1954—2012年石漫灘水庫降水變化特征研究

(1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；2.河南省石漫灘水庫管理局，河南 舞鋼 462500；3.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

降水作為氣候的基本要素，其年際、年內的變化直接影響著區域的水分平衡[1]，增加了洪澇、干旱等極端降水事件發生的頻率[2-3]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告明確指出，在氣候變化背景下，地區間和年內的降水對比度將會更激烈[4]。因此，開展地區降水變化特征的研究對于了解地區降水動態特征、防洪抗旱意義重大[5-6]。

石漫灘水庫位于河南省舞鋼市，地處伏牛山東部余脈和黃淮平原交接地帶，屬于大陸性季風氣候。水庫多年平均降水量為983.2mm，降水的年際變化大，降水量最高值為1655.5mm，而降水量最低值僅為499.6mm；降水的年內分配也不均勻，降水主要集中在6—9月，占全年降水的60%以上。為研究石漫灘水庫降水變化特征，本文基于氣候傾向率法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall檢驗法和滑動T檢驗法等方法，從降水的變化趨勢、周期性變化及突變特征等角度出發，綜合分析石漫灘水庫1954—2012年降水的變化特征，以期為石漫灘流域防洪抗旱提供依據。

1 材料和方法

1.1 數據基礎

選取石漫灘水庫月降水量觀測資料作為研究的數據基礎，降水量觀測數據的時間跨度為1954年1月至2012年12月。石漫灘水庫降水主要集中在汛期6—9月，因此本文從年和汛期時間尺度出發，針對石漫灘水庫年降水量和汛期降水量的變化特征展開研究，其中對降水量數據的處理主要是基于Excel 2007、Matlab R2017a等軟件平臺實現的。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢分析

氣候傾向率法[7]是表征氣候要素時間序列趨勢傾向的常用方法，本文采用氣候傾向率法分析石漫灘水庫降水的變化趨勢，其用一元線性回歸方程表示為：

y=b+at(t=1,2,…,n)

式中y——降水要素；

b——常數；

a(=dy/dt)——氣候傾向率，單位為mm/a，乘以轉換系數10變換單位為mm/10a。當a>0時，表示石漫灘水庫降水隨時間變化呈現增加趨勢，反之則呈現減少趨勢。

1.2.2 周期性規律

Morlet小波分析法是一種常見的時間序列周期變化特征識別方法，它對于一個復雜時間序列的調整特征的獲取以及不同時間尺度上變化特征的分辨非常有效。本文采用Morlet小波分析法[8]研究石漫灘水庫降水量的周期性變化規律，揭示多時間尺度下的降水變化的復雜結構。

1.2.3 突變檢驗

用于突變檢驗的方法有很多，其中Mann-Kendall(以下簡稱M-K)檢驗法[9]和滑動T檢驗法[10]均是比較常用的氣候要素時間序列突變的檢驗方法，本文綜合運用上述2種方法，分析石漫灘水庫降水突變情況，識別降水突變時間點。

2 結果與分析

2.1 變化趨勢分析

1954—2012年石漫灘水庫降水量的變化曲線如圖1所示。從時間變化上看，表征年降水量曲線的變化特征和表征汛期降水量曲線的變化特征相似，均表現為較一致的波動變化趨勢，年降水量最高值和汛期降水量最高值均出現在2000年，分別為1655.5mm和1350.9mm，降水量最低值也同時出現在1966年，降水量分別為499.6mm和206.0mm。整體來看，年降水量和汛期降水量均呈現增加趨勢，但年降水量的增加趨勢微弱，僅以1.0mm/10a的速度增加，而汛期降水量的增加趨勢較年降水量明顯，以18.3mm/10a的速度增加。

圖1 1954—2012年石漫灘水庫降水量變化趨勢

2.2 周期變化分析

圖2(a)和(c)分別為石漫灘水庫年降水量和汛期降水量的小波系數實部圖，其中正值代表降水量偏豐，負值代表降水量偏枯。為了更客觀準確的識別降水量時間序列變化的主次周期，繪制了石漫灘水庫年降水量和汛期降水量的小波方差圖，如圖2(b)和(d)所示。

圖2 1954—2012年石漫灘水庫降水量周期變化

由圖2(a)可知，石漫灘水庫年降水量存在明顯的豐枯交替變化的周期性特征，忽略5年以下時間尺度的變化特征，小波系數實部等值線在7—9年、13—16年和20—25年這3個時間尺度上比較密集，說明石漫灘水庫年降水量整體上存在著3個時間尺度的周期變化特征。結合圖2(b)，8年、15年和22年時間尺度上的小波方差值大，按小波方差值由大到小，石漫灘水庫年降水量存在著8年時間尺度的第一強顯著主周期變化特征以及15年和22年時間尺度的第二和第三主周期變化特征。

圖2(c)顯示了石漫灘水庫汛期降水量同樣存在著與年降水量相似的豐枯周期性變化特征。結合圖2(d)發現，石漫灘水庫汛期降水量的周期變化同樣存在著15年和22年時間尺度的第二、第三主周期變化特征，在小時間尺度上與年降水量有輕微差別，汛期降水量存在著9年時間尺度的第一強顯著周期變化。

2.3 突變特征分析

石漫灘水庫年降水量和汛期降水量的M-K檢驗和滑動T檢驗結果如圖3所示。

圖3 1954—2012年石漫灘水庫降水量突變特征

從圖3(a)可以看出，研究期內，石漫灘水庫年降水量的正序列UF曲線在1955—1957年和1995—1997年與反序列UB曲線在α=0.05顯著水平線內多次相交，可見石漫灘水庫年降水量在這些時間段內可能發生了突變。為準確識別降水量突變發生的時間點，結合滑動T檢驗法去除可能存在的偽突變點，由圖3(b)可知，石漫灘水庫年降水量的T統計量曲線在1957—1958年、1963—1964年、1968—1969年、1974—1975年、1984—1985年、1987—1988年和1990—1991年出現了超過α=0.05顯著水平線的情況，即這些時間段可能出現了突變情況。綜合M-K檢驗和滑動T檢驗結果，確定石漫灘水庫年降水量發生突變的年份為1957年。

由圖3(c)可知，石漫灘水庫汛期降水量的UF曲線和UB曲線在α=0.05顯著水平線之間于1958—1959年和1997—1998年2次相交，表明這2個時間段內石漫灘水庫汛期降水量可能發生了突變。從圖3(d)可以看出，石漫灘水庫汛期降水量的T統計量值在1957—1958年、1972—1973年、1977—1978年和1984—1985年出現了大于Tα=0.05的情況，表明這些時間段汛期降水量可能發生了突變。綜合2種方法的檢驗結果，確定石漫灘水庫汛期降水量在1958年發生了突變。

3 結 語

研究結果發現，1954—2012年石漫灘水庫年降水量和汛期降水量均呈現增加趨勢；石漫灘水庫年降水量存在著8年、15年和22年時間尺度的第一、第二和第三主周期變化特征，汛期降水量存在著9年、15年和22年時間尺度的第一、第二和第三主周期變化特征；石漫灘水庫年降水量在1957年發生了突變，汛期降水量在1958年發生了突變。本文的研究結果在一定程度上揭示了石漫灘水庫的降水變化特征，可為當地的防汛抗旱提供理論依據。