1961年—2014年西遼河流域降水時空變異性診斷

吳凱　王曉琳　王高旭　吳永祥

摘要：對西遼河流域1961年-2014年降水量年值建立了由基于過程線、滑動平均、Hurst指數的初步診斷，基于相關系數、Manrr Kendall檢驗、滑動T檢驗、小波分析的詳細診斷兩部分組成的變異診斷系統。并聚焦近10年（2005年-2014年）年降水量時空分布，其年均降水與多年（1961年-2014年）、1961年-1970年、1971年-1980年、1981年-1990年和1991年-2000年五組平均年降水空間分布比較，對采用ArcGIS的Kriging插值后的差值時空分布進行了詳細闡述。結果表明：年降水量序列呈輕微下降的整體態勢，未來具有增加的可能性；6 a、18 a或30 a為其主周期，1998年是年降水量的突變年。空間分布上，年降水量變異程度大致呈現自流域西南、東部向北部增大的趨勢。近10年屬于少雨年份。在空間分布上整體少于上述五組降水數據。

關鍵詞：降水；西遼河流域；時空變異；趨勢分析；突變檢驗；小波分析

中圖分類號：TV211.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0022-07

大氣降水是決定水資源量時空分布最重要的因素，是陸地水循環中的最活躍的因素，是生態系統的形成、演化過程關鍵環節。我國用水矛盾突出，而在區域水循環、水資源的研究中，降水的時空變異研究是一項基礎而又重要的研究工作，國內外已有相當數量和深度研究。但先前針對西遼河整個流域的降水的時空變異相關研究較少，且多數研究利用的觀測資料基于的氣象臺站數量稀少，精確度受限，對該區域降水的時空變異的診斷細部分析表達不夠，同時對影響近年來社會經濟發展程度最大的近10年降水情況則未給予特別關注。本文采用基于國家氣象信息中心基礎資料專項最新整編的中國地面2 472臺站降水資料得到的高密度氣象站網的降水長序列觀測分析資料，詳細計算和探討區域降水時空變異。

1研究區域

選取西遼河流域為研究區域，邊界采用水資源分區的西遼河區。西遼河流域是遼河流域上中游，流域地勢上自蒙古高原過渡到遼河平原，地勢西高東低。其中流域絕大多部分區域屬于行政區中的內蒙古自治區的赤峰市和通遼市，極小部分屬河北、遼寧和吉林三?。▓D1），面積約為13 5萬km²。主要屬于我國草原沙地農牧生態區，是典型的生態敏感區和脆弱區，流域生態環境曾因為自然或人類活動因素變異發生劇變。在氣候上屬于暖溫帶半濕潤向中溫帶半干旱氣候的過渡帶，大部分處于干旱、半干旱氣候區。年均氣溫5.0℃～6.5℃，年均降雨量350-500 mm。流域降水地帶差異性顯著，總體上表現為白西南向東北逐漸增加。季風控制的7、8兩月降水占年降水的近60%。地區降水受地形影響顯著，山區高于平原。

2數據來源及計算方法

2.1數據來源

本文計算數據采用中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）的“中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數據集（V2.0）”。該數據集的數據來源于國家氣象信息中心基礎資料專項收集、整理的1961年至最新的全國國家級臺站（基本、基準和一般站）的降水月值資料，同時結合GTOP030數據和DEM得到的數據。數據集質量狀況良好，數據完整，采用其中的1961年1月至2014年12月共648個月數據文件。

2.2計算方法

月/年降水量是指相應時段（月/年）降水的累積深度，單位均取mm。降水變異系數（Cv）是指分析時段降水量的序列標準差與其均值的比值，表示降水時間尺度上的波動性強弱。降水的區域分布圖是基于計算后的格點數據在A reGIS軟件平臺上采用適合于本區域的克里金插值法進行繪制的。

對西遼河流域年降水量建立變異診斷系統：首先利用過程線、累積距平、五年滑動平均和Hurst指數進行初步診斷分析確認是否存在確定性成分。目估原始序列的過程線，初步判斷其趨勢性；五年滑動平均則使波動影響大大削弱，新序列的趨勢性更加容易目估得到。接著采用包括相關系數、Mann-Kerrdall檢驗、滑動T檢驗和小波分析四種方法對趨勢性、跳躍性和周期性特征進行詳細診斷；根據以上計算進行綜合分析，闡述降水的分析診斷結論（圖2）。

2.2.1初步診斷方法

（1）滑動平均。

對于指定的序列x₁，x₂，…，x_n，計算幾個前期值和后期值的均數得到新的序列y_t，對新序列作出過程線并進行觀察。數學表達式為

（1）

（2）Hurst系數。

采用R/S（重標極差分析）檢驗法計算水文序列的Hurst系數。即對于某時間序列，計算出差分序列，該差分序列代表了該時間序列的增長率或者衰減率的；然后計算出對應于不同時滯的極差（R）和標準離差（R/S）。如果極差與標準離差的比值隨時滯而呈冪律分布的趨勢，則冪指數即為Hurst系數。具體為；考慮一個時間序列增量|X_（τ）|，這里X_（t）=B（t）-B（t-1），B（t）為時刻t的觀測值（t=1，2，…）。對于任意正整數τ定義均指序列：

3年降水的時間變異診斷

3.1初步診斷

利用西遼河流域1961年一2014年共54年的年降水量數據做出過程線（圖3），西遼河流域年降水量在271.9～557.5 mm之間，年均降水量為400mm，變異系數CV為0 16。1998年降水量出現序列的最大值為558 mm，2009年降水量則出現序列的最小值為272 mm，最大值與最小值相差約一倍，流域降水年際變化較大。目估整個過程線，1999年-2011年降水出現了明顯的凹陷區。

利用式（1）繪出五年滑動平均線（圖3），通過觀察發現其波動性明顯。具體來說，五年滑動平均線在1979年-1998年對應位置出現一個谷峰；對應于1999年-2010年的五年滑動平均線，總體呈下降趨勢，且這一段的值處于整個序列的低谷區；2010年-2014年才有所抬升。

利用式（2）～（7）計算，1961年-2014年共54年的年降水量Hurst指數H=1.351 3<0.5，表明降水序列的變化率具有長程記憶，差分序列的一階自相關系數C=-0.1863<0，C的意義是事物隨時間的變化率-增長率或者衰減率。H和C計算結果表明時間序列變化前后負相關，即過去降水量的整體減少趨勢與未來的變化趨勢相反，即未來年降水量可能將會增加。

對54年數據進行分組，對1961年-1978年、1979年-1996年和1997年-2014年三組、每組18個年降水量做出四分位數圖（圖4）進行基本統計量觀察。第三組數據教前兩組各分位值均比前兩組小，與五年滑動平均線及過程線分析結論相符。其中1961年-1978年此分組（第一組）的年降水量均值與多年平均年降水量相近；1979年-1996年此分組（第二組）的年降水量均值則多于多年平均年降水量；1997年-2014年此分組（第三組）的平均年降水量則少于多年平均降水量。表明近20年來，降水量偏少。其中第三組出現一個離群值，發生在1998年，年降水量為557.5 mm。

3.2詳細診斷

（1）趨勢分析。

54年來降水量總體呈下降趨勢，由式（8）計算線性回歸斜率為-0.53（圖3），即平均每10年年降水量減少S.3 mm，減少趨勢不明顯。線性擬合的方程F=0.865，未通過顯著性檢驗（置信度為a=0.05，F_a=3.84）。

（2）突變分析。

對1961年₂2014年西遼河流域降水量進行M₂K檢驗，其中檢驗曲線的步長取為6。顯著性水平α取為0.05，對應的臨界值曲線U_0.005=±1.96。由式（13）和（14）計算根據交叉點得出1975、1998年可能是突變年。為進一步對突變年進行篩選分析，基于滑動T檢驗法作進一步分析。對滑動T檢驗的步長同樣取為6，顯著性水平α取為0.05，由式（9）～（12）計算突變年則為1998年，結合兩個突變檢驗方法的結果，認為1998年極有可能是突變年。為進一步核實，分別計算可能突變年前后的年降水序列的均值，并進行對比分析。1961年-1998年和1999年-2014年年平均降水量為557.5 mm和516.7 mm，兩者相差近40 mm，差別較大。綜合以上分析，可以得到1998年是突變年。

（3）周期分析。

由式（15）～（20）計算表明，在不同的時間尺度上信號強弱具有不同分布的特征，信號強弱表征降水的波動性的強弱，也即與多年降水的差值。由圖5可以得到，28-32 a、15-20 a、5～7 a的時間尺度自強逐漸變相對較弱，相對應的振蕩中心分別為1967和2007年、1991年、1972和1985年。由以上分析可知，西遼河流域年降水量在整個時間尺度內28-32 a、15～20 a和5～7 a三個時間尺度波動變化影響?？梢哉J為其主周期為6 a，18 a或30 a。未來幾年處于周期性的雨量增長，因此未來雨量會增長，與R/S分析方法得到的結論一致。

4年降水的空間變異診斷

根據多年平均降水量等值線圖分析發現在西遼河流域中部即西遼河干流降水量在360 mm以下，其他區域年降水量則在360 mm以上，大致處于360-500 mm之間，流域南部、東部、北部邊緣區域出現了400 mm以上降水量。植被覆蓋影響到流域降水量的分布狀況。1961年-2014年西遼河流域年降水量變異系數在0.166-0.256之間，平均值為0.208。根據西遼河流域變異系數等值線圖可以得出：變化程度較大的區域集中在流域北部，烏力吉木仁河區域，大致呈現自流域西南、東部向該區域遞增的趨勢，其中西遼河流域西南部和東部變異系數最小，約為0.18。該區域大部分同時也是年均降水量偏少區域。

為進一步分析近10年（2005年-2014年，下同）降水量空間變異情況，對近10年與多年（1961年-2014年）、1961年-1970年、1971年-1980年、1981年-1990年和1991年-2000年五組平均降水量求差，并疊加縣級行政區劃得出的區域降水量變異圖組（圖7），差值變化特征見表1。

與五組年均降水數據（多年（1961年-2014）、1961年-1970、1971年-1980、1981年-1990和1991年-2000年平均降水量）差值分布圖顯示，除1971年-1980年外，近10年來降水較其他三組數據均減少，極少區域出現正值，符合上文中對3組降水量分為統計量的分布特征（圖3）。

圖7可以反映出降水量的空間變化也具有波動性的特征。此外減少的水量沿著時間的序列逐步增大，且差值的極值大小隨時間變大，表明1961年以來降水的空間和時間分布隨時間變化其變異程度越來越大。整體上東部變化程度較西部小，南部變化程度較北部小，與變異系數C，的空間分布特征（圖6）基本吻合。流域北部變異程度最大。整體上東部變化程度較西部小，南部變化程度較北部小的特征。

5結論

通過診斷系統得到：1961年-2014年年降水量存在明顯的多年代尺度波動，54年年降水量呈微弱減少趨勢，而未來的變化趨勢則可能相反。其整體變化趨勢符合全球氣候變化的大背景，同時具有明顯的周期性和跳躍性?；贏rcGIS的克里金插值空間變異性發現近10年空間上降水量大幅減少，地帶性分布明顯。針對水文要素的變異規律研究，應結合線性趨勢、非線性趨勢、跳躍性和周期性等多種角度采用多種方法進行分析，對不同方法下得到的結果進行比較分析，進而得到綜合性結論。