海河流域降水量長期變化趨勢的時空分布特征

王曉霞 徐宗學 紀一鳴 李運才

(1.海南省水利電力建筑勘測設計院 海口 570203;2.北京師范大學水科學研究院水沙科學教育部重點實驗室 北京 100875)

海河流域位于東經112°～120°、北緯35°～43°之間,處于干旱半干旱區,西以山西高原及黃河流域為鄰,北以蒙古高原及內陸河流域為界,南界黃河,東臨渤海。流域屬于溫帶東亞季風氣候區。冬季受西伯利亞大陸性氣團控制,寒冷少雪;春季受蒙古大陸性氣團影響,氣溫回升快,風速大,氣候干燥,蒸發量大,往往形成干旱天氣;夏季受海洋性氣團影響,比較濕潤,氣溫高,降雨量多,且多暴雨,但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進退時間、強度、影響范圍等很不一致,致使降雨量的變差很大,旱澇時有發生;秋季為夏冬的過渡季節,一般年份秋高氣爽,降雨量較少。

近些年來,國內外的學者對海河流域水文氣象方面進行過相關的研究。孫福寶等 (2007)通過對海河流域的38個子流域及內陸河流域的7個子流域的逐年降水、徑流及實際蒸散發和蒸發能力的分析[1],證明了基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡關系在海河及西北內陸河流域是成立的。劉登偉等 (2006)曾以京津冀地區49個站1961～2000年降水資料為數據源,選用了距離平方反比法、梯度距離平方比和普通克里格法進行插值方法比較[2],交叉驗證結果表明:在海河流域進行降水插值分析時月降水的插值K riging方法更加優越,因此本文在進行插值的過程中,采用常用的K riging方法。夏軍等 (2007)結合信息熵理論提出一種基于差異信息測度與GIS技術的時空變化分析方法,并成功應用于海河流域的31個測站1960～2001年降水、蒸發和氣溫的分析,直觀表達海河流域降水、蒸發和氣溫等水文氣象要素的時空變化規律,結果顯示,海河流域的降水在時間上的變化相對比較大,蒸發量在時間上的變化相對比較小,氣溫在時間上的變化相對比較小[3]。袁飛等 (2005)曾應用大尺度陸面水文模型-可變下滲能力模型V IC(Variable Infiltration Capacity)與區域氣候變化影響研究模型PRECIS(Providing Regional Climate for Im pacts Studies)耦合,對氣候變化情景下海河流域水資源的變化趨勢進行預測[4],結果表明:未來氣候情景下,海河流域的水資源將十分短缺。劉春蓁等用M-K方法對海河流域山區20個子流域徑流的變化趨勢進行了分析,提出了影響徑流變化的三種類型[5],該文對海河流域有代表性的8個分區中的20個子流域進行顯著性檢驗,其主要研究內容是結合徑流對氣候變化的敏感性研究結果,估算近50年海河流域徑流的變化趨勢,從氣候因素與人類活動因素兩個方面探討近20余年海河流域天然徑流量銳減的原因,提出影響徑流變化的三種類型。

這些研究中,對海河流域降水量變化趨勢的時空分布特征的研究成果不多見,根據夏軍等(2007)對海河流域近50年的統計資料分析,降水量減少趨勢十分顯著,與二十世紀50年代中期相比,目前海河流域年降水量減少在4×1010m3左右[3]。因此,對海河流域降水量長期變化趨勢的時空分布特征進行研究對于分析其水資源問題具有重要意義。本文試圖以非線性的M ann-Kendall方法結合線性分析,來研究海河流域降水量的變化趨勢,以期為該地區水資源長期變化趨勢的分析提供一定的依據。

1 研究區概況及數據

海河流域總面積為31.8萬km2,由海河和灤河兩大水系組成,根據其水系特點,將其劃分為4個流域二級區 (Ⅰ區-灤河及冀東沿海;Ⅱ區-海河北系;Ⅲ區-海河南系;Ⅳ區-徒駭馬頰河系)。根據1957～2004年降水系列,全流域多年平均降水量543.52mm,是我國東部沿海降水最少的地區。降水時空分布呈明顯的地帶性、季節性和年際差異,河流源短流急,水量集中,連續枯水年延續時間長[6]。

圖1 所選氣象站分布示意圖

文中所用數據來源于中國氣象局氣象中心,選用海河流域32個水文站點的數據,考慮到序列的一致性,取各站點1957～2004年的月降水量數據(部分站點由日數據轉化而來),個別年份數據有所缺失,采用臨近站點進行插值,以保證序列的完整性。所選的具體站點如圖1所示。為了更好地分析季節性變化,將其進行季節性劃分,3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季,12～次年2月為冬季。站點的年降水量數據采用月數據累加的方法,季節性的數據也以相同的方法生成。

2 降水量的時空變化趨勢

研究應用非參數M ann-Kendall檢驗法和線性趨勢統計檢驗法,在M-K檢驗中,一個重要的指標就是表示單位時間內變化量的Kendall傾斜度值,即β值,用它來量化單調趨勢,當β為正時,表示上升趨勢;當β為負時,表示下降趨勢。根據海河流域32個站點的數據進行插值,對其春夏秋冬四個季節及總降水序列進行變化趨勢的顯著性檢驗,并以此分析其時間變化趨勢;同時,根據計算出的32個站點的β值,用Surfer7.0將其繪制成等值線圖,對其空間變化趨勢進行分析。

2.1 降水量的時間分析

根據海河流域12個月份的統計特征值,從線性趨勢統計結果可以看出,3個月的降水量呈現下降的趨勢,尤其是7、8兩個月份下降幅度較大,8月份的b值達到-1.146mm/a,而且該月的結果拒絕原假設,即存在下降的趨勢;而M ann-Kendall統計檢驗結果稍有不同,4個月的β值為負,但與線性結果發生的月份基本相同;下降趨勢明顯的同樣出現在7、8月份,尤其是8月份的數據,β值為-0.992mm/a,與線性結果相差不大。因此,汛期的7、8月份出現了降水量減少的趨勢,而且減少明顯。

表1 海河流域四個季節及年降水量統計值

表1顯示了四個季節及年值的統計特征值,從表中可以看出,兩種方法的統計檢驗結果基本相同,夏季和秋季的降水量均出現了減少的趨勢,其中夏季最為明顯 ,b值和β值分別達到-1.918mm/a和-1.982mm/a,海河流域的夏季降水量每年約減少1.9mm,春季有微弱的上升趨勢,但程度不大,這造成了海河流域年降水量出現了明顯的下降趨勢,b值和β值分別達到-2.727mm/a和-2.634mm/a。這種強下降趨勢與夏軍等(2007)分析結果相似[3]。

圖2 年降水量的b值及β等值線圖

2.2 降水量的空間變化趨勢分析

針對海河流域32個站點的線性結果的b值及β值 ,對計算結果用Surfer7.0進行作圖,其結果如圖2及圖3所示。圖2給出了流域年降水量b及β值的等值線圖,從圖中可以看出,兩者的分析結果基本上是相同的,流域各站點幾乎均處于負等值線區,形成了以五臺山為中心的強下降趨勢區,其b值達到-8.581mm/a,而β值達到-7.754mm/a,下降趨勢非常明顯。北京、天津兩大城市處于-1mm/a到-2mm/a的等值線之間。

圖3給出了流域4個季節的β等值線圖,從圖中可以看出:

(1)春季:從圖中可以看出,春季流域西部出現了以五臺山站為中心的下降趨勢區,北部地區均處于微弱上升趨勢區;

(2)夏季:夏季降水量的空間變化情況比較復雜,流域所有區域均處于負等值線區,即該季節全流域出現了降水量減少的趨勢,以五臺山站、豐寧站、青龍站、廊坊站及石家莊站為中心形成了不同程度的下降趨勢區;

(3)秋季:與春季相似,除了以五臺山站為中心的下降趨勢區外,流域上其他站點基本呈現微弱的上升趨勢;

(4)冬季:該季節的上升或下降情況均不明顯,同樣形成了以五臺山站為中心的微弱下降趨勢區,其他區域無明顯分布特征。

3 結論與討論

通過對海河流域年降水量、季節性降水量及逐月降水量的長期變化趨勢的分析,根據流域年降水量b值及β值等值線圖、32個站點的β值等值線圖,可以初步得出以下幾點結論:

(1)海河流域12個月份降水量的統計特征值中,線性及M ann-Kendall趨勢統計結果相似,7、8兩個月份的下降幅度較大,尤其是8月份,b值達到-1.146mm/a,β值為-0.992mm/a。M ann-Kendall統計檢驗結果中,4個月的β值為負,與線性結果發生的月份基本相同。

(2)關于四個季節及年降水量的統計檢驗結果顯示出,夏季和秋季的降水量均出現了明顯減少的趨勢,以夏季最為明顯,b值和β值分別達到-1.918mm/a和-1.982mm/a;年降水量同樣出現了明顯的下降趨勢,b值和β值分別達到-2.727mm/a和-2.634mm/a。

(3)根據海河流域年降水量b及β值的等值線圖可以看出,兩者的分析結果的空間分布趨勢基本相同,流域各站點幾乎均處于負等值線區域,形成了以五臺山站為中心的強下降趨勢區,其b及β值達到-8.581mm/a和-7.754mm/a,下降趨勢非常明顯。

(4)從四個季節的β值等值線圖可以看出:春季與秋季降水量的空間分布情況相似,流域西部出現了以五臺山站為中心的下降趨勢區,北部地區均處于微弱上升趨勢區;夏季流域所有區域均處于負等值線區,即該季節全流域出現了降水量減少的趨勢,以五臺山站、豐寧站、青龍站、廊坊站及石家莊站為中心形成了不同程度的下降趨勢區,其中以五臺山站為中心的下降趨勢區最為顯著;冬季同樣形成了以五臺山站為中心的微弱下降趨勢區,其他區域無明顯分布特征。

圖3 季節降水量的β等值線圖示意

由以上的分析可以看出:

海河流域的年降水量及夏季降水量出現了明顯的減少趨勢,作為全年降水量貢獻超過50%的7、8月份,下降趨勢最大;同時,降水時空分布不均,中部以五臺山站為中心的地區變化劇烈,流域的北面山區變化不大。

對48年的數據分析可以看出:

年降水量的減少是造成海河流域水資源危機的主要原因之一,該下降趨勢短期內若不能改變,勢必會進一步加劇海河流域水資源短缺的局面。

針對這種情況,加緊實施南水北調,加大非傳統水資源的利用,建立節約型社會,將成為海河流域乃至華北地區解決水資源問題的重要出路。

1 孫福寶,楊大文,劉志雨等.海河及西北內陸河流域的水熱平衡研究[J].水文,2007,4(2):7-10.

2 劉登偉,封志明,楊艷昭.海河流域降水空間插值方法的選取[J].地球信息科學,2006,12(4):75-80.

3 夏軍,歐春平,HUANG G.H等.基于GIS和差異信息測度的海河流域水文氣象要素時空變異性分析[J].自然資源學報,2007,5(3):409-415.

4 袁飛,謝正輝,任立良等.氣候變化對海河流域水文特性的影響[J].水利學報,2005,3(3):274-279.

5 劉春蓁,劉志雨,謝正輝.近50年海河流域徑流的變化趨勢研究[J].應用氣象學報,2004,8(4):385-393.

6 范榮生,王大齊.水資源水文學[M].北京:中國水利水電出版社.1996.