨河水庫站集中度（PCD）呈現(xiàn)下降趨勢，傾向率為0.01·(10a)-1，有28 a大于均值，說明降水分配較集中。

表4 疏勒河流域各站降水量集中度和分配不均勻系數(shù)分析結果Tab.4 Analysis results of precipitation concentration and distribution inhomogeneity coefficient of each station in Shule River Basin

圖6 疏勒河流域集中度年際變化Fig.6 Interannual variation curve of concentration in the Shule River Basin

從圖7 和表4 可以看出，疏勒河流域各站降水年內分配不均勻系數(shù)（Cv）變化范圍和多年平均值。其中，流域年內降水多年平均值均為0.53，表現(xiàn)出多年降水量分配較不均勻。該流域近60 a以來降水不均勻系數(shù)呈遞減趨勢，昌馬堡站傾向率為-0.002·(10a)-1；潘家莊站傾向率為-0.002·(10a)-1。雙塔堡水庫站傾向率為-0.012·(10a)-1。黨城灣站傾向率為-0.007·(10a)-1。黨河水庫站傾向率為-0.008·(10a)-1。

圖7 疏勒河流域不均勻系數(shù)年際變化Fig.7 Interannual variation curve of the inhomogeneity coefficient of the Shule River Basin

綜上所述，降水量集中度（PCD）和不均勻系數(shù)（Cv）呈現(xiàn)微弱的遞減趨勢，其中，傾向率潘家莊站0.017·(10a)-1>雙塔堡水庫站0.015·(10a)-1>黨河水庫站0.01·(10a)-1>潘家莊站0.007·(10a)-1>黨城灣站0.003·(10a)-1，流域年降水量較為集中；不均勻系數(shù)昌馬堡站、潘家莊站-0.002·(10a)-1>黨城灣站-0.007·(10a)-1>黨河水庫站-0.008·(10a)-1>雙塔堡水庫站-0.012·(10a)-1。

4 降水變化趨勢差異性分析

本文從疏勒河流域年降水量變化特征、趨勢性、周期性、持續(xù)性、不均勻性和集中度進行了分析，區(qū)別于以往只對該區(qū)域進行常規(guī)線性分析或對個別站點進行探討，對分析整個疏勒河流域存在一定的局限性［3,26-29］。通過趨勢性分析和檢驗表明，過去幾十年內該區(qū)域降水量呈現(xiàn)上升趨勢，已有研究也表明了該結論，與孫棟元等［3］、劉國紅［28］研究結果一致性較高；結合該流域5個水文站分析可知，年降水量從東往西降水量依次減少，從南到北也依次減少，與張重花等［30］、鄭續(xù)等［31］分析得出該流域1958—2018 年從上游到下游降水量衰減，整個流域降水量呈增加趨勢。

疏勒河流域由于受全球氣候變暖和特殊的地理位置因素，同時受西風帶環(huán)流和氣流擾動作用，西南部山區(qū)隨著海拔升高降水呈現(xiàn)增長趨勢，為此降水和冰雪融水是整個流域水資源的主要來源。由于該流域南高北低，夏季的暖濕氣流被阻擋在南部山區(qū)，而冬季盛行西北風導致降水少，使得南部山區(qū)降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，流域北部平原不利于留住暖濕氣團，很難形成降水，造成了北邊平原干旱少雨的氣候特征。此流域與受季風環(huán)流影響的河西走廊黑河和石羊河不同，因而其山區(qū)氣候變化與其余兩條河流存在較大差異，為此導致南部山區(qū)降水明顯多于平原地區(qū)的降水，呈現(xiàn)出從東南向西北依次減少的規(guī)律［30-32,1］。因此，綜合分析降水的形成和變化特征，有助于合理利用該流域的水資源，需要綜合考慮多種因素。

雖然，本研究用長序列多要素對降雨進行了分析，但是每種要素僅用一種分析方法具有一定局限性，由于干旱內陸地區(qū)的特殊性在今后的研究中需要結合最優(yōu)降水插值法，并考慮氣溫、氣流運動等多種自然因素的影響對該流域降水特征進行分析，況且以往對該區(qū)域的降水趨勢性研究已有很多，但未來降水特征如何變化需要更加深入的理解，用多種方法進行分析來降低誤差，來探討未來的時空變化［33-36］。

5 結論

本文利用疏勒河流域5個水文站逐月降水量實測資料，分析了年降水演變特性和變化特征，得出下述主要結論：

（1）昌馬堡（1956—2020 年）、潘家莊（1959—2020 年）、雙塔堡水庫、黨城灣和黨河水庫（1960—2020 年）多年實測年均降雨量分別為96.4 mm、51.4 mm、52.03 mm、61.3 mm、51.8 mm，并且年均降雨量以5.47 mm·(10a)-1、0.69 mm·(10a)-1、1.11 mm·(10a)-1、9.23 mm·(10a)-1和0.57 mm·(10a)-1的速率增加。證實該流域由南向北降水量的增長率和多年平均值均呈現(xiàn)遞減。

（2）昌馬堡站和黨城灣站Z值分別為2.75 和2.24，增長趨勢明顯，而雙塔堡站、潘家莊站和黨河水庫站Z值分別為0.32、0.67 和0.27，增長趨勢不明顯。由于疏勒河流域各站年降水線性傾向率和累積距平曲線波動不同，所以年降水量呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，降水量均呈現(xiàn)不同時段升降變化過程。

（3）昌馬堡在1966 年和2000 年發(fā)生突變；潘家莊在1990 年和2015 年左右發(fā)生突變；雙塔堡水庫在1990 年和2012 年左右發(fā)生突變；黨城灣在1972年和2015年左右發(fā)生突變；黨河水庫無明顯突變現(xiàn)象。各站在近代突變后降水遞增趨勢波動升高，而黨河水庫站則呈現(xiàn)波動降低，從各站突變特征曲線處于置信水平線之內情況來看，與M-K 趨勢分析結果一致。

（4）該流域5 個站點全年降水量的第一主周期除黨城灣站為33 a，其余站大概以55 a左右為主，在第一主周期時間尺度上降水量“豐-枯”交替出現(xiàn)，呈準2 次震蕩，其中黨城灣在2020 年后繼續(xù)增長，該時段的周期變化較為穩(wěn)定，具有全域性。

（5）疏勒河流域多年降水量集中度（PCD）和分配不均勻系數(shù)（Cv）分別大致在0.19～0.89 和0.32～0.72 之間波動，降水量集中度（PCD）和分配不均勻系數(shù)（Cv）呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，均有趨于均勻化的傾向。該流域5 個站點降水量集中度（PCD）大于均值的分別有32 a、32 a、29 a、29 a、28 a，說明該流域降水分配較集中，其中昌馬堡站降水量集中度最大為0.67，該站多年降水最為集中。