龍灘水庫流域1959年～ 2014年氣溫、降水變化特征分析

黃 亞,肖偉華,陳立華

(1.廣西大學土木建筑工程學院,廣西南寧530004；2.中國水利水電科學研究院水資源所,北京100038)

龍灘水庫流域1959年～ 2014年氣溫、降水變化特征分析

黃 亞1,肖偉華2,陳立華1

(1.廣西大學土木建筑工程學院,廣西南寧530004；2.中國水利水電科學研究院水資源所,北京100038)

運用線性趨勢法、滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗法以及Morlet連續復小波等氣象統計分析方法對龍灘水庫流域的氣溫、降水變化趨勢、突變位置、周期性進行了分析。結果表明,龍灘水庫流域過去的56年間氣溫經歷了由低溫到高溫的突變過程,氣候傾向率在0.141 ℃/10 a左右,降水呈現略微下降趨勢,變化幅度23.6 mm/10 a左右；氣溫增幅從東北向西南方向增加,降水傾向率則從西北向東南逐漸減少；流域內冬季的氣溫升溫幅度最為明顯,增溫幅度達0.21 ℃/10 a左右,降水傾向率則秋季最大,達-3.71 mm/10 a；龍灘水庫流域氣溫及降水的突變點在2001年～2002年間,第25年的變化強度最為劇烈,流域下一個周期將進入枯水、高溫期。

氣候變化；氣溫；降水；龍灘水庫流域

氣候變化正在以深刻的方式影響著全球,任何區域的氣候狀態都要受大氣候背景的影響。大量研究表明,中國也經歷著氣溫上升,降水區域變化的過程。這與全球氣候變化的趨勢是一致的[1]。氣候變化正對供水、防洪、水生態環境安全造成多方面的影響[2-4]。不同區域的氣候變化特征不盡相同,都具有各自的特殊性。目前,國內關于不同地區氣候變化下氣溫、降水的變化特征分析研究已有許多研究成果[5-9]；而關于龍灘水庫流域氣候變化特征相關研究較少,僅竇慶榮等[10]對龍灘水庫黔西南淹沒區的氣溫變化特征進行了研究；舒興武等[11]對龍灘水庫貴州庫區局部氣候變化分析。相關研究表明,水庫流域既是氣候變化敏感區域,又是生態環境脆弱帶[12-13]。水庫作為重要的供水水源,其運行調度在緩解水資源矛盾中發揮著舉足輕重的作用[14-15]。由于氣候變化以及人類活動的影響日益加劇,龍灘水庫流域氣候以及水生態環境已經發生了相應的改變。本文利用氣象研究分析了流域內氣溫、降水的變化特征,可以充分了解龍灘水庫流域內氣候要素受全球氣候變化影響程度以及趨勢,對氣候變化給水庫流域帶來的影響研究,流域生態建設和水資源的可持續利用管理有重要的指導意義。

1 研究區概況

龍灘水庫地處中國西南部，壩址坐落于中國西南部廣西、云南和貴州的三省的交界處(見圖1),水庫是一座兼具發電、防洪、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程,是紅水河梯級開發的龍頭水庫,其流域總面積98 500 km2。流域所在水系為珠江水系干流的紅水河中上游,占紅水河流域面積的71.2%。

圖1 研究區域及氣象站點分布

龍灘水庫流域地處喀斯特山區,屬于亞熱帶氣候區,氣候溫和多雨,地勢自西北向東南傾斜,流域平均海拔高程1 450 m。流域內各地的多年平均降雨量在760～1 860 mm之間,汛期(4月～10月)占全年水量的88.4%,多年平均月降雨量最大值出現在6月份,占多年平均降雨量的19%,其次是7月、8月和5月,流域內各地區多年平均氣溫在12.3～21.3℃之間。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

本文所用氣象資料通過中國氣象數據共享網下載獲取,選取龍灘水庫流域內12個氣象站(1959年～2014年)以及流域鄰近的8個氣象站(1959年～2014年)56 a的月平均氣溫及月降水數據,對部分站點缺測數據利用ArcGIS克里金插值以及多元回歸插值進行補全,構建龍灘水庫流域1959年～2014年的月平均氣溫、月降水數據時間序列。

2.2 分析方法

本文對龍灘水庫流域氣溫和降水的季節變化、年際變化進行了研究,季節分析時,以3月～5月為春季,6月～8月為夏季,9月～11月為秋季,12月～2月為冬季進行分析。文中采用線性趨勢分析[16]、滑動平均[17]分析氣溫、降水時間序列的趨勢性變化；采用累計距平法[18]辨析氣溫、降水年際變化的階段性；采用Mann-Kendall非參數統計檢驗方法[19]確定氣溫、降水序列的突變位置；采用Morlet連續復小波法[20]分析氣溫、降水多時間尺度的周期性。

3 結果與分析

3.1 年際變化趨勢分析

氣溫年際變化趨勢分析表明：龍灘水庫流域年均氣溫為16.3 ℃,最高溫度為17.3 ℃(1998年),最低溫度為15.6 ℃(1976年)；20世紀70年代起,氣溫便呈上升趨勢,特別是90年代后升溫速率明顯加快,增溫速率達0.623 ℃/10 a。據線性回歸及5年滑動平均分析,龍灘水庫流域近56年來氣溫升溫趨勢明顯,氣候傾向率在0.141 ℃/10 a左右(見圖2a),較全國近50年的氣候傾向率(0.22 ℃/10 a)[21]以及整個廣西氣溫傾向率(0.148 ℃/10 a)[22]略低；而相比全球近50年(1956年～2005年)的氣候傾向率0.13 ℃/10 a則略高。這表明流域與全球氣候變暖的趨勢一致,氣溫變幅較其他地區有一定的差異。

流域多年平均降水量為1 085.5 mm,最大值為1 331.2 mm(1965年),最低723.2 mm(2011年)。流域降水在20世紀70年代后表現出較強波動性變化,降水量在波動中呈現明顯的下降趨勢。特別是進入21世紀后,降水減少趨勢尤為明顯。這與全國平均年降水量波動略有減少的整體趨勢相同[6],也與陳立華等[23]研究西江流域干流所得趨勢一致,降水傾向率為23.6 mm/10 a(見圖2b)。

圖2 龍灘水庫流域年氣溫及降水變化趨勢

3.2 空間分布趨勢分析

從各氣象站的氣溫變化趨勢分析,除貴陽、興義、盤縣3個氣象站點呈現略微下降的趨勢外,其余的17個氣象站點的氣溫都呈現出升溫的態勢,但升溫幅度有一定的不同。其中氣溫增幅最大的是昆明氣象站,增溫幅度達到了0.404 ℃/10 a,其次是宜良和玉溪氣象站,分別達到了0.389 ℃/10 a和0.258 ℃/10 a。另外,從地理位置分布上看,溫度變化呈一定的分布規律,氣溫由西北向東南逐漸增加,而氣溫傾向率則是由東北向西南方向增加。

從各個站點的降水情況看,均出現了降水量減少的趨勢。其中,宜良、安順降水量減少趨勢尤為明顯,降水傾向率均達到了-4.0 mm/10 a；其次是沾益和盤縣,降水傾向率分別達到了-3.9 mm/10 a和-3.4 mm/10 a。從地理位置上分析,流域東部降水明顯比流域西部降水多,且降水主要集中在流域的中東部地區,而降水傾向率則是在流域的中部出現較大的變化,且從西北向東南逐漸減少。

3.3 季節變化特征分析

在氣溫的季節變化上,龍灘水庫流域各個季節都有一定的升溫。其中,增幅最大的是冬季,達到0.21℃/10a；秋季次之,為0.16 ℃/10 a；夏季為0.11 ℃/10 a。春季增溫幅度最小,為0.09 ℃/10 a(見表1)。全國四季氣溫傾向率分別為：冬季0.39 ℃/10 a,秋季0.20 ℃/10 a,夏季0.15 ℃/10 a,春季0.28 ℃/10 a[24]。可見,龍灘水庫流域四季溫度變化趨勢與全國四季溫度變化趨勢基本一致；但是龍灘水庫流域四季增溫速率明顯低于全國水平。

在降水的季節變化上,四季均呈現不同程度的減少趨勢,其中秋季減幅最大,為-3.71 mm/10 a；夏季次之,為-2.52 mm/10 a；春季-1.33 mm/10 a；冬季減少幅度最小,為-0.30 mm/10 a,見表1。全國四季降水傾向率分別為：秋季-4.48 mm/10 a,夏季0.39 mm/10 a,春季-2.86 mm/10 a,冬季-1.37 mm/10 a[25],表明在全球氣候變化的背景下,龍灘水庫流域四季降水量變化趨勢與全國四季降水量變化趨勢基本一致,但是在夏季減少的趨勢與全國呈現出的略微增加趨勢略有差異,且其他季節的減少趨勢明顯低于全國水平。流域內降水在季節分配上發生了一定的變化,具體表現為暖季降水有逐漸減少的趨勢,地區暖干性增強。

表1 龍灘水庫流域氣溫與降水量季節變化

3.4 變化趨勢突變分析

圖3 氣溫變化趨勢突變

由圖3a分析可知,1997年以前UF<0,氣溫呈現出不顯著的波動降低趨勢；1997年以后UF>0,氣溫開始逐漸上升,在2001年UF與UB出現交點,且交點在0.05顯性水平臨界值內；在2010年后繼續呈現波動上升趨勢,并且超過了顯著性水平0.05時的上限臨界值,氣溫增溫趨勢達到顯著程度。根據累積距平分析,1959年～2014年水庫流域年平均氣溫累積距平呈先下降后上升的“U”字形趨勢,1959年～1985年呈現下降趨勢,1986年～1996年維持了一個短暫的平穩時期,1997年～2014年呈現上升趨勢,說明流域內氣溫經歷了從下降到上升的過程(見圖3b)。結合兩種方法的分析結果判斷龍灘水庫流域年平均氣溫可能在2001年左右發生了由低溫到高溫的突變。

從圖4a所示,1986年以前UF>0,降水呈不顯著的增長趨勢；1986年以后UF<0,說明降水呈波動下降趨勢,下降趨勢不明顯,隨著時間的推移,在2002年UF與UB相交,交點在0.05顯性水平上下臨界值內；在2010年以后UF超過0.05顯性水平的下限臨界值,且繼續呈減少的趨勢,表明降水減少的趨勢已經達到顯著程度。累積距平分析表明,1959年～2014年龍灘水庫流域降水量經歷了較為明顯“升→降”的變化過程(見圖4b),按照降水量年際變化過程龍灘水庫流域56 a的降水量序列可以分為如下的幾個時段(持續期5 a以上)：兩個上升段即1959年～1985年、1992年～2001年；兩個下降段即1986年～1991年、2002年～2014年,降水增長趨勢持續時間明顯大于下降趨勢持續的時間,且下降主要發生在20世紀90年代以后。結合兩種方法的分析結果,判斷龍灘水庫流域降雨量在2002年左右可能發生了由多到少的突變。

3.5 變化周期性分析

由龍灘水庫流域年氣溫Morlet小波變換系數實部等值線圖分析可知,流域氣溫的變化表現具有一定的周期性,氣溫小波系數等值線在3～7 a、9～11 a、23～26 a左右的時間尺度上較為密集,在25 a時間尺度上存在峰值,說明在25 a左右的周期震蕩最強。

降水量Morlet小波變換系數實線等值線圖分析表明,流域降水表現為不同時間長度的周期性,在3～7 a、9～11 a、23～26 a左右的時間尺度上較為密集。年降水量的小波方差在3 a、10 a、25 a的時間尺度上存在峰值,其中25 a左右周期震蕩最強,為第一主周期,第二、三周期依次約為10 a、3 a,在25 a的時間尺度上,龍灘水庫降水1959年～1968年、1972年～1985年、1993年～2002年、2006年～2014年為正相位,即豐水期,其他時段為枯水期。在25 a、10 a尺度周期上表現出未來一段時間降水量可能進入一個相對較少的時期。

4 結 語

(1)龍灘水庫流域近56年來氣溫整體呈上升趨勢,氣溫傾向率達到0.141 ℃/10 a,這比全國及全球變暖的趨勢要緩和很多；降水呈下降的趨勢,降水傾向率達到23.6 mm/10 a,這與全國平均年降水量波動略有減少的趨勢相同。

(2)氣溫和降水變化具有一定的空間分布規律,氣溫由西北向東南逐漸增加,傾向率則是由東北向西南方向增加；降水主要集中在流域中部,整體上東部多余西部,傾向率由中西部地區向東南以及西南方向逐漸減少,流域西南地區即云南省東北部,溫度高與流域其他區域,降水量明顯少于流域其他區域。

(3)氣溫的季節性表現為冬季增溫顯著,其次是秋季和夏季,春季增幅最小,各季節增溫速率低于全國平均水平；降水在秋季顯著減少,冬季減幅最小,除了夏季減少趨勢與全國呈略微增加的趨勢有一定差別以外,其他季節減少趨勢均低于全國平均水平,整個地區暖干性呈增強態勢,夏季和秋季暖干程度高于春季和冬季。

(4)龍灘水庫流域氣溫突變時間在2001年左右,降水突變在2002年左右,較氣溫突變時間稍晚；流域氣溫存在25 a的強顯著周期,降水也存在25 a的強顯著周期,同時還存在3 a、10 a的小尺度變化周期,根據周期變化情況預測未來將進入相對的少雨高溫期,流域的暖干程度將繼續增強,流域西南地區暖干程度尤為劇烈。

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(責任編輯 陳 萍)

國內高程最低、內壓最高的穿江大直徑鋼襯輸水隧洞勝利貫通

2016年12月22日，杭州市第二水源千島湖配水工程分水江穿江控制段暨施工8標隧洞全線貫通。國內高程最低、內壓最高的穿江大直徑鋼襯輸水隧洞，在整個工程16個標段中率先完成洞挖，標志著杭州市第二水源千島湖配水工程建設取得重大進展。

千島湖至閑林水庫輸水洞線全長112.34 km，是一項涉及杭州市近千萬居民福祉的重大民生工程，也是杭州市“五水共治”“保供水”的核心工程，在“兩美”浙江戰略部署中具有重大意義和作用。千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內取水，通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區閑林水庫，為下游原水輸水工程提供優質千島湖水，同時在輸水線路途中向建德市、桐廬縣及富陽區部分區域供水。

華東勘測設計研究院承擔了該工程8、9、11三個標段的總承包任務，其中8標題包括三個施工支洞和施工工區，兩個長度和高度達到20 m的地下閥室，兩段淺埋段，兩條放水豎井。其中輸水隧洞穿分水江段作為輸水線路全線施工難度最大、風險最高、技術含量最高的區段，其順利貫通對整個工程影響重大，為工程按期向杭州市民提供優質千島湖水奠定了堅實的基礎。

為確保工程永久運行安全，防止隧洞內優質的千島湖水不發生滲漏，不與分水江水連通，穿江段全長采用厚24 mm的鋼板襯砌，鋼管內徑5 m，江底段鋼管底板結構高程-50 m，由于隧洞與千島湖貫通，江底隧洞需承受最大內水壓力高達160 m。

千島湖配水工程總承包標段是華東院承接的首個采用鉆爆法開挖的穿江隧洞施工項目，也是承接的首個大型水利工程總承包項目，華東院聯合中鐵十八局集團有限公司共同實施該穿江隧洞段施工。自2016年1月開始，隧洞從分水江左右岸地下檢修閥室開始往江底挺進。總承包項目部在參建各方的配合下，采用TSP物探、地質雷達、紅外探水、水上鉆探、超前鉆孔取芯、超前探孔探水、鉆灌一體機超前灌漿等技術，成功解決了江底隧洞涌水、涌泥等世界級難題，勝利實現穿江隧洞貫通。

(華東勘測設計研究院)

Analysis of Temperature and Precipitation Characteristics in Longtan Reservoir Basin during 1959-2014

HUANG Ya1, XIAO Weihua2, CHEN Lihua1

(1. College of Architecture and Civil Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China;2. Water Resources Department, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

The changing trends, mutation positions and periodicity of atmospheric temperature and precipitation in Longtan Reservoir Basin are analyzed by using meteorological methods of statistical analysis such as linear trend method, sliding average method, mutation test method of Mann-Kendall and continuous complex wavelet of Morlet. The results show that: (a) in past 56 years, the atmospheric temperature of basin had experienced a mutation process from low to high with a tendency rate of nearly 0.141℃/10 a, while the precipitation showed a slight downward trend with a variation range of nearly 23.6 mm/10 a; (b) the atmospheric temperature tendency rate increases gradually from northeast to southwest, while the precipitation tendency rate decreases gradually from northwest to southeast; (c) the rising extent of atmospheric temperature in winter is the most obvious, and the increase range of temperature is about 0.21 ℃/10 a, while the precipitation tendency rate in autumn is the largest, reaching -3.71 mm/10 a; and (d) the atmospheric temperature and precipitation in Longtan Reservoir Basin had a mutation point around in 2001-2002 and the shock at the 25thyear is the strongest, so the following cycle of river basin would enter the period with water depletion and high temperature．

climate change; temperature; precipitation; Longtan Reservoir Basin

2016-04-21

國家自然科學基金資助項目(51669003)；廣西水利廳科技項目(201402)

黃亞(1990—),男,四川內江人,博士研究生,研究方向為水文學及水資源．

P467

A

0559-9342(2017)02-0018-05