觀音閣水庫流域降雨變化特征分析

李 德

（遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113000）

全球氣候變化大背景下，氣候變化一直是學科研究的熱點[1]。降水是氣候變化影響的重要指標之一，近些年來對降水演變的研究日益增多，對降水變化趨勢的分析也逐漸成為水文氣象研究領域的重要組成部分[2]。徐宗學[3]等研究了黃河流域降水趨勢并對比了線性回歸方法與Mann-Kendall法估算結果的區別；王大鈞[4]等利用1961年～2000年中國境內561個氣象站的逐日降水資料，研究了中國降雨強度和降雨日數的變化趨勢。劉勤[5]等通過各月氣溫降水數據探討了50 a來黃河流域氣溫和降水量變化趨勢特征；楊霞[6]等利用1971年～2006年新疆地區98個氣象站的逐日降水資料，分析得出新疆多年降水量和雨日均為北疆多余南疆。姚宛艷[7]等采用算術平均等方法對黃河流域溫度和降水的變化特點和趨勢進行了分析，表明黃河流域年降水量呈顯著減少趨勢，流域季節降水量變化趨勢不明顯。陳冬冬[8]等研究了我國西北地區近五十年降水變化特征，表明西北地區以強降雨為主，降水比重呈增加趨勢。

本文根據觀音閣水庫流域1995年～2017年逐月降水量資料，利用降水集中度（期）、不均勻系數和滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法、R/S分析法從降水特征變化趨勢及未來趨勢等方面著手，研究觀音閣水庫流域降水變化特征，為分析流域內水資源變化特征奠定基礎，同時為流域內相關氣象和水文研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況與數據資料

觀音閣水庫位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面積2795 km2，總庫容21.68億m3。洪水主要發生在6至8月份，洪水成因主要是此期間的大暴雨，壩址以上流域多年平均降水量822.6 mm。本文選取觀音閣水庫流域內8個雨量站1995年～2017年的實測降水量數據進行分析研究。

1.2 研究方法

本文以年降水量為研究對象，對觀音閣水庫流域年降水量特征進行分析，采用降水集中度、集中期和年內降水不均勻系數，來分析觀音閣水庫年內降水的特征。并運用滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法和R/S分析法對降水量變化趨勢進行分析。

a)集中度與集中期

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）[9]是描述流域降水量年內分配特征的參數，其中PCD反映年內降水的集中程度，PCP則刻畫一年中的最大降水出現的時段，具體計算如下：

式中：Pi為第i年年平均降水量；Pxi為第i年各個月降水量之和在x軸方向上的分量；Pyi為第i年各個月降水量之和在y軸方向上的分量；pij為第i年第j月的降水量；θj為研究時段內第j各月所對應的方位角；i為年份；j為研究時間域內的月序。

b）不均勻系數

式中：P0為年內月平均降水量；n為月降水量大于年內月平均降水量P0的個數；Pi為月降水量大于年內月平均降水量起第i月的月降水量。

c)Mann-Kendall趨勢分析法

Mann-Kendall法是非參數統計檢驗的方法，目前，Mann-Kendall趨勢及突變檢驗法對水文站實測徑流時間序列趨勢變化及突變點的分析已被廣泛應用于檢驗氣候與降雨的時間序列變化中，Mann-Kendall法能很好地揭示時間序列的趨勢變化。

d)R/S分析法

R/S(Re-scaled Range)是一種時間序列統計法。利用R/S分析法可以計算得Hurst指數H，該指數可以反映具有統計特性的非線性數據系列的持續性，適用于降水序列。通過Hurst指數，可判定降水時序的狀態持續性及其記憶長度。

2 降水量變化特征

2.1 年際變化特征

根據觀音閣水庫流域雨量站點實測降水量資料，統計觀音閣水庫流域年降水極值情況（見表1）。根據雨量站資料，通過算術平均法計算觀音閣水庫流域各年降水量，并繪制流域年降水量序列（見圖1）。由表1和圖1可知，觀音閣水庫流域平均年降水量為822.6 mm，其中2010年降水量最大（1410.2 mm），2014年降水量最小（545.4 mm）。觀音閣水庫流域年降水量呈現年際變化大，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍，最大年降水值大于平均值71.4%，最小年降水值小于平均值33.7%。1996年到2004年間降水量均較少，2005年至2013年出現了降水高峰降水較多的年份有2005年（1017.7 mm），2010年（1410.2 mm），2012年（1090.1 mm），2013年（927.5 mm),2013年以后降水開始減少，處于低水平狀態。

表1 觀音閣水庫流域最大最小年降水量極值比和超平均值比例

圖1 觀音閣水庫流域年降水量序列

2.2 年內變化特征

從觀音閣水庫流域1995年～2017年間平均降水量年內分配（圖2）可以看出，降水量在各月的分配不均勻，降水主要集中在6月～9月，降水量最大值主要出現在8月，最大月降水量占 年降水量的25.4%；最小降水量均出現在1月，最小月降水量占年降水量的0.94%。

圖2 觀音閣水庫流域降水年內分配圖

從表2可以看出，降水量也表現為較大的季節差異，全年降水主要集中在夏季（6月～8月），占全年降水量的64.5%；春季和秋季降水量相近，兩季降水量分別占全年降水量的16.6%、14.8%；冬季降水量較小，占全年降水量的4.1%。為深入分析臨水流域降水年內分配特征變化規律，采用年內分配不均勻系數、集中度（期）對臨水流域降水量年內分配進行進一步分析。

表2 觀音閣水庫流域降水量特征值

利用集中度、集中期和不均勻系數計算方法，分別計算觀音閣水庫流域降雨集中度、集中期和不均勻系數。統計降水集中度、集中期和不均勻系數特征值（見表3），降雨集中度的多年平均值為59.7%，最大值為74.1%，最小值為46.5%；降水年內分配不均勻系數多年平均值為42.0%，最大值為53.4%，最小值為32.4%，降雨集中度和不均勻系數高；降水集中期的平均值為183°，范圍為172°～196°。

表3 觀音閣水庫流域降水集中度（期）和不均勻系數特征值

繪制降水集中度（期）和不均勻系數年際變化曲線（見圖3）。由圖3 a可看出，降水集中度和降水年內分配不均勻系數年際變化趨勢高度一致，二者均表明流域降水集中度高、不均勻。由圖3 b及圖2可看出，多年平均的降雨集中期是主要集中在6月～8月，這與觀音閣水庫流域所處氣候環境相吻合，此段時間正值西南系統、西北系統、東北系統活躍期，降雨量比較豐裕。

圖3 降水集中度（期）和不均勻系數年際變化曲線

3 降水量趨勢性與持續性分析

根據流域降水量數據，繪制出觀音閣水庫流域多年降水量時間序列圖（見圖4）。滑動平均法可以使序列高頻震蕩對變化趨勢分析的影響得以弱化[10]，本文降水量以5 a進行滑動平均，觀察圖4，觀音閣水庫流域降水量在1995年～2017年期間呈現階段性，在1996年～2004年曲線起伏平緩，且降水量較少，2005年～2013年降水量增多，曲線起伏較大，2013年以后降水量有逐漸減少，總體上，年降水量變化趨勢呈不明顯的微弱下降。

圖4 觀音閣水庫流域多年降水量時間序列

觀察圖5，春季降水量序列呈不明顯微弱上升趨勢，夏季降水量序列呈下降趨勢，秋季降水量序列呈上升趨勢，冬季降水量序列呈上升趨勢。

圖5 觀音閣水庫流域季節降水量時間序列

利用Mann-Kendall趨勢分析法，計算統計量U值，如果U＞0，表明有上升趨勢，如果U＜0，表明有下降趨勢，當U＞U0.05/2=1.96,表示序列趨勢變化顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列統計量U值的計算結果見表4，年降水量呈下降趨勢，春、夏季降水量呈下降趨勢，秋、冬季降水量呈上升趨勢。

表4 降水量Mann-Kendall統計值成果

利用Mann-Kendall法揭示序列的趨勢特征，R/S分析法揭示序列的持續性[11]，結合兩種方法綜合得出未來的趨勢特征[12]。Hurst系數H的取值范圍為（0,1），當H=0.5時，降水量序列為隨機序列，目前的強度不會影響未來趨勢；當H＞0.5時，降水序列具有持續性，存在長期記憶性，即下一個狀態將持續上一個狀態的態勢，且其記憶性不隨時間標度而變化，當H＜0.5時，系統是一逆持續性的，即下一個狀態與上一個狀態的態勢相反，這種逆持續性行為的強度取決于距離零的遠近，H距離零值越近，負相關性越顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列的未來趨勢進行預測，計算結果見表5。在2017年后的一定時間內，觀音閣水庫流域年降水量呈現不顯著的下降趨勢，春、夏季降水量呈不顯著下降趨勢，秋、冬季降水量呈不顯著上升趨勢。

表5 降水量未來趨勢變化特征

4 結論

本文基于對觀音閣水庫流域內8個雨量站降雨資料的分析，得出以下幾個重要結論：

a）觀音閣水庫流域年平均降雨量為822.6 mm，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍,降雨量年際變化大；

b)利用集中度、集中期和不均勻系數分析了降水年內分布情況，降雨集中度和降水年內分配不均勻系數高，降水年內分布不均勻、集中度高；6月～8月是全年降雨的集中期，要注意當地的城鎮防洪和鄉村的山洪地質災害，做好相關預防工作；

c)采用非參數Mann-Kendall檢驗方法分析了觀音閣水庫流域降雨量的變化趨勢，結果表明觀音閣水庫流域春季、夏季降雨量均存在減小趨勢，秋季和冬季降雨量有增加趨勢；年均降雨量總體呈現弱下降趨勢，以上變化趨勢均不顯著；

d)2017年后的一定時間內，觀音閣水庫流域年降水量呈現不明顯的下降趨勢，春季、夏季降水量呈現不明顯的下降趨勢，秋季、冬季降水量呈現不明顯的上升趨勢。