太子河流域降水時(shí)空變化特征分析

馮夏清

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

近年來，隨著全球變暖加劇，氣候變化對徑流影響的研究受到廣泛關(guān)注。降水是影響河川徑流的重要?dú)夂蛞蜃樱瑖鴥?nèi)眾多學(xué)者對降水變化特征進(jìn)行了大量研究。時(shí)光訓(xùn)等[1]分析了1970—2014年長江流域主要的極端降水指標(biāo)的趨勢變化特征和空間變化特征，結(jié)果顯示強(qiáng)降水呈增加趨勢，弱降水變化不顯著，降水過程不穩(wěn)定。陸志華等[2]利用松花江流域35個(gè)氣象站1960—2010年的降水資料，分析了流域年降水和四季降水的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明51年來流域大部分地區(qū)年降水呈不顯著減少趨勢。春季降水呈不顯著增加趨勢，夏秋季呈不顯著減少趨勢，冬季呈顯著增加趨勢。柴小軍和齊廣平[3]分析了黑河流域中上游張掖市氣溫和降水變化特征，結(jié)果表明近50年來張掖市年平均氣溫及降水呈現(xiàn)增加趨勢。王曉霞等[4]研究了海河流域降水量長期變化趨勢的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明海河流域年降水量和夏秋季降水量均出現(xiàn)明顯的下降趨勢，同時(shí)降水時(shí)空分布不均。劉佳[5]分析了渾河中上游近60年降水和徑流變化特征，結(jié)果表明渾河中上游水文氣象要素總體變化較為平穩(wěn)，突變特征減弱。

太子河是遼寧省東南部較大河流，是遼寧省中部城市群的重要水源，大氣降水是河流徑流的主要補(bǔ)給源，流域水資源受大氣降水影響明顯。目前關(guān)于太子河流域水資源方面的研究，主要集中于水資源承載能力[6- 7]、水質(zhì)與水生態(tài)[8- 10]等方面的研究，對流域的降水變化特征研究較少，比如單站降水特征研究[11- 12]及降水對流域水資源的影響研究[13]等。本文選用太子河流域28個(gè)雨量站1967—2016年的降水?dāng)?shù)據(jù)，采用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析年降水和四季降水的時(shí)間變化特征，利用克里金空間插值法分析流域內(nèi)降水的空間變化特征，研究結(jié)果有利于更好地了解流域降水特征，對整個(gè)流域徑流特征分析和水資源評(píng)價(jià)的研究有重要意義。

1 太子河流域概況

太子河發(fā)源于遼寧省撫順市新賓滿族自治縣平頂山鎮(zhèn)紅石砬子，流經(jīng)撫順市、本溪市、丹東市、遼陽市、沈陽市和鞍山市6市22個(gè)縣區(qū)，在三岔河與渾河匯合稱為大遼河，太子河干流全長413km，流域面積13883km2，主要支流有南沙河、海城河、細(xì)河、南太子河、湯河等23條。太子河流域上游地區(qū)主要為山丘區(qū)，植被良好，森林覆蓋率高，土壤侵蝕微弱，這些森林資源對于防止水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用。流域中下游地處平原區(qū)，沿線有沈陽、撫順、本溪、遼陽等重要經(jīng)濟(jì)城市，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，土地開發(fā)利用率高。該流域位于暖溫帶濕潤半濕潤氣候區(qū)，冬季多西北風(fēng)，夏季多東南風(fēng)，多年平均氣溫為6.2℃，年內(nèi)溫差較大。降水量較為豐沛，年均降水量600～1000mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均勻，多集中在6—9月，多年平均蒸發(fā)量1100～1600mm。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選用太子河流域內(nèi)資料相對完整、空間代表性強(qiáng)的28個(gè)雨量站1967—2016年歷年逐月降水資料，降水?dāng)?shù)據(jù)來源于歷年遼河流域水文資料第3冊。太子河流域雨量站點(diǎn)分布情況如圖1所示。

2.2 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[14]，原理如下：

式中，Zc—秩次相關(guān)系數(shù)；p—徑流系列所有對偶觀測值(Ri，Rj，i

在Kendall秩次檢驗(yàn)中，Zc>0表明該序列呈上升趨勢，Zc<0表明該統(tǒng)計(jì)序列呈下降趨勢。若統(tǒng)計(jì)量│Zc│≤Z(1-α/2)，則認(rèn)為該統(tǒng)計(jì)序列趨勢變化不顯著；若│Zc│>Z(1-α/2)，則認(rèn)為該統(tǒng)計(jì)序列趨勢變化顯著，α代表顯著性水平。

2.3 克里金(Kriging)空間插值法

對于變量Z(x)，假設(shè)采樣點(diǎn)x1，x2，…，xn的觀測值為Z(x1)，Z(x2)，…Z(xn)。某未知點(diǎn)xn的估計(jì)值Z(x0)可用一個(gè)線性組合來估計(jì)，即：

式中，λi—加權(quán)系數(shù)；Z(x0)—未知點(diǎn)的值；Z(xi)—在已知點(diǎn)的值。

3 結(jié)果分析

3.1 時(shí)間特征分析

太子河流域年降水量和四季降水量變化過程如圖2虛線所示。圖2粗實(shí)線為對年際變化誤差進(jìn)行了消除處理后的5年滑動(dòng)平均值。本文運(yùn)用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，對該流域年降水量和四季降水量的變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 太子河流域年降水量、四季降水量變化趨勢分析結(jié)果

從年降水量的變化過程可以看出，太子河流域降水量年際波動(dòng)幅度不大。1967—2016年太子河流域多年平均降水量為761.8mm，最大年降水量為2010年的1215.5mm，最小的年降水量為2014年的501.9mm，最大年降水量與最小年降水量的比值為2.42，年降水量變差系數(shù)Cv為0.19。從趨勢變化分析結(jié)果來看，20世紀(jì)80—90年代以及2010年以后波動(dòng)較大，年降水量在近50a總體呈極其微弱的下降趨勢，結(jié)果同其他學(xué)者的對太子河降水演變[11- 13]的下降趨勢一致。

圖1 太子河流域雨量站點(diǎn)分布圖

圖2 太子河流域年降水量、四季降水量變化曲線

從四季降水量的變化過程可以看出，春季降水量主要在平均值120mm左右平穩(wěn)變化，變化幅度不大；夏季降水量的變化過程和年降水量變化過程相似；秋季降水量高于春季降水量，總體上呈下降趨勢，20世紀(jì)70年代—90年代大幅度減少，2000年之后又開始增加；冬季降水量總體上呈上升趨勢。

由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見，年降水量、四季降水量均未通過90%顯著性水平下的Kendall趨勢檢驗(yàn)，但其年降水量、春季降水量和秋季降水量統(tǒng)計(jì)值為負(fù)值，表明年降水量、春季和秋季降水量的下降趨勢為不顯著，而夏季和冬季降水量的變化呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢。

3.2 空間變化特征

根據(jù)太子河流域28個(gè)雨量站1967—2016年的降水?dāng)?shù)據(jù)，在Arcgis10.2環(huán)境下利用克里金空間插值法對整個(gè)流域進(jìn)行空間插值處理，生成流域年降水量和四季降水量的空間分布如圖3所示。

從多年平均降水量的空間分布來看，太子河流域多年平均降水量由北向南遞增，由西向東遞增，流域中部有個(gè)低值區(qū)。東南部的多年平均降水量都在800mm以上，西北部的年降水量在700mm以下，其中南孤山站多年平均降水量最大，為937.5mm；最小的是小林子站，為651.7mm。四季降水的空間分布與多年平均降水量的空間變化大致相同，呈現(xiàn)東南多西北少的特征。尤其是夏季降水的空間分布與多年平均降水量的空間分布相似度更高，這是由于夏季降水量占全年降水的比重大。除小林子站之外，所有站夏季降水量都在400mm以上，雨量充沛。春季和秋季降水量都在150mm以下，冬季降水量最小，整個(gè)流域冬季降水量不足40mm，呈現(xiàn)干燥狀態(tài)。

圖3 太子河流域年降水量、四季降水量空間分布圖

4 結(jié)語

本文采用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對太子河流域降水量時(shí)間和空間變化特征進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)1967—2016年太子河流域多年平均降水量為761.8mm，50年間圍繞這個(gè)均值上下波動(dòng)，呈下降趨勢；四季降水中，春秋兩季降水量呈下降趨勢，夏冬季降水量總體上呈上升趨勢。年降水量和四季降水量均未通過90%顯著性水平下的Kendall趨勢檢驗(yàn)，表明趨勢變化不顯著。

(2)空間變化上，流域降水呈現(xiàn)從西北向東南遞增，東南部的多年平均降水量都在800mm以上，西北部的年降水量在700mm以下。

(3)太子河流域降水特征研究結(jié)果對于該流域徑流特征分析及水資源評(píng)價(jià)工作有重要意義。