松花江流域極端氣象水文要素分析

章曉夢，郝 潔，鞠 琴*，蕭峻瓊,次旦多杰，陳 璽

(1. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098;2. 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210000;3. 西藏水文水資源勘測局林芝水文水資源分局, 西藏 林芝 860000;4. 長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

松花江流域內各地區有顯著的氣候差異，且降水空間分布不均勻[1]。任國玉等[2]的研究指出，東北偏高緯度地區的降水量呈增加或者不明顯變化趨勢。曹小磊等[3]研究結果表明氣溫呈顯著升高趨勢，降水量和徑流量呈不顯著下降趨勢，影響天然徑流的主要氣象要素是降水量。袁杰等[4]研究結果表明松花江各流域年徑流量均有下降的趨勢。已有學者針對極端氣候事件定義方法、極端降水事件規律特點進行研究[5-8]。目前針對松花江流域氣候變化的研究大部分集中在單個氣象、水文要素，如降水、氣溫或徑流的研究，缺少對極端氣象水文要素變化的分析以及其成因的研究。

本文擬以1961—2018年間松花江流域39個氣象站點的逐日降水觀測資料，以及1961—2018年間松花江流域佳木斯、大賚、扶余3個水文站點的日徑流量資料為研究對象，采用趨勢分析法、Mann-kendall非參數檢驗方法、Mann-kendall突變檢驗法、克里金插值法、皮爾遜相關系數等方法進行松花江流域極端降水和極端徑流的時空變化規律和變異點診斷，分析松花江流域及各子流域極端氣象水文特征以及極端降水與極端徑流事件的關聯性，為該流域極端氣象水文事件的預測及防災減災規劃提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況及數據來源

松花江流域位于中國東北的北部地區，其經緯度范圍為北緯41°42′至51°38′、東經119°52′至132°31′，流域內有內蒙古、黑龍江、吉林三個省份，總流域面積為55.68×104km2。將松花江流域分為松花江干流流域、二松流域、嫩江流域三個子流域進行分析，選擇流域內39個氣象站點及3個具有代表性的水文站點，3個水文站分別為嫩江的大賚站、第二松花江的扶余站以及松花江干流的佳木斯站。松花江流域站點分布圖見圖1。

注：Ⅰ：松花江干流流域，Ⅱ：第二松花江流域，Ⅲ：嫩江流域。圖1 松花江流域站點分布圖Fig.1 Site distribution map in Songhua River Basin

所用降水數據為中國氣象數據網提供的1961—2018年的逐日降水實測資料。對數據資料進行篩選和質控處理，并對存在降水數據缺失的日期進行了剔除，最終提取出所選39個站點的相關信息，得到了完整連續的逐日降水實測數據。徑流實測數據為佳木斯、扶余、大賚水文站1961年1月1日—2018年12月31日的逐日徑流數據。

1.2 研究方法

世界氣象組織氣候委員會等組織成立了氣候變化監測和指標專家組，并定義了27個典型氣候指數，包括16個氣溫指數和11個降水指數[9]，目前這些指數已被廣泛應用于極端氣候研究。本文選取其中11個降水指數(表1)進行研究。極端徑流事件采用洪量作為標準，用最大1日洪量、最大3日洪量、最大7日洪量、最大15日洪量、最大30日洪量作為標準[10](表2)。

運用趨勢分析法、Mann-kendall非參數檢驗方法[11]對極端降水指數和極端徑流指數進行趨勢分析，采用克里金插值繪制極端降水指數的空間分布圖，采用Mann-kendall突變檢驗法[11]得到各極端指數的突變點，利用皮爾遜相關系數分析極端降水與極端徑流的關聯性。

2 結果分析

2.1 極端降水要素

2.1.1 極端降水要素的空間分布特征

松花江流域的極端降水指數空間分布特征見圖2。強度指數中，降水強度(SDII)分布較均勻，最大降水強度9.14 mm/d出現在長春，最小降水強度7.49 mm/d出現在富錦，其余強度指數在松花江干流流域由西向東先增加再減小，第二松花江流域由西南向東北部逐漸減小，嫩江子流域由西南向東北呈先增加后減小趨勢，Rx1day、Rx5day這兩個強度指數的最大值均出現在流域最南部，分別為67.99 mm和107.69 mm。

表1 極端降水指數定義

表2 極端徑流指數定義

絕對指數中，在嫩江子流域，R1和R10指數由東南向西北呈增加趨勢，R20指數由東南向西北先增大后減小；在第二松花江和松花江干流附近，三個絕對指數的分布特征相同，呈中南部大，西部、東部小的分布特點。

持續指數中，持續干旱指數和持續濕潤指數是長時間內持續降雨情況的反映，其中持續干旱指數反映長時間內無降雨的情況，是研究干旱的方法之一[12]。持續干期(CDD)與持續濕期(CWD)、年總降水量(PRCPTOT)呈完全相反的空間分布，CDD指數在嫩江子流域呈南部大、北部小的趨勢，在二松子流域及松花江干流子流域呈南部小、北部大的分布趨勢，最大值出現在嫩江流域南部的富錦，約達75.07 d，最小值出現在第二松花江流域南部的東崗，為27.84 d。

相對指數在嫩江流域從東南到西北呈增大趨勢，在松花江干流和第二松花江附近從西到東先增大后減小，從南到北先減小后增大。

極端降水指數存在區域性差異，除CDD和SDII外，其余指數的分布特征均呈現出第二松花江流域為高值區，松花江干流流域次之，嫩江流域為低值區。說明在松花江流域，嫩江流域降水量、降水日數、降水強度較小，第二松花江流域極端降水事件強度高且持續性強，應成為重點防護對象。

2.1.2 極端降水要素的空間趨勢分布

極端降水要素在不同空間的趨勢性反映了其變化趨勢的總體規律，可借助M-K趨勢檢驗對松花江流域各極端降水指標的變化趨勢進行檢驗，其空間分布情況如圖3所示。松花江流域極端降水事件表現出明顯的區域差異性。

強度指數是一個衡量是否發生洪澇災害的重要指標，23個站點的Rx1day指數表現出上升趨勢，其中5個站點通過了α=0.05的顯著性檢驗；有21個站點的Rx5day指數表現出上升趨勢，18個站點表現出下降趨勢；25個站點的SDII指數表現出上升趨勢，14個站點表現出下降趨勢。Rx1day、Rx5day、SDII三個強度指數顯著增加的站點大多分布在嫩江子流域南部和松花江干流子流域西部，且最大增幅均出現在明水站。

圖2 極端降水指數空間分布Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation index

絕對指數中，R10指數趨于增加站點數為27個，僅有安達站變化趨勢通過了α=0.05的顯著性檢驗；R20指數趨于增加站點數為25個，僅有安達站和白城站變化趨勢通過了α=0.05的顯著性檢驗；有29個站點的R1指數表現出上升趨勢，其中5個站點呈顯著上升趨勢。與下降趨勢相比，絕對指數在松花江流域的上升趨勢更加明顯，但變化趨勢并不顯著，大多呈微弱上升趨勢。

持續指數中，僅有5個站點的CDD指數呈微弱上升趨勢，34個站點呈下降趨勢，呈顯著下降趨勢站點主要分布在嫩江流域中部和松花江干流流域北部；有19個站點的CWD指數表現出上升趨勢，20個站點表現出下降趨勢；年總降水量(PRCPTOT)趨于增加的站點數為32個，僅有7個站點PRCPTOT指數趨于減小，大多集中在嫩江流域南部，代表松花江流域整體降水量有所增加。

相對指數中，19個站點的R95pTOT指數表現出上升趨勢，其中4個站點通過了α=0.05的顯著性檢驗，22個站點的R99pTOT指數表現出上升趨勢，其中4個站點呈顯著上升趨勢。由此可見，同一個極端降水指標在不同時間段和不同區域的變化趨勢均不同，體現了極端降水事件在時間和空間上的復雜性和差異性。

2.1.3 極端降水要素的突變分析

掌握徑流演變規律，除分析其總體趨勢外，還必須判斷并檢驗突變發生的時間、次數以及變化幅度[13]。水文學或氣候學上的突變是指系統從一種穩定狀態跳躍到另一種穩定狀態的現象[14]。借助M-K突變檢驗方法對松花江流域三個子流域1961—2018年的極端降水指數進行突變分析，突變分析結果見表3。

在松花江干流流域，強度指數和絕對指數無突變點，持續指數CDD、CWD、PCRPTOT的突變年份分別為1998年、1972年、1963年，相對指數R95pTOT、R99pTOT的突變年份為1964和1966年左右；二松流域僅有持續干期CDD指數在1967年有明顯突變；嫩江流域的強度指數中的Rx1day、Rx5day指數分別在1970年、1963年發生突變；整個松花江流域各極端降水指數中僅有Rx5day和CDD指數分別在1964年和1993年左右開始突變。松花江流域及各子流域在突變點后的指數序列均為突變減小的過程，各指數的突變時間表現出明顯的空間差異性。

圖3 極端降水指數空間趨勢分布Fig.3 Spatial trend distribution of extreme precipitation index

表3 極端降水指數突變檢驗

2.2 極端徑流要素

不同時間尺度下年最大洪量的變化趨勢和突變年份相近，見表4，佳木斯站、扶余站、大賚站1961—2018年各極端徑流指數M-K檢驗的臨界值|Z|均小于1.96，未通過α=0.05的顯著性檢驗，在佳木斯站和大賚站呈微弱下降趨勢，在扶余站Rx1day、Rx3day指數呈微弱下降趨勢，Rx7day、Rx15day、Rx30day指數呈微弱上升趨勢，各指數總體變化趨勢較為穩定。圖4以年最大7日洪量(Rx7day)為例分析各水文站變化趨勢和突變情況。

三個水文控制站中佳木斯站和大賚站極端徑流量較大，扶余站的徑流量較小。從圖4可以看出，佳木斯站RX7day指數M-K檢驗圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內有多個交點，其中1967年為突變點，在1976年左右UF曲線超過了置信曲線，指數值有一個突變減小的過程，其余交點可以看出RX7day有突變減小的趨勢，但減小趨勢尚未達到0.05顯著性水平；指數值年際變化較大，在20世紀60年代至80年代初呈下降趨勢，20世紀80年代至2000年左右呈上升趨勢，21世紀初呈現減少再增加的趨勢。

扶余站RX7day指數M-K檢驗圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內有多個交點，但UF曲線從未超過置信曲線，代表RX7day指數在扶余站無突變點，指數值呈波動性變化，總體變化趨勢不明顯。

表4 極端徑流指數趨勢及突變

圖4 最大7日降水量(Rx7day)突變分析Fig.4 Mutation test of Rx7day

大賚站RX7day指數M-K檢驗圖的UF和UB曲線在0.05顯著性水平閾值線內有多個交點，其中突變點為1964年，在1975年左右UF曲線超過了置信曲線，徑流量有一個突變減小的過程。在置信區間外UF曲線和UB曲線交于1983年，說明在該點RX7day指數有增加的趨勢，但變化趨勢沒有達到突變的水平，因此不是突變點；指數值年代際變化幅度較大，20世紀50年代至80年代初、21世紀以后相對減少，20世紀80年代至2000年相對增加。

嫩江流域和松花江全流域的強度指數均在20世紀60年代發生突變，其控制站大賚站和佳木斯站的年最大洪量也于20世紀60年代發生突變。在二松流域，1953年豐滿水庫開始進行人工調節之后，對大洪水洪峰的削減效果十分顯著，對防洪起到了很大作用，因此扶余站極端徑流指數的年代際變化不明顯，且無突變點。

2.3 極端降水和極端徑流事件的關聯性

根據極端徑流指數所定義的年最大1、3、7、15、30日洪量，取其中相對較長時間尺度，分析松花江流域在時間尺度為7日、15日、30日時極端降水和徑流事件兩者間的關聯性，通過皮爾遜相關系數對松花江流域不同時間尺度下的年最大降水量與年最大洪量進行相關性分析。由表5可知，在松花江流域，各極端降水指數和極端徑流指數的相關系數均通過99%置信度檢驗，表現出顯著的正相關關系，表明這兩者之間存在一定的關聯性，極端降水量的變化必然帶來極端徑流量的變化。在各控制站所對應流域范圍內，年最大30天降水量與年最大30天洪量表現出最為顯著的關聯性，其相關系數分別為0.678、0.713、0.807。時間尺度為30天的極端降水和極端徑流的關聯性最為明顯，說明松花江流域面積較大，支流較多，匯流時間較長，所以隨著時間尺度的增大，其極端降水與極端徑流的相關性更加顯著。

表5 極端降水與極端徑流相關系數

3 結論

本文基于1961—2018年松花江流域39個氣象站點逐日降水資料和3個水文站點逐日流量資料，對極端降水要素和極端徑流要素的變化趨勢、時空分布特征及關聯性進行了分析。

1)松花江流域極端降水指數值變化規律呈現出區域差異性，除持續干期CDD和降水強度SDII外，其余指數的分布特征均呈現出第二松花江流域為高值區，松花江干流流域次之，嫩江流域為低值區。各控制水文站極端徑流指數變化趨勢均未通過95%顯著性檢驗，且僅扶余站極端徑流指數未出現突變點。

2)反映強降水量的極端降水指數在大部分地區表現為增加趨勢，但極端徑流指數卻大多表現為減少趨勢或不顯著上升趨勢，未顯示出同步變化趨勢。降水量與徑流量之間關系密切，但復雜的氣象活動和大壩、水庫等水利工程的修建都是出現該現象的重要影響因素，例如二松流域上的豐滿水庫會使徑流過程逐漸改變，從而影響極端徑流事件的演變規律，導致在極端降水增加的情況下，極端徑流指數卻呈減少趨勢。

3)不同時間尺度下各極端降水指數與極端徑流指數的相關系數均通過99%顯著性檢驗，由于松花江流域面積較大，支流較多，匯流時間較長，當時間尺度為30天時，極端降水與極端徑流表現出最為顯著的關聯性。