1952-2017年出山店水庫上游降水時空變化

甘 容, 李丹丹, 楊 峰, 左其亭

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院, 鄭州 450001;2.河南省地下水污染防治與修復重點實驗室, 鄭州 450001; 3.河南省出山店水庫建設管理局, 河南 信陽 464043)

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4，5，6次評估報告均指出全球氣候變化環境下，陸面降水模式發生重大改變，給生態環境、人類生活、社會發展帶來巨大的挑戰[1-3]。降水量比氣溫具有更大的空間異質性，不僅對地表河流的徑流量有直接影響，對農業發展和糧食安全也至關重要[4]。河南省是我國糧食主產地，而淮河發源于河南省桐柏山區，是河南省內流域面積占比最多的河流，因此近年來專家和學者針對河南省以及淮河流域的降水變化特征進行了廣泛研究。楊軍勇等[5]對河南省暖季(5—9月)小時極端降水時空分布特征進行了統計分析，分析了極端降水強度、頻次、貢獻率、日變化特征以及不同下墊面極端降水特征的差異；王新偉等[6]研究了河南省近40 a的夏季降雨，結果表明河南省夏季降水隨時間呈上升趨勢；趙國永等[7]基于1961—2013年河南省的日降水數據，分析了極端降水事件的時空變化特征；張志高等[8]研究了近59 a河南省汛期降水時空變化特征；趙路偉等[9]則分析了河南省近54 a來降水量的變化趨勢，研究結果表明降水量在研究期內呈現波動中減少的趨勢，其中河南省中東部降水呈現增加趨勢，西北和豫南地區降水明顯減少；王景才等[10]分析了1960—2014年淮河上中游流域年降水和主汛期降水的時空分布特征；劉永婷等[11]研究得出淮河流域上游河段降水量呈減少趨勢，遞減率為26.3 mm/10 a，年降水量的年際變化周期在2 a左右；王懷軍等[12]基于淮河流域1960—2014年水文序列的日數據，重點探索了極端氣溫、降水指數的時空變化規律。

河南省內淮河流域面積8.61萬km2，占全省總面積的52.9%，淮河雖然給沿淮地區帶來了豐富的水電能源，近年來治淮工作已取得顯著效果，但沿淮地區生活的人民群眾仍受到水旱災害的嚴重威脅。出山店水庫對于控制上游山區洪水、提高沿淮地區防洪標準、促進當地經濟發展，具有極其重要的作用。目前針對出山店水庫上游流域的研究相對匱乏，因此本文運用多種方法研究出山店水庫上游流域降水量的時空變化特征，研究結果有利于相關部門科學地制定開發水資源、統籌蓄水灌溉的相關政策，進而實現綜合效益目標最大化。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

出山店水庫壩址位于淮河干流的信陽市浉河區游河鄉出山店村，地理坐標為32°14′39″N，113°57′36″E。壩址以上至淮河發源地河道長100 km，水庫控制流域面積2 900 km2，總庫容12.51億m3。流域形狀略呈東西向的橢圓形，東西長約70 km，平均寬度22.3 km，形狀系數為0.592，海拔高程為80～1 000 m(圖1)。出山店水庫是國家大力扶持建設的大(Ⅰ)型水庫，主要任務是防洪，兼顧灌溉、供水、發電、旅游等多種功能。水庫上游大部分地區松林茂盛，植被良好，有少數丘崗地區草林稀疏。土地利用率約為22%，共有耕地約640 m2，多種植水稻和小麥，其中水稻田約占70%。植樹育林及原有林區約占流域面積50%。土壤覆蓋，丘崗坡地上多為紅褐色粉質黏土，沿干支流兩岸臺地多為重壤土和沙壤土。

圖1 出山店水庫流域高程及站點位置

1.2 研究方法

選取出山店水庫上游13個雨量站1952—2017年的逐日降水資料為基礎數據，分析其降水量的時空分布與變化特征，站點位置見圖1。

1.2.1 氣候傾向率法 一般用線性方程來表征氣象要素的趨勢變化，即y(t)=a+b·t(t=1,2,…,n)，在線性回歸分析中，時間序列趨勢的變化常用傾向率(10b)表示[13-14]。傾向率為正表示水文序列隨時間變化呈現上升趨勢，反之表示下降。

氣候傾向率法考察降水序列的變化趨勢時，趨勢的顯著性可通過F檢驗判斷[15]。給定顯著性水平α，F檢驗的p值<α，則表示通過了相應信度水平的顯著性檢驗。

1.2.2 M-K檢驗法 Mann-Kendall統計檢驗法的樣本數據不需要遵從一定的分布，適用于非正態分布的數據，能夠剔除少數異常值[16]。因此，Mann-Kendall統計檢驗法是氣象學、水文學、氣候學中比較常用的時間序列趨勢檢驗方法[17-19]。Mann-Kendall檢驗的公式為：

(1)

(2)

(3)

式中:Q為檢驗統計量;Z為標準化后的檢驗統計量;xi，xj為降水量時間序列數據(mm);n為樣本數,當n>8時,Q近似為正態分布,其均值和方差計算公式為:

E(Q)=0

(4)

(5)

標準化后Z為標準正態分布，趨勢檢驗中，給定α置信水平，如果|Z|≥Z1-α/2則拒絕原假設，即給定的置信水平α=0.05，|Z|≥1.96時，表示通過了信度95%的顯著性檢驗，Z>0時是顯著上升趨勢，反之是顯著下降趨勢。

1.2.3 累積距平法 累積距平法可以更加直觀準確地判斷降水序列的年際變化，在水文氣候分析中應用廣泛[20]，是一種常用的、由曲線直觀判斷變化缺失的方法。對于降水序列x，某時刻t的累積距平表示為：

(6)

1.2.4 極值比和變異系數 極值比和變異系數用來表征年降水量的年際變化。年際極值比是指降水量變化的絕對值比例[21]，即年降水極大值/年降水極小值。變異系數為樣本數據的標準偏差和平均值之比，即Cv=(SD/Mean)×100%，式中：SD為標準偏差；Mean為平均值。

1.2.5 Morlet小波分析法 與Fourier變換相比，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，利用伸縮平移運算實現信號(函數)的多尺度細化，根據時頻信號分析的要求，小波分析可以自動調整，聚焦到信號的任意細節。多用于研究復雜的水文時間序列，該方法的優勢在于借助時頻局部化功能剖析出時間序列內部各種周期的強弱和分布情況[22-24]。

1.2.6 反距離權重(IDW)插值法 反距離權重(IDW)插值使用采樣點的線性權重組合來確定像元值[25]。權重是基于距離的函數，一般公式為：

(7)

(8)

(9)

2 結果與分析

2.1 降水時間變化分析

2.1.1 年際變化特征 結合多種方法分析了流域內13個雨量站的年降水量變化趨勢，結果見表1。有3個站點(回龍寺、尖山、老鴉河)表現為不顯著增加趨勢，其余站點均呈下降趨勢，其中順河店、大坡嶺、余家灣的下降趨勢顯著(通過了90%的顯著水平)。呈上升趨勢的站點降水量的氣候傾向率變化范圍為0.18(回龍寺)～28.69(老鴉河) mm/10 a，呈下降趨勢的站點的氣候傾向率變化范圍為-3.18(固縣)～-42.85(余家灣) mm/10 a。年均降水量最高達到1 228.69 mm，最低為842.59 mm，各站點極值比在2.58～3.92波動，變異系數變化范圍為21.9%～26.7%，說明在研究期內研究區域的降水量年際變化劇烈。從13個站點的降水量極值分布可以看出，降水量極小值集中在20世紀90年代和21世紀初，有7個站點的降水量極小值都出現在2001年，對應著枯水年；降水量極大值的分布相對分散，在1956年、2000年分別有3個站點出現降水量極大值，而豐水年對應著1956年。

2.1.2 年內分布 由各季節降水量占全年降水量百分比統計得出，降水量年內分布不均，夏季(6—8月)降水量占全年降水量的48.54%；春、秋季占比分別為22.73%，21.24%；冬季降水量僅占全年降水量的7.85%。圖2為出山店水庫上游近65 a降水量的年內分布圖，流域多年平均降水量為1 028.3 mm。研究發現年內降水主要集中在5—9月，各站點降水量最多的月份均出現在7月，汛期(6—9月)均值為614.4 mm，占年降水量的比重約為59.8%。流域降水分布不均勻主要是因為研究區域地處亞熱帶向暖溫帶過渡區，季風氣候明顯。

表1 各站點氣候傾向率及降水量變化

對13個站點的季節降水量分析得出，夏季、秋季、冬季的極小值都對應著1999年，分別有6，9，6個站點降水量極小值出現在1999年；春季有9個站點的降水量極小值出現在2001年，可以確定1999年、2001年均為枯水年。季節的極大值分布相對分散，春季無明顯豐水年；夏季降水量極大值出現在1956年；冬季的極大值集中在1953年、1988年；秋季降水的豐水年為2017年；結合上文豐水年為1956年，側面反映了秋季、冬季對年降水影響較小。

圖2 出山店水庫上游降水年內分布

2.1.3 季節變化特征 由表2可知：(1) 汛期降水量12個站點(共13個站點)都呈下降趨勢，余家灣汛期傾向率最大為-31.31 mm/10 a(通過了90%置信水平的顯著性檢驗)。(2) 夏季6—8月為主汛期，與汛期的降水變化趨勢相似。(3) 春季有3個站點呈現上升趨勢，其余站點均呈不顯著下降趨勢。(4) 冬季氣候傾向率變化幅度最小，2個站點呈不顯著上升趨勢；大坡嶺、胡家灣下降趨勢顯著(分別通過了90%，95%置信水平的顯著性檢驗)，其他站點均為不顯著下降趨勢。(5) 秋季有10個站點呈現上升趨勢，其中回龍寺傾向率達16.1 mm/10 a(超過了95%的置信水平)。對全流域來說，春季、夏季、冬季降水隨時間有減少趨勢，秋季降水有增加趨勢，流域年降水顯著下降的趨勢是春季、夏季、冬季降水量變化共同作用的結果。

表2 出山的水庫上游流域氣候傾向率 mm/10 a

2.2 降水突變分析

對13個站點進行M-K突變檢驗，結合累積距平圖可以更加直觀準確地判斷降水量年際變化及突變信息。研究結果表明：老鴉河發生了多次降水量突變；尖山、新集分別在1984年、1980年發生了降水量下降的突變；中部地區的胡家灣、大坡嶺、順河店、黃崗的突變年份分別為1965年、1971年、1975年、1978年，均表現為降水量下降的突變；北部地區的臺子畈、余家灣在20世紀60年代末、21世紀初均發生了降水量下降的突變。其中余家灣在研究時段內有多次下降突變，氣候傾向率達到-42.85 mm/10 a，回龍寺、固縣、固廟無明顯突變信息。由圖3可知，1975年降水量發生突變，年降水變化趨勢為先增加后下降，21世紀以來下降趨勢越發顯著。

圖3 研究區年平均降水量M-K突變檢驗與累積距平值、降水量趨勢變化

通過分析不同季節降水量變化趨勢可以發現，雖然春、夏、冬3個季節的降水量變化趨勢均呈現下降趨勢，但是年際波動變化略有不同。春季在1976年之前呈現上升趨勢，1977年發生了降水量下降的突變，隨后降水量表現為逐年減少趨勢。夏季降水量20世紀60年代之前呈現上升趨勢，1955年、1956年超過了0.05顯著水平，上升趨勢顯著，60年代之后年際間變化較為平緩，沒有出現顯著的變化趨勢，整體呈平穩下降趨勢。由于秋季降水量較少，雖然1964—1988年表現出顯著的持續增加趨勢，但對年降水量變化影響較小。冬季降水從1956年開始逐年減少，在1962年突破顯著性水平，下降趨勢顯著，隨后進入下降趨勢波動變化階段，整體呈下降趨勢。年降水量的M-K檢驗圖與汛期變化趨勢相同，由此可見，汛期降水對全年降水的貢獻較大。

圖4給出了春季(順河店)、夏季(黃崗)、秋季(胡家灣)、冬季(桐柏)代表站點的M-K檢驗和累積距平圖。13個站點的年、季節M-K突變檢驗結果顯示，單個站點的不同時間尺度突變相關性不大，因此選取一個時間尺度下的多個站點分析其變化趨勢的異同性。(1) 春季M-K突變結果顯示，降水量變化主要有兩種趨勢：胡家灣、大坡嶺、順河店、黃崗、臺子畈、桐柏、余家灣的大致變化趨勢均為先增加再下降，突變年份(下降)發生在研究期中期之前；其他站點均在波動中下降。(2) 夏季M-K突變結果顯示，尖山發生了多次突變：1985年(下降)，2003年(增加)，2010年(下降)；老鴉河、臺子畈、桐柏變化趨勢較平穩，無明顯突變信息；其他站點在研究期初期均發生了降水量下降的突變，隨后變化趨勢也趨于平穩。(3) 秋季M-K突變與春季相似，大坡嶺、固廟、胡家灣、黃崗、順河店、桐柏、新集站點變化趨勢均為先增加再下降，降水量增加的突變年份發生在1960年之前，降水量下降的突變分布在1980—2000年；固縣、尖山、老鴉河、臺子畈、余家灣均為持續下降趨勢，降水量下降的突變年份出現在研究期初期，并在21世紀下降趨勢顯著。(4) 大部分站點的冬季降水變化趨勢較平穩，沒有明顯突變年份；回龍寺、桐柏變化趨勢為減少—增加—減少，回龍寺的突變年份是1964年(增加)，2004年(減少)，桐柏的突變年份分別為1957年(減少)，1985年(增加)，2007年(減少)；黃崗變化趨勢是先增加再減少，在1978年發生了降水量下降的突變。

2.3 降水空間分布特征

從圖5中可以看出：流域年降水量的空間分布基本呈現南高北低的趨勢，地區降水分布相對均勻，流域站點間降水量差值最大為386.1 mm。降水量的氣候傾向率的變化趨勢與降水量相反，在研究期間南部地區降水呈現減少的趨勢，余家灣的降水量的氣候傾向率達到-42.85 mm/10 a(通過了90%的置信水平)；中部地區的年降水量也呈現下降趨勢，其中大坡嶺、順河店站點下降趨勢顯著；北部地區的3個站點呈現不顯著上升趨勢。出山店水庫上游年際變化較為劇烈，所測13個站點中有8個站點的降水量的氣候傾向率絕對值大于平均值13.04 mm/10 a。從各站點的變化趨勢來看，降水量呈上升趨勢的站點集中在流域東北部，中部和西南部的站點呈現下降趨勢。

如圖6所示，春、夏、秋、冬各季節的降水量空間分布與年降水量分布一致，大致呈現南高北低的趨勢；春季空間分布與年降水變化高度一致，南部降水多北部降水少，而南部年降水量多的地區近65 a來降水量呈現出減少的趨勢；夏季降水量呈現西南部高、東北部低的趨勢，除老鴉河外，降水量的氣候傾向率在整個流域內都呈現下降趨勢；秋季、冬季降水量空間變化高度一致，大致呈現南高北低的趨勢，而降水量的氣候傾向率變化趨勢完全相反；秋季除最南部的余家灣、臺子畈呈現下降趨勢，其他站點均呈現上升趨勢，其中最北部的回龍寺上升趨勢顯著；冬季除了東北部的尖山、老鴉河呈現上升趨勢，其他站點均呈現下降趨勢，中部地區的胡家灣站點下降趨勢顯著。

圖4 部分站點的M-K突變檢驗及累積距平

圖5 出山店水庫上游降水量及其變化趨勢空間分布

2.4 降水周期特征分析

對比分析站點的方差圖發現，周期變化也存在一定的空間分布特征，結合年、季節降水量、周期分布特征將研究區劃分為中部地區(固縣、大坡嶺、順河店、胡家灣)、西南部地區(新集、桐柏、余家灣、臺子畈、固廟)、東北部地區(回龍寺、尖山、老鴉河、黃崗)。

從圖7出山店水庫上游西南部、中部、東北部、全流域站點周期特征分析可以看出：

(1) 西南部地區的桐柏、新集、固廟3個站點方差圖存在4個明顯峰值，最大峰值對應的第一主周期均為30 a，周期震蕩最強，時間域上具有枯—豐交替的準3次震蕩，周期變化在整個分析時段內都較為穩定，具有全域性；桐柏、新集的第二主周期都為17 a(固廟的第二主周期對應著14 a)，具有全域性，但存在震蕩次數的差異；第三、第四主周期的時間尺度周期性均不顯著。臺子畈、余家灣的小波方差圖存在3個明顯峰值，最大峰值對應的第一主周期均為19 a，周期震蕩最強，時間域上具有枯—豐交替的準4次震蕩，周期變化在整個分析時段內都較為穩定，具有全域性；臺子畈、余家灣的第二主周期和第三主周期能量相近，分別為12 a，4 a和4 a，11 a，具有局部性且時間尺度的周期性不顯著。

圖6 出山店水庫上游四季降水量及季節降水量的氣候傾向率空間分布圖

圖7 出山店水庫上游西南部、中部、東北部、全流域站點周期特征分析

(2) 中部地區的固縣第一主周期為14 a，時間域上具有枯—豐交替的準5次震蕩，具有全域性；其他站點的第一主周期為3 a，但在整個分析時段內都不具有全域性，主要出現在20世紀70年代之后；各站點的其他主周期能量都較弱，時間尺度周期性不顯著，在研究時段內也不具有全域性。

(3) 東北部地區的第一主周期應為13 a或14 a，除尖山外，其他站點的周期性顯著，時間域上有明確的枯—豐交替震蕩表現，在整個分析時段內都較為穩定，具有全域性。其中，黃崗的30 a主周期能量最強，周期性最顯著，在整個分析時段內都較為穩定。站點其他時間尺度的周期性均不顯著、在分析時段內不穩定。

從流域平均年降水量的小波分析圖(圖8)得到，流域年降水量16～25 a的時間尺度變化明顯，中心時間尺度在20 a，為第一主周期，時間尺度能量最強、周期最顯著，在時間域上具有枯—豐交替的準5次震蕩，周期性較穩定，在整個分析時段內都具有全域性。3 a，6 a的時間尺度次之，但周期性不穩定，在整個分析時段內都不具有全域性。其余周期表現則較弱。

3 討 論

出山店水庫位于信陽市境內，占信陽市面積的15%左右，本文對出山店水庫上游流域內的13個站點1952—2017年逐日降水量進行了時空變化分析，對于充分利用洪水資源以及控制淮河上游山區洪水具有極其重要的作用，但是現有的研究文獻中缺乏針對出山店水庫流域的研究，因此本文采用前人針對信陽市的研究結果與本文的成果進行對比印證，對比結果如下：

(1) 賈軍霞等[26]通過對河南省17個氣象站1965—2014年逐日降水量研究表明：信陽市年平均降水量達到1 000 mm以上，與本文的研究結果一致；信陽地區秋季、冬季降水量均呈現增加趨勢，增幅最高分別達12.68，11.80 mm/10 a，本文的研究結果表明秋季呈現增加趨勢，而冬季呈現微弱的下降趨勢，冬季變化趨勢的差異可能與冬季占比年降水量較小、研究時段不同、研究站點不同有關。

(2) 史佳良等[20]同樣分析了河南省17個氣象站1965—2014年的逐日降水資料，得到信陽市降水量達1 094.21 mm，但氣候傾向率達到-13.62 mm/10 a，本文研究得出出山店水庫上游氣候傾向率為-20 mm/10 a(p<0.05)，研究結果整體上較一致。

(3) 韓艷等[27]選取1951—2013年河南省18個觀測站月觀測降水量數據為研究對象，結果表明信陽地區降水量較多，與受東亞夏季風影響的強度大小有關；春季豫南(駐馬店、信陽等)降水量減少趨勢較顯著，冬季豫南降水量呈微弱下降趨勢，與本文研究結果一致。

圖8 流域平均年降水量的小波分析

本文針對出山店水庫上游流域的日降水量研究，站點較多，時間序列較長，所得結果更貼合研究流域的真實情況，可以為出山店水庫的正常運行和科學管理提供理論支撐。但仍存在一些不足之處：流域的高程、經緯度變化范圍相對較小，難以分析降水量變化趨勢的空間分布與地理因子的關系。

4 結 論

(1) 出山店水庫上游流域1952—2017年多年平均降水量為1 028.3 mm；汛期(6—9月)降水均值為614.4 mm，占年降水值的比重約為59.8%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量分別占年降水量的22.73%，48.54%，21.24%，7.85%；1999年、2001年為枯水年、1956年為豐水年。

(2) 流域地區降水分布存在差異，年降水量有顯著的下降趨勢，其氣候傾向率為-20 mm/10 a(p<0.05)。13個站點中，3個站點呈現不顯著上升趨勢，集中在流域東北部；中部和西南部的10個站點表現為下降趨勢。年降水量大致呈現南高北低的趨勢，而氣候傾向率的變化趨勢則與之相反。從季節上看，春、夏、冬降水隨時間有減少趨勢，秋季降水有增加趨勢。季節降水量空間分布與年降水量分布一致，但氣候傾向率空間分布差別較大。

(3) 本文采用M-K突變檢驗法和累積距平法實現研究流域65 a降水量的突變性分析。年降水量變化趨勢為先增加后減小，1975年是降水量下降的突變，21世紀以來下降趨勢越發顯著。春季變化與年降水量變化相似，相比之下春季降水量突變年份滯后了2 a。夏季降水量60年代之前呈現上升趨勢，之后年際間變化較為平緩，無明顯突變年份。秋季變化表現出與其他3個季節的較大差異，雖然1964—1988年表現出顯著的持續增加趨勢，但對年降水量變化影響較小。冬季降水從1956年開始逐年減少，60年代之后進入下降趨勢波動變化階段。

(4) 由小波分析結果可以得到，流域降水量變化的第一主周期為20 a左右，在時間域上具有枯—豐交替的準5次震蕩；除此之外，也有3，6，12 a左右的變化周期，周期性表現較弱。流域降水量周期變化也存在一定的空間分布特征，西南地區對應的第一主周期為30 a，具有枯—豐交替的準3次震蕩。中部地區第一主周期為3 a，但在整個分析時段內不具有全域性。東北部地區的第一主周期應為13 a或14 a，周期性顯著，在整個分析時段內都較為穩定，具有全域性。