近50年黃河三角洲降水量特征分析與情勢預測

于蘭蘭，劉 健，李素玲，張厚升

（1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255091；2.山東省水利科學研究院 山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250013）

水乃生命之源，是人類賴以生存不可缺少的物質，也是生態與環境平衡、作物成長與發育的決定性因素.在氣候變化［1］和人類活動的共同影響下，黃河三角洲地區水資源比較匱乏，流域生態環境的和諧與社會經濟的可持續發展也受到了很大的影響.因此，加強黃河三角洲地區水資源管理與可持續利用已勢在必行.

降水是黃河三角洲區域水資源的根本來源，但受季風環流與大氣環流的影響，不同區域降水量差異很大，并且季節分配亦極其不均勻，對黃河三角洲區域的作物生長產生重要的影響［2］.因此，研究黃河三角洲流域降水量的時空分布與特征［3］對了解各地區水資源的合理開發與持續利用具有重要意義.本文基于黃河三角洲地區國家級氣象站東營站與廣饒、墾利、利津、河口四個省級氣象站的觀察數據，分別采用Mann－Kendall非參數檢驗法［4］與反距離權重插值法［5］分析黃河三角洲地區降水量的時空變化特征［6］.本項研究，將為合理調蓄水資源，提高水資源的綜合利用效率，改善黃河三角洲區域的水生態環境，實現經濟社會的可持續發展提供科學依據.

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

本研究數據包括上述5個氣象站的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數、2m高風速、大氣壓與相對濕度等，該實測數據由中國氣象局國家氣候中心資料管理室提供，分析數據的時間序列為1961～2006年.

這些氣象要素數據中，日照時數的缺失率最高，約為1.58%，日平均氣溫的缺失率最低，約為0.05%，其它要素數據的缺失率均在0.56%以下.另外，采用Cumulative deviations（Q／n－0.5，R／n－0.5）、Bayesian procedures（U，A）與Von Neumann ration（N）3種統計方法對氣象觀測數據進行一致性檢驗［7］，同時，參閱文獻［8］對缺失的數據采用時間插值和空間插值兩種方法進行插補處理.檢驗結果表明，所有的氣象觀測數據均通過95%置信度的均一性檢驗.

1.2 分析方法

常用的氣象要素變化趨勢及突變檢驗方法有線性傾向估計法、要素趨勢判斷法、旋轉主因子法.但線性傾向估計法的精度不能滿足多變性要求，要素趨勢判斷法無法檢測突變點，而且分析精度不高，旋轉主因子法容易產生失效因子而影響分析結果的準確性.因此，本文采用世界氣象組織推薦的Mann－Kendall非參數檢驗法進行計算［9］.Kendall統計量τ、方差和標準化變量M的計算式分別為

式中，Q為降水系列所有對偶觀測值（Pi，Pj，i＜j）中Ri＜Rj出現的次數；N為系列長度.

MK檢驗通過計算所得M的正負來判別氣象要素的變化趨勢.如果M值為正，則表示序列具有上升趨勢；反之，如果M值為負，則表示序列具有下降趨勢.當超越臨界曲線時，表示上升或者下降速度加快.另一方面，MK檢驗通過尋找UF與UB曲線的交點位置確定突變始發點.該方法的優點是數據序列不會受少數異常值的干擾，同時也不需要遵從一定的規律［10］.采用MK法對黃河三角洲降水量的變化趨勢進行分析，得到各站的統計參數M，再采用IDW法進行插值，得到黃河三角洲降水量的空間變換特征.

2 降水量時空變化特征分析

2.1 時間變化特征分析

2.1.1 年內變化

對黃河三角洲地區5個氣象站的逐日降水量進行統計分析，其多年（1961－2006年）平均降水量約為620mm.其中，春季（3～5月）為96.1mm，約占全年的15.5%；夏季（6～8月）為344.2mm，約占全年的55.5%；秋季（9～11月）為104.7mm，約占全年的16.9%；冬季（12～2月）為75.1mm，約占全年的12.1%.具體分布如圖1所示.

圖1 黃河三角洲多年平均降水量季節分配

2.1.2 年際變化

黃河三角洲地區降水量多年變化線性趨勢如圖2所示.由圖可知，自1961～2006年黃河三角洲地區的降水量呈現顯著的下降趨勢，經統計其下降率約為98.1mm／10a.Mann－Kendall非參數檢驗統計值約為－3.19，并且置信度檢驗達到99%.

由年際變化來看，黃河三角洲地區的降水量在20世紀70年代的中后期發生突變，通過MK檢驗可以看到突變發生的時間點為1976年.1976年之后，黃河三角洲地區的降水量呈現明顯的下降趨勢，1977～2006年平均降水量比1961～1976年平均降水量低約300mm，MK檢驗結果如圖3所示.

圖2 多年降水量線性變化趨勢（1961～2006年）

圖3 降水量MK突變檢驗結果（1961～2006年）

2.2 空間變化特征分析

采用IDW法分別對1976年突變前后（即1961～1976年和1977～2006年）各氣象站的多年平均降水量及突變前后的差值進行空間插值，其中1961～1976年平均降水量的等值線圖如圖4所示，1977～2006年平均降水量的等值線圖如圖5所示，突變前后差值的空間分布如圖6所示.

圖4 多年平均降水量等值線圖（1961～1976）

圖5 多年平均降水量等值線圖（1977～2006）

圖6 突變前后多年平均降水量差值空間分布圖

由圖5與圖6可知，黃河三角洲地區的降水量從東部、東南部逐步向西部遞減，其中1961～1976年由890mm遞減到750mm，1977～2006年由570mm遞減到540mm左右.突變前后的變化值的空間分布同樣是由東南部、東部向西部內陸遞減，其中東營站附近突變減小值最大，在310mm以上，廣饒站在300mm左右，墾利站在270mm左右，河口站在240mm左右，墾利站最小在210mm左右.

3 未來降水量情勢預測

基于以上降水量時空變化特征分析方法，對黃河三角洲地區2011～2045年降水量的年際線性變化趨勢進行預測，結果如圖7所示.可以看出，未來30幾年里，黃河三角洲地區降水量呈現緩慢的下降趨勢，下降速率約為15.4mm／10a.

圖7 黃河三角洲未來降水量年際變化（2011～2045年）

同時，對黃河三角洲地區2011～2045年降水量進行MK檢驗，結果如圖8所示.MK統計值為－0.72，其中2011～2033年呈現下降趨勢，2033年后逐步有所回升，變化均通過95%的置信度檢驗.

圖8 黃河三角洲未來降水量變化MK檢測（2011～2045年）

4 結論與建議

采用Cumulative deviations（Q／n－0.5，R／n－0.5）、Bayesian procedures（U，A）與Von Neumann ration（N）統計分析、Mann－Kendall非參數檢驗、反距離權重（Inverse distance weight，IDW）法分析1961～2006年以來黃河三角洲地區降水量的時空變化特征，主要分析結果為:

（1）1961～2006年以來，黃河三角洲地區多年平均降水量約為621.1mm.其中，夏季（6～8月）和秋季（9～11月）降水量占全年的72.4%，春季占15.5%，冬季占12.1%.從長時間序列來看，黃河三角洲地區降水量存在緩慢下降的趨勢，下降速率99.3mm／10a，減少趨勢通過99%置信度檢驗.并且在1976年左右發生突變，之后呈現顯著下降趨勢.

（2）從空間變化而言，降水量從東部、東南部逐步向西部遞減，其中1961～1976年由890mm遞減到750mm，1977～2006年由570mm遞減到540mm左右.對比突變前后的變化值，大部分地區降水量減少值在210～310mm左右.

通過2011～2045年降水量變化的情勢預測，結合黃河三角洲的實際狀況，對水資源的可持續利用建議如下:

（1）大力倡導節約用水，努力促進節水型社會建設.樹立以供定需的觀念，積極調整種植結構，推廣節水灌溉，發展旱作農業；建立水權轉讓制度，農業節水轉換給工業；建立合理的水價形成機制，鼓勵公眾的參與，促進節水社會化.

（2）當地水、客水合理調配，優化利用.本研究結果表明，黃河三角洲當地水資源未來呈現下降趨勢，因此要充分利用山東省分配的引黃客水，提高客水利用量.

（3）拓寬開源渠道，增加可供水量.在保證黃河大堤安全又不惡化水環境的條件下，采用淺井、聯井及廊道井等形式進行小范圍的地下水資源開發.

（4）加大水污染防治工作力度，提高水源水質.要實行污染總量控制和排污許可證制度，積極搞好河道污染治理，嚴格控制污染物排放.積極做好城市污水處理和垃圾處理設施建設，提高整個三角洲地區污水和垃圾處理率.

［1］許云鋒，左其亭.塔里木河流域氣候變化與徑流變化特征分析［J］.水電能源科學，2011，29（12）:1－4.

［2］Hao Z X，Zheng J Y，Ge Q S.Precipitation cycles in the middle and lower reaches of the Yellow River［J］.Journal of Geographical Sciences，2008，18（1）:1736－2000.

［3］Liu Q，Yang Z F，Cui B S.Spatial and temporal variability of nnual precipitation during 1961－2006in Yellow River Basin，China［J］.Journal of Hydrology，2008，361:330－338.

［4］李景剛，黃詩峰，李紀人，等.1960～2008年間洞庭湖流域降水變化時空特征分析［J］.中國水利水電科學研究院學報，2010，8（4）:275－280.

［5］Xu C Y，Singh V P.Evaluation of three complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimate actual regional evapotranspiration in different climatic regions［J］.Journal of Hydrology，2005，308:105－121.

［6］高鵬，穆興民，王飛，等.中國東北地區近百年來降水量變化趨勢分析［J］.水文，2010，30（5）:80－84.

［7］Maniak U.Hydrologie and Wasserwirtschaft［M］.Berlin:Springer（in German），1997.

［8］王艷君，姜彤，許崇育，等.長江流域1961－2000年蒸發量變化趨勢研究［J］.氣候變化研究進展，2005，1（3）:99－105.

［9］劉葉玲，翟曉麗，鄭愛勤.關于盆地降水量變化趨勢的Mann－Kendall分析［J］.人民黃河，2012，34（2）:28－33.

［10］魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術［M］.2版.北京:氣象出版社，2007.