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)大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧阜新 123000)

降水趨勢變化因其對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況、河流、湖泊等水文過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，對全球變化的敏感性較高[3-4]。夏季洪澇災(zāi)害對農(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)境保護提供決策依據(jù)[8]。目前，不少學者對東北地區(qū)降水變化進行了研究并取得了一定成果[9-12]。筆者以嫩江流域為研究對象，選用流域1969—2010年逐日降水數(shù)據(jù)，以Mann-Kendall趨勢分析、Mann-Kendall突變檢驗法為技術(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支流，地處我國東北中高緯度地區(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，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支流。流域總面積達29.7萬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，嫩江縣至莫力達瓦達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渡到平原地區(qū)。

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

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趨勢分析法。作為非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法的Mann-Kendall趨勢分析法[13]，計算簡單，不受異常值影響，常用于對降水、徑流數(shù)據(jù)的時間變化進行趨勢分析。零假設(shè)為數(shù)據(jù)不存在單調(diào)的趨勢，使用雙尾測試標準化統(tǒng)計指數(shù)(Z)進行趨勢診斷。其原理主要利用符號規(guī)則：

(1)

式中，xi和xj為時間序列i和j的指標值(j>i)；n表示序列長度。

(2)

對大于10的樣本幾何，S統(tǒng)計量接近正態(tài)分布，Z統(tǒng)計量：

(3)

(4)

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

為了進一步獲取趨勢大小，采用Theil-Sen estimator[14]來計算趨勢的斜率β，得到變化幅度大?。?/p>

(5)

式中，10，為上升趨勢，β<0，為下降趨勢。

1.3.2Mann-Kendall突變檢驗法。Mann-Kendall突變檢驗法[15]是一種可以檢驗降水量突變發(fā)生的時間節(jié)點的檢驗方法，具有不必剔除極值、不必考慮時間序列是否為線性關(guān)系等優(yōu)勢，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規(guī)則：

(6)

對n個觀測數(shù)據(jù)的時間序列x，構(gòu)建秩序列：

(7)

定義統(tǒng)計量UF為突變檢測函數(shù)，計算方式如下：

(8)

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

(9)

累積數(shù)sk的方差Var(sk)表達式為：

(10)

將時間序列x翻轉(zhuǎn)得到逆序列xn,…，x1，按上述步驟得到統(tǒng)計量UBk，滿足UFk=-UBk，當2條曲線交于置信區(qū)間[-1.96，1.96]時，則交點對應(yīng)時間點即為突變點。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域年、冬夏季降水量時間趨勢變化分析從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年達到峰值，降水量年際變化波動較大。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年來嫩江流域夏季降水量接近年降水量，同樣在1998年達到峰值。流域夏季降水量無顯著下降，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，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 各站點年、冬夏季降水量時間趨勢變化分析近42年來流域10個站點年降水量變化結(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，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，其他站點降水量均呈現(xiàn)不顯著變化。

近42年來流域10個站點夏季降水量變化結(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，位于的泰來站和白城站夏季降水量最小，均為231.7 mm。Mann-Kendall檢驗結(jié)果表明，嫩江流域10個站點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，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，其他站點均不顯著下降。

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

近42年來流域10個站點冬季降水量變化結(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。與夏季降水量相反，齊齊哈爾站和白城站上升趨勢并不顯著，其他站點則顯著上升。

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

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

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

對流域冬季降水量進行Mann-Kendall突變檢驗，結(jié)果如圖4c所示。冬季降水量突變檢測結(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，其他時間段均表現(xiàn)為上升趨勢，1969年以來冬季降水量整體表現(xiàn)為增加趨勢。冬季降水量僅在1998年存在α=0.05顯著性水平上的交點，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1969—2010年嫩江流域10個站點年降水量、夏季降水量和冬季降水量進行Mann-Kendall趨勢檢驗和Mann-Kendall突變檢驗。結(jié)果表明，嫩江流域的降水情況具有明顯的時間分異特征，得出結(jié)論如下：

(1)近42年來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，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個站點年降水量主要以下降趨勢為主，夏季降水量均表現(xiàn)為下降趨勢，除乾安站冬季降水量呈不顯著下降趨勢外，其他站點冬季降水量均表現(xiàn)為上升趨勢。夏季降水量變化與年降水量表現(xiàn)為較高的相似性。

(2)年降水量突變檢驗結(jié)果與夏季降水量突變檢驗結(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個階段的趨勢變化，可以歸納為在20世紀70年代前后為第1階段，表現(xiàn)為減少趨勢；80—90年代為第2階段，表現(xiàn)為增加趨勢；21世紀初期為第3階段，再次表現(xiàn)為減少趨勢。在α=0.05顯著性水平上，年、夏季降水量在20世紀70年代前后和21世紀初期存在多個突變點，2個降水量減少階段變化較不穩(wěn)定，降水量增加階段無交點存在。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，表明在1998年之后，冬季降水量呈顯著增加。