白石水庫流域集水區年降水量及氣象干旱時空分布規律研究

宋 飛

（遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000）

大型水庫一般具有發電、灌溉、防洪和供水等功能效益，而流域集水區氣候干濕狀況與水庫效益的發揮密切相關，氣象干旱程度直接決定了年降水量以及入庫水量的多少[1]。研究水庫流域集水區年降水量及氣象干旱時空分布規律，揭示地表徑流深度和降水量變化趨勢及時空分布特點，對投資計劃的科學制定和水庫調度運行等具有重要意義。

大型水庫上游通常存在大范圍的流域或集水區，其降水集中度、干濕情況變化具有很好的指示作用，可以反映區域受氣候變化的影響[2-4]。近年來，針對水文水資源受氣候變化的影響評價廣大學者進行了廣泛研究，如姚玉碧等以洮河流域為例，結合水資源定位和流域氣象觀測數據建立水資源氣候模式；谷黃河等以柘林水庫為例，通過合理性論證及分析歷史洪水資料、洪水調度及頻率計算校核了水庫訊限水位設計值；許有鵬等模擬研究了下墊面特征和氣候變化情況下的暴雨洪水過程，并動態模擬驗證與分析了南苕溪流域降水徑流過程及特征；史玉品等結合歷史氣象數據提出天徑流流量公式，分析了龍羊峽入庫徑流量受氣候變化的影響作用[5-8]。白石水庫始建于1995 年，每年向錦州、阜新等城市以及遼河三角洲地區提供2.2 億m3城市用水和2.67 億m3農業用水，對緩解遼西地區用水壓力具有重要戰略意義。以往關于白石水庫流域集水區的研究數據大多來源于地面觀測站實測資料，由于缺乏數據資料和地面站點，計算結果難以全面系統真實地反映上游集水區水文特征變化規律及時空分布特征，無法為生態水文模型提供準確的數據支持。因此，為揭示該區域1985—2018 年間的氣象干旱及降水時空分布規律研究利用衛星遙感重建的追溯性降水數據序列進行分析，旨在為白石水庫水源地保護和流域植被恢復政策的科學制定提供參考依據。

1 研究區概況

白石水庫建于大凌河干流上，水面面積約80km2，控制流域17649km2。流域集水區屬溫帶季風氣候，春冬干燥少雨，夏季多雨炎熱，多年平均氣溫在8℃左右，年均降水量在400～600mm 之間，降水大多集中于6～9 月，河流的補給主要來源于降水形成的地表徑流。流域內土壤為亞砂土性的黃白土，山地大部分為生草棕色森林土，森林覆被以油松林、蒙古櫟林、油松人工林、刺槐人工林及沿河小葉楊、小青楊林為主，還有遼東櫟林、山杏矮林等；灌叢以荊條、酸棗、榛子灌叢為主，灌草叢以白羊草灌草叢最多，還有黃背草灌草叢、野谷草灌草叢等，分布在漫灘和低階地上的代表植物主要有楊樹、刺槐、油松、柳樹、沙棘和山杏等人工林。

2 研究方法

2.1 降水數據

由于其時空分辨率較高，通過神經網絡模型估算降水-氣候數據記錄(PERSIANN CDR)已成為眾多衛星遙感追溯性重建的降水數據序列中應用較為廣泛的數據序列[13]。其時間和空間特征區間為1985 年1 月1 日—現在(分辨率逐日)及60°S～60°N（分辨率為0.25°）。采用PERSIANN 算法和Grid Sat-B1 紅外數據生成的數據序列，其目的是為分析自然條件和氣候環境變化產生的日降水改變特別是極端變化趨勢提供一套高精度全球降水數據，為了維持在2.5°尺度上2 個數據序列月數據一致性用全球降水氣象項目(GPCP)中的逐月產品加以調整。在研究全球和區域尺度上長期水文-氣候關系上該數據序列具有很大的潛力，并且被應用于我國一些集水區和流域的評價分析，本研究截取白石水庫上游集水區的60 個柵格數據。

2.2 降水指數標準化

干旱是一個自然正常的氣候變化現象，總體上可以將其分為農業、水文、社會經濟和氣象4 大類型，其中氣象干旱被認為是易于計量、簡單且最為直觀的干旱類型，一般被定義成平均或正常降水量相比于一段時間內降水出現虧缺的干燥程度。標準化降水指數(SPI)一經提出就被廣泛應用于不同學科領域研究，加之白石水庫缺少長期氣象觀測資料，所以考慮選用PERSIANN CDR 序列中的降水數據計算SPI 干旱指數以反映白石水庫流域的干旱時空狀況。

全年、半年、季度和月尺度發生的干旱狀況分別采用12、6、3、1 個月歷史記錄數據與相同時間尺度降水的虧缺值來衡量。在計算過程中的時間序列越長則精準度越高，研究需要完整月值的時間序列長度至少20～30a。通過擬合分析歷史降水數據服從伽馬分布，最大相似估計其β、γ 參數，采用長期季節降水均值與正態化的季節降水之差，再除以標準離差計算SPI 值。依據SPI 計算結果確定干旱程度，系統分類標準如下：極度干旱(SPI ≤-2.0)、中度干旱(-2.0 ＜SPI ≤-1.5)、干旱(-1.5＜SPI ≤-1.0)、正常狀況(-1.0 ＜SPI ＜1.0)、濕潤(1.0 ≤SPI ＜1.5)、中度濕潤(1.5 ≤SPI ＜2.0)、極端濕潤(SPI ≥2.0)。

2.3 統計分析

首先分析白石水庫流域年際和季節降水變化過程，基于柵格計算1986—2019年間流域內每個月降水量平均值，以時間序列上的平均值分析季節降水變化特征，之后基于所有柵格計算每一年降水平均值，以空間上的平均值分析年際降水變化特征。其次利用已經計算確定的SPI12、SPI06、SPI03和SPI01，整個流域的SPI值取空間上的平均值，從而在流域尺度上判斷干旱變化特征。最后，利用關聯M-K檢驗4個時間尺度上的SPI和流域內基于柵格的月降水時空變化顯著性，這是一種基于空間柵格數據和M-K方法開發的非參數檢驗法，關聯M-K法相比于參數方法無太多要求。通過預白化處理過程和調整鄰域像元間的方差，該方法可以去除時間序列上的數據自相關性以及實現空間交叉相關矯正，從而避免假性趨勢探測更好地保證一致性趨勢判別可靠度，對序列中是否存在一定趨勢給出更加準確高效低分析。0.05顯著水平下，若關聯M-K法計算值＞1.96則呈正向顯著變化，若關聯M-K法計算值＜-1.96則呈負向顯著變化，詳細分析見文獻[14]。在R語言環境下完成以上所有運算及數據的處理，采用Origin10.0軟件完成相應的圖形處理。

3 結果與分析

3.1 降水量時空變化

從圖1 可以看出，1985—2019 年間白石水庫集水區年均降水量為486.63mm，其中1997 年降水量達到最大值為605mm，1991 年降水量達到最小值為357mm。總體上，可以將年降水量變化劃分成1985—2000 年、2001—2011 年、2012—2019 年三個階段，其中第1 個階段年降水量總體上圍繞多年平均值上下波動，未表現出明顯變化趨勢；第2 階段降水量持續偏低，除2005 年和2010 年外其它年份降水量都小于多年平均值；第3 階段年降水量總體圍繞多年平均值上下歐東，其變化趨勢與第1 階段相似但振幅較小。

圖1 白石水庫集水區年均降水量變化趨勢

從月尺度上，白石水庫流域集水區降水量多發生于6～9 月，其中降水量最大值出現在7 月，從空間上集水區東南部及南部降水量較大，而西北部降水量較小，這種時空分布規律可以作為森林經營管理和植被恢復的重要參考依據。

通過關聯M-K 檢驗1985—2019 年月降水量發現，在時間尺度上集水區內各柵格月降水量均表現出上升趨勢，從空間上則表現出東南高而西北低的分布特征，在統計學上這種變化趨勢并不顯著，說明研究時段內流域集水區月降水量變化不顯著。

3.2 干旱時空變化

根據1985—2019 年4 種時間尺度上白石水庫集水區所有格柵逐月時間序列上標準化降水指數變化過程可知，在研究期間流域內干旱事件時有發生，但大部分為一般性干旱，極少數屬于中度干旱，未發生極端干旱狀況。在1986 年5 月—1988 年6 月、1991 年1 月—1993 年2 月和2002 年10 月—2011年6 月出現了3 次明顯連續干旱狀況，在2002—2011 年約9 年時間內發生最后1 次連續干旱，該變化趨勢與降水變化保持較好一致性。

關聯M-K檢驗SPI12、SPI06、SPI03和SPI01標準化降水指數表明，SPI06、SPI03和SPI01值均呈現出上升趨勢，并以SPI04的增幅最為明顯，但上升趨勢并不顯著；SPI12值總體呈現出下降趨勢，在統計學上該變化趨勢也不顯著。總體而言，從月尺度上干旱狀況呈增大趨勢，從季節尺度上達到最大并在半年尺度上有所下降，年尺度上達到最低，白石水庫集水區內人工植被的正常生長在很大程度上會受到季節尺度上干旱增加趨勢的影響。

4 結 論

1）1985—2019 年白石水庫流域集水區降水量基本圍繞多年平均值上下波動，變化趨勢不顯著，但在2002-2011 年出現明顯下降趨勢；在時間尺度上集水區內各柵格月降水量均表現出上升趨勢，從空間上則表現出東南高而西北低的分布特征，研究時段內流域集水區月降水量變化不顯著。

2）各尺度上SPI 至表明，在2002—2011 年內發生長時間持續干旱，該時段正好是白石水庫流域生態建設的關鍵時期，所以流域生態服務及生態工程效果受干旱影響較大，今后應重點研究干旱對白石水庫水質及水量的影響。