基于M-K方法的大凌河中游降水量時空演變及突變特征分析

景淑娟，徐世民

（1.遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽1110101；2.遼寧省阜新水文局，遼寧阜新118000）

基于M-K方法的大凌河中游降水量時空演變及突變特征分析

景淑娟1，徐世民2

（1.遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽1110101；2.遼寧省阜新水文局，遼寧阜新118000）

以大凌河中游大城子水文站以上為研究區域，結合區域內1955～2014年近60年實測降水量數據，應用MK方法分析大凌河中游降水量時空演變以及降水突變特征。并在此基礎上定量分析降水量和地下水埋深之間的關系。研究結果表明：近60以來大凌河中游降水量增長趨勢較弱，呈現5～10年的變化周期，不同季節降水量突變年份呈現個異性變化；從20世紀90年代到2000年后降水空間呈現由北向南逐漸遞增的趨勢，增長幅度較大；降水量和區域地下水埋深呈現較好的線性關系，相關系數達到0.7167。研究成果對于區域水資源變化評估提供參考價值。

M-K方法；降水量時空演變分析；突變特征分析；大凌河中游

降水量為區域水資源的主要補給量，對于區域降水量特性的分析將對區域水資源量的準確評估至關重要，對于降水量特性的分析，國內許多學者進行過研究，取得一定的研究成果［1-7］，在這些研究成果中，M-K方法［8-9］在降水量趨勢以及突變分析中應用較為成熟，但是M-K方法在區域不同季節突變分析中應用還較少，而年降水量在不同季節分配不同，出現突變的原因和年份也不相同，呈現個異性［10］。為此本文選用M-K方法，對遼寧西部大凌河中游降水量的時空演變以及突變特征進行分析，并重點分析不同季節降水量的突變特征，此外，由于大凌河中游地地處遼寧西部地區，屬于干旱半干旱區域，區域地下水資源量占總水資源量70%以上，比例較高，在降水量分析的基礎，本文還定量分析了降水量和地下水埋深之間的相關關系。研究成果對于區域水資源量變化評估提供參考價值。

1 M-K趨勢分析及突變分析原理

1.1 趨勢分析

M-K檢驗，時間序列數據（x1，x2，…，xn）是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，檢驗統計量的定義S：

式中，1≤j＜i≤n；S近似服從正態分布，標準差為σs；Z＞0表示增加趨勢，Z＜0表示減少趨勢，查表可知Z的絕對值大于一定值時表示通過了不同置信度的顯著性檢驗。

1.2 突變分析

時間序列數據（x1，x2，…，xn）是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，其中mi表示第i個樣本xi＞xj（1≤j≤i）的累積數，定義一個統計量ck：

式中，E（ck）、σ（ck）為ck的均值和方差，UFk為ck的標準化；按逆序列數據（xn，xn-1，…，x1）重復上面過程，使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，UB1= 0。如果UF和UB兩條曲線在置信區間內出現交點，即為可能的突變點。

2 降水量時空演變及突變特征分析

2.1 研究區域概況

本文以遼寧西部第一大河大凌河中游為研究區域，研究區域主要位于遼寧省干旱半干旱區域，區域多年平均降水量為600mm，降水主要集中在7～9月份，由于地處干旱少水的區域，其水資源量相對較為匱乏，地下水資源在總水資源量的比例高達70%。

2.2 年降水量變化分析

結合小凌河流域1955～2014年年平均降水量，采用M-K趨勢分析方法對遼寧西部小凌河流域的年降水量進行趨勢分析并結合小波周期分析方法對區域降水變化周期進行分析，分析結果見圖1。

圖1（a）為大凌河中游年降水量變化趨勢分析結果，從圖中可以看出，大凌河中游年降水量呈現微弱上漲趨勢，上漲趨勢不顯著，未能通過置信度為95%的假設檢驗，表明大凌河中游的年降水量變化較小，為對大凌河中游降水量的變化周期進行分析，采用小波周期分析方法對大凌河中游的年降水量進行周期分析，見圖（1）b，從圖1中可以看出，大凌河中游的年降水量小波方差在0～30之間，其年降水量的小波呈現5～10的周期性變化，變化周期性較短，區域降水量年際變化較快。

圖1 研究區年降水變化分析

2.3 不同季節降水量突變特征分析

考慮到不同季節降水量變化的個異性，采用M-K方法對大凌河中游四個季節的降水量進行突變特征的分析，分析結果見圖2。

圖2 不同季節降水量突變分析

從圖2中可以看出，大凌河中游春季降水量在1960～1970年間呈現下降的趨勢，其突變點出現在1970年，從1970年以后其降水量開始上升，并在1989、1993、2013年其U統計值大于1.64，通過置信度為90%的假設檢驗。在夏季其降水量在90年代和2000年代呈現顯著的下降趨勢，綜合分析夏季降水量的突變點發生在1980年，秋季的降水量在1963～1966年其U統計值超過1.64，通過通過置信度為90%的假設檢驗，表明在這個時期大凌河中游冬季的降水量下降趨勢較為顯著，通過其M-K統計值得分析表面，在秋季其降水量突變點發生在1957年。而在冬季大凌河中游降水量遠小于其他幾個季節的降水量，冬季的降水量在1958～1960其M-K統計值超過了1.96，通過了置信度為95%的假設檢驗，在這三個年份的降水量呈現了顯著的下降趨勢，這三個年份也呈現了嚴重的干旱情況，通過對大凌河中游冬季M-K統計值綜合分析，在冬季大凌河中游的降水量在1973年出現突變。綜上可見，大凌河中游不同季節降水量呈現個異性，不同季節突變特征不同，突變年份也大不相同。

2.4 年代降水量空間變化分析

在大凌河中游降水量時間過程分析的基礎上，對大凌河中游降水量空間演變過程進行了分析，分析結果見圖3。

圖3 不同年代區域降水量空間變化分析

圖3 為不同年代區域降水量空間變化分析結果，從圖中可以看出，區域不同年代降水量空間變化分布較為不均勻，紅色部分代表降水量較大的區域，而藍色部分代表降水量較小的區域，黃色和橙色代表降水量中等的區域，從圖3（a）可以看出，在90年代大凌河中游從西向東呈現遞增的趨勢，但降水量增加幅度較小，而進入2000年代以后，極端降水事件頻發，區域降水量較大的區域出現在大凌河中游的北部區域，且降水量的空間變化呈現從90年代的由西向東遞增變化到由北向南逐漸遞減，降水量的空間分布出現變化。

2.5 降水對地下水變化的影響

為分析降水對地下水的影響，結合大凌河中游降水量和地下水數據，點繪了研究區域地下水和降水量之間的相關關系，結果見圖4。

圖4 研究區域降水量和地下水位的回歸分析

從圖4中可以看出研究區的降水量和地下水變化有著較好的相關關系，相關系數達到0.7167，可以看出，降水量的變化勢必造成地下水的動態變化，從2000年以后大凌河中游地下水發生了較大程度的變化，一部分是由于區域開采量的變化，另外一部分還主要是因為2000年以后大凌河中游降水量呈現一定程度的變化，從而使得區域的地下水出現較為明顯的變化，從圖中還可以看出，大凌河中游的降水量和地下水變化呈現線性變化關系，當區域的降水量增加100mm，區域地下水水位可以抬升0.6m，可見，大凌河中游降水量對于區域地下水變化的影響較為顯著。

3 結語

本文采用M-K方法，結合大凌河中游1955～2014年近60年的降水數據，統計分析了大凌河中游降水量時空變化以及突變特征，分析得到以下結論：

（1）大凌河中游年降水量由于均化影響，變化不明顯，但是季節降水量變化程度遠高于年降水量的變化，在水資源評估中，應重點分析不同季節降水量對水資源量的影響；

（2）由于2000年后，區域極端降水事件頻率增加，使得區域降水量高值區域增加，呈現由北向南遞增趨勢；

（3）降水量和區域地下水呈現線性關系，降水量增加100mm，區域地下水水位可以抬升0.6m。

［1］陸思.鐵嶺站降水量年際變化特征分析［J］.水利技術監督，2015（05）：60-61+66.

［2］朱蘇云.基于GA優化的蒙特卡洛模型在降水量預測中的應用［J］.水利規劃與設計，2016（04）：52-55.

［3］楊正華.石羊河流域降水特征值及變化趨勢分析［J］.水利規劃

與設計，2016（05）：23-25.

［4］劉婧婧，林敏，張萬娟，等.1959～2008年大石橋市降水變化特征分析［J］.現代農業科技，2015（07）：252-254.

［5］陳偉明，伍小紅.1965～2011年云浮地區降水氣候特征分析［J］.現代農業科技，2015（07）：266+268.

［6］喬世嬌，袁飛，王妍，等.黃河源區近50a極端氣候變化趨勢分析［J］.人民黃河，2015（05）：20-23.

［7］康穎，張磊磊，張建云，等.近50a來黃河源區降水、氣溫及徑流變化分析［J］.人民黃河，2015（07）：9-12.

［8］閆丹丹.三江平原水資源時空變異特征分析［D］.東北農業大學，2015.

［9］楊雪麗.氣候變化對漳衛南流域水資源安全影響研究［D］.濟南大學，2012.

［10］李文艷.董志塬地下水系統動態及水資源合理利用［D］.蘭州大學，

2013.

P332.1

A

1008-1305（2017）01-0130-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.040

2016-10-11

景淑娟（1966年—），女，高級工程師。