大凌河流域降水量時(shí)空分布規(guī)律研究

王 凱

(朝陽(yáng)縣水政監(jiān)察大隊(duì)，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

全球氣候的變暖，使得降水量時(shí)空分布也發(fā)生極大的改變，降水量變化與各種自然災(zāi)害以及極端氣候的出現(xiàn)密切相關(guān)，研究流域尺度上的降水時(shí)空分布規(guī)律逐漸引起學(xué)術(shù)界的高度重視[1]。流域內(nèi)降水量的變化是反映氣候變化特征的重要參數(shù)，對(duì)不同地區(qū)、不同時(shí)間降水要素變化國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者開展了不同程度的探究，對(duì)不同尺度及流域的降水變化取得了一些研究成果[2]。如龍柯吉等[3]以四川省為例，運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、線性趨勢(shì)法統(tǒng)計(jì)分析了時(shí)間及空間上雨雪轉(zhuǎn)換情況和不同相態(tài)降水的月平均、年平均日數(shù)變化特征，并認(rèn)為總體上四川地區(qū)年發(fā)生雪、雨夾雪、雨3類降水相態(tài)的日數(shù)正逐漸減少；劉原峰等[4]從時(shí)間與空間上揭示了不同降水相態(tài)的變化特征，并指出黃土高原區(qū)的雨雪分界線，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的降雪波動(dòng)不明顯而年際降雨有明顯的波動(dòng)，兩者均表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，霧(露、霜)和雨夾雪降水相態(tài)有增加的趨勢(shì)且年際波動(dòng)不明顯；孫燕等[5]以華東地區(qū)為例，利用逐月環(huán)流特征指數(shù)、NCEP再分析資料、氣象站逐日降水觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析了5種降水相態(tài)的冬季時(shí)空演變特征，并認(rèn)為華東地區(qū)的冬季不同降水相態(tài)及雨、雪地理分界線年際波動(dòng)變化明顯。

近年來(lái)，受全球變暖影響大凌河流域洪澇災(zāi)害頻發(fā)，并逐漸成為制約流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。文章以大凌河流域?yàn)槔瑥臅r(shí)空分布上揭示了流域降水量變化規(guī)律，為提前作出更加合理的應(yīng)對(duì)自然氣候?yàn)?zāi)害對(duì)策和促進(jìn)水資源合理配置提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河流域位于遼寧省西部，地處E118°53′-121°52′、N40°28′-42°38′，走向呈西向東，總面積23253km2。上游分南、北兩支，兩支于喀左縣大城子匯合后流經(jīng)朝陽(yáng)、北票、義縣、凌海等地并注入渤海，大凌河?xùn)|與柳河、饒陽(yáng)河相鄰，南有小凌河和六股河，西接青龍河，北與教來(lái)河、老哈河相鄰。流域內(nèi)山地丘陵占89%，平原區(qū)占11%，其中遼寧段19998 km2，占全流域的86%，干流(含源頭區(qū))長(zhǎng)522km。大凌河左側(cè)支流眾多，較大支流有涼水河、老虎山河、細(xì)河、第二牤牛河等，干流上建有三座控制性水庫(kù)，從上而下依次為宮山咀水庫(kù)、閻王鼻子水庫(kù)和白石水庫(kù)。大凌河流域水系圖，見圖1。

圖1 大凌河流域水系圖

根據(jù)不同河段的河流特點(diǎn)，可以把大凌河劃分為河源段、上游段、中游段和下游段。其中，河源段位于宮山咀水庫(kù)以上，地勢(shì)較陡，占地面積為656km2，主要支流有魏家?guī)X河、新開嶺河、賀杖子河等；上游段為宮山咀水庫(kù)壩下至閻王鼻子水庫(kù)段，河道比降趨向平緩，河長(zhǎng)156.8km，匯入的主要支流有滲津河、大凌河西支、第二牤牛河、老虎山河等。中游段為閻王鼻子水庫(kù)壩下至細(xì)河入?yún)R口為大凌河中游段，該段仍為山區(qū)性河流，河長(zhǎng)150.8km，匯入的主要支流有十家子河、顧洞河、涼水河、牤牛河、細(xì)河等。下游段為細(xì)河入?yún)R口以下至河口為大凌河下游段，河道逐漸從山區(qū)性河道轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆院恿鳎娱L(zhǎng)94.3km，匯入的主要支流有大定河、大業(yè)河等。

大凌河流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，屬于嚴(yán)重干旱地區(qū)之一，素有“十年九旱”之稱。流域內(nèi)多年平均降水量為400-600mm，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7、8月份。河水陡漲陡落，洪水災(zāi)害頻繁，主要洪水來(lái)源于下游左側(cè)支流及干流上窩堡站以上。流域內(nèi)多風(fēng)化沙土和石山，植被條件差，土壤侵蝕嚴(yán)重，大凌河站和迷力營(yíng)子站平均含沙量為18.08kg/m3、41.09kg/m3，大凌河站年輸沙量達(dá)到2143.43萬(wàn)t。

1.2 研究方法

文章利用大凌河流域凌源站、哈巴氣站、上窩堡站、建昌站、朝陽(yáng)站、北漂站、鐵嶺站、米力營(yíng)子站、義縣站、復(fù)興堡站、凌海站等氣象站點(diǎn)的降水量資料，對(duì)該流域1963-2020年的降水分布特征以及強(qiáng)弱時(shí)間周期，運(yùn)用Mann-Kendall法從年際和季節(jié)尺度上進(jìn)行全面的分析。該方法是一種基于秩的非參數(shù)分析方法，簡(jiǎn)稱M-K法，對(duì)于非線性趨勢(shì)檢測(cè)具有較好的適用性，由于無(wú)需對(duì)特定的概率分布預(yù)先擬合非常適于長(zhǎng)時(shí)間序列的水文學(xué)和氣象學(xué)研究。

2 降水量時(shí)空變化特征

2.1 年際降水量變化

文章結(jié)合大凌河流域1963-2020年的逐月降水量數(shù)據(jù)，利用線性回歸法及M-K法分析流域年際降水量變化趨勢(shì)。大凌河流域年降水量變化特征，見圖2。

由圖2可知，1963-2020年大凌河流域的多年均降水量為500.1mm，總體表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，年均降水量趨勢(shì)方程y=-0.3871+427.25，變化傾斜率為-3.87mm/10a，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)未達(dá)到α=0.05的置信水平，這表明年均降水量減少趨勢(shì)不顯著，按照趨勢(shì)方程可以確定大凌河流域58a內(nèi)減少22.45mm的降水量。研究期間大凌河流域降水量存在較大的波動(dòng)區(qū)間，58a觀測(cè)期內(nèi)最大降水量為1974年的615.5mm，最小降水量為1996年的344mm，兩者相差達(dá)到266mm。通過(guò)5a滑動(dòng)平均可知，大凌河流域年均降水量在1963-1986年具有較大的波動(dòng)范圍，1987-1998年呈明顯波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)，1999-2017年呈小幅波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，2018年以來(lái)呈緩慢減少的變化特征。

圖2 大凌河流域年降水量變化特征

2.2 季節(jié)降水量變化

不同季節(jié)大凌河流域降水量變化特征，見圖3。從圖3可以看出，1963-2020年大凌河流域的春秋季節(jié)降水量總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而夏冬季節(jié)降水量呈上升趨勢(shì)。通過(guò)5a滑動(dòng)平均可知，不同季節(jié)的降水量變化特征存在明顯的階段性。其中，春季降水量最大和最小值為1965年的175mm、1996年的53mm，故春季降水量變化振幅最大為122mm；另外，1963-1978年和1993-2003年具有較大的降水波動(dòng)，其余時(shí)段的降水量偏少，總體呈窄幅波動(dòng)緩慢下降的變化特征。夏季降水量最大和最小值為1982年的365.5mm、2005年的115mm，故夏季降水變化振幅最大為250.5mm；此外，1963-1983年和1998-2008年具有較大的降水波動(dòng)，并且表現(xiàn)出多次豐枯降水交替的現(xiàn)象，其余時(shí)段的降水量偏少，總體呈窄幅波動(dòng)上升的變化特征。秋季降水量最大和最小值為1970年的211mm、1996年的74mm，故秋季降水變化振幅最大為137mm；同時(shí)，研究期間秋季降水總體呈下降趨勢(shì)，并且具有較大的波動(dòng)幅度。冬季降水量最大和最小值為1983年的87mm、2000年的6.1mm，故冬季降水變化振幅最大為80.9mm，并且總體表現(xiàn)出緩慢增大的變化特征。

(a)春季降水量變化特征 (b)夏季降水量變化特征

(c)秋季降水量變化特征 (d)冬季降水量變化特征

2.3 降水突變分析

文章利用M-K方法檢驗(yàn)1963-2020年大凌河流域年均降水量顯著性，年均降水量突變檢驗(yàn)，見圖4。從圖4可知，在α=0.05的置信水平下降水量的UB與UF曲線出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，即1963年、1965年、1968年、1977年、1983年、1984年、2010年和2020年存在交叉點(diǎn)且都處于置信區(qū)間內(nèi)，由此可見研究期間大凌河流域降水量震蕩劇烈，擁有多個(gè)突變點(diǎn)。

圖4 年均降水量突變檢驗(yàn)

結(jié)合圖4中UB與UF變化特征，年降水量從多向少轉(zhuǎn)變的突變點(diǎn)有1965年、1977年、1983年和2010年，而年降水量從少向多轉(zhuǎn)變的突變點(diǎn)有1963年、1968年、1984年和2020年，其中變化趨勢(shì)最明顯的突變點(diǎn)有1968年和1984年，從1984年流域內(nèi)年均降水量逐漸減少，此后長(zhǎng)期處于相對(duì)干旱的時(shí)期。

2.4 降水量空間分布規(guī)律

在空間分布上，大凌河流域西北部降水量明顯低于東南部，總體表現(xiàn)出梯度變化的特征。其中，最低和最高降水量站點(diǎn)為鐵嶺站的216.5mm、凌海站的677.1mm，兩者相差460.6mm，表明大凌河流域年均降水量具有較大的地域性差異，在空間分布上不均勻，其中降水量最為充沛的地區(qū)為凌海、義縣、復(fù)興堡站，降水量處于506.2-672.3mm之間，屬于洪澇多發(fā)區(qū)；朝陽(yáng)、北票、迷力營(yíng)子站的年均降水量為420.4-506.2mm之間，而流域西北部降水量最低，總體處于248.2-420.4mm之間，并且以遼西凌源站最小。

降水量變化傾斜率，見表1。從表1可以看出，大凌河流域年均降水量變化傾斜率為正值的只有迷力營(yíng)子站、凌海站，其它站點(diǎn)均為負(fù)值，這表明流域內(nèi)大部分站點(diǎn)降水量呈下降趨勢(shì)，只有個(gè)別站點(diǎn)的站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)。另外，上窩堡站、建昌站、朝陽(yáng)站、北漂站、鐵嶺站的年均降水變化傾斜率減少最快，依次為-12.8mm/10a、-15.7mm/10a、-15.0mm/10a、、-16.2mm/10a、-16.0mm/10a，氣候變化對(duì)這些地區(qū)的影響最大。凌源站、義縣站、復(fù)興堡站的年均降水變化傾斜率變化幅度較小，依次為-0.2mm/10a、-2.6mm/10a和-3.0mm/10a。

表1 降水量變化傾斜率

3 結(jié) 論

文章以大凌河流域?yàn)槔Y(jié)合1963-2020年11個(gè)氣象站逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，利用M-K方法從年際和季節(jié)尺度上分析了降水變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上突變檢驗(yàn)了流域內(nèi)多年平均降水量，并對(duì)大凌河流域降水量時(shí)空分布特征從年降水量和變化傾斜率的角度進(jìn)行分析，揭示了不同時(shí)間尺度上大凌河流域11個(gè)站點(diǎn)降水時(shí)空分布。研究成果可為提前作出更加合理的應(yīng)對(duì)自然氣候?yàn)?zāi)害對(duì)策和促進(jìn)水資源合理配置提供理論依據(jù)。