牤牛河流域近60年降水時空演變特征分析

佟大千

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110000)

1 流域概況

牤牛河是大凌河的一條主要支流，發源于內蒙古敖漢旗南營子，流域面積2795km2，河長136km，流經阜新市、北票市，于北票市下府鄉注入大凌河。流域內多丘陵山區，大部分開發為耕地，植被較差，水土流失嚴重，洪水時陡漲陡落，含沙量較大，河床來回擺動，兩岸為石崖或土崖，洪水時塌岸比較嚴重，近年來為加固河床，在河道兩邊的沙灘上造林較多。牤牛河直接匯入白石水庫，入庫前牤牛河控制站為九連洞水文站。河流域屬于溫帶亞干旱氣候區，大陸性氣候較為明顯，四季分明，冬寒降水少，夏熱雨水多，多年平均氣溫7～9.5℃，北部低南部高。多年平均蒸發量1700～1930mm(20cm蒸發皿)，南部小北部大。流域多年平均降水量在430～630mm之間，北部少南部多，降水時空分布不均，年內分配極不均勻，4—5月占全年的12%，汛期6—9月占全年的80%，10—11月占全年的6.5%，其它月份占全年的1.5%，汛期降水量集中在7—8月，尤以7月最多。就一次降水而言，多局部短暫暴雨，次暴雨歷時一般為1—2天，主雨集中于6～24h。近些年來，不少研究成果表明[1- 6]，受氣候變化影響區域降水量呈現較為明顯的變化，通過對降水量時空變化的分析，有助于分析區域水資源變化的影響因素。牤牛河屬于遼寧西部主要河流，是遼西水資源重要組成部分，為探討流域降水的變化特征，本文選用當前在國內降水變化特征分析較為成熟的M-K非線性顯著檢驗方法[7- 12]和突變分析方法[13]，結合牤牛河流域15個雨量站點近60年實測降水數據對其降水變化時空變化特征進行分析。

2 變化特征分析方法

2.1 顯著性檢驗方法

采用M-K非線性顯著檢驗方法對降水變化特征進行顯著變化特征的分析。該方法將長系列的降雨序列作為樣本序列對其統計變量S進行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—降雨樣本序列顯著性檢驗統計變量；xi和xj—來自同一個樣本總體的兩個降雨樣本數據系列；σs—方差標準計算值；sign—計算變量；n—總的樣本序數；Z—檢驗特征變量，當Z>0則表示降雨呈現遞增變化趨勢，否則呈現遞減變化趨勢，當|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達到99%、95%以及90%的置信水平。

2.2 突變點分析

對降雨樣本數據序列采用統計變量ck對其突變點進行分析，分析方程為：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—降雨序列樣本xi>xj(1≤j≤i)的統計值；E(ck)—變量統計值ck的均值；σ(ck)—變量統計值ck的方差；UFk—統計值ck的標準化轉換值。對樣本序列進行逆序計算其統計變量ck的標準化轉換值，即為|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果正序和逆序計算曲線在置信范圍出現交點，則可判定出現突變特征點。

3 不同時間尺度下的降雨變化趨勢分析

3.1 年尺度降雨變化特征分析

基于牤牛河流域內15個降雨站點1960—2020年近60年的降雨數據系列，結合面積加權方法對柳河面平均降水進行計算，得到60年年降水量的變化特征進行趨勢檢驗和突變特征分析，分析結果如圖1所示，見表1。

從牤牛河流域年尺度降水變化特征分析結果可看出，從1960—2020年牤牛河流域年降水量總體呈現遞減變化趨勢，但趨勢較弱，從表1不同年代際降水變化趨勢檢驗結果可看出，近60年牤牛河年降水變化趨勢檢驗統計值為-0.6256，其絕對值低于1.28，未通過90%的顯著性檢驗，從其他年代際降水變化趨勢檢驗結果可看出，1960—1969年牤牛河降水呈現較為明顯的遞減趨勢，其變化趨勢檢驗值為-1.4523，絕對值高于1.28，達到90%的顯著性檢驗水平。1970—1979年降水變化趨勢檢驗值為1.3925，達到90%的顯著遞增變化趨勢。1990—1999年以及2000—2009年降水呈現弱遞增和弱遞減變化趨勢，2010—2020年降水呈現弱遞增變化趨勢。從近60年降水突變特征可看出，牤牛河流域降水突變年份主要為1960—1969年和2010—2020年，降水均呈現低到高的遞增突變。

3.2 月尺度降雨變化特征分析

考慮到牤牛河流域汛期和非汛期尺度降雨變化差異性較大，在年降水量變化特征分析的基礎上對其月尺度降水趨勢以及突變特征進行分析，結果如圖2所示。

從牤牛河月尺度降水變化過程可看出，近60年牤牛河汛期降水總體呈現遞減變化，而非汛期降水總體呈現遞增變化，汛期和非汛期降水的變化趨勢檢驗絕對值均低于1.28，為達到90%的顯著性檢驗水平。從汛期降水突變特征可看出，其和年降水突變年份較為一致，這主要是因為牤牛河流域降水主要集中在汛期，汛期降水占年降水的比例超過70%，因此其降水突變特征和年降水突變較為一致，主要集中在1960—1969年和2010—2020年，降水突變特征也較為一致，這兩個年代汛期降水突變均體現為由低到高的變化特征。從牤牛河非汛期降水突變特征可看出，突變年份主要集中在1990—1999年和2000—2009年，這兩個年代非汛期降水變化較為明顯，其中1990—1999年非汛期降水突變主要從低到高的變化，2000—2009年非汛期降水突變主要從高到低的變化。

圖1 牤牛河流域年尺度降水變化特征分析結果

表1 牤牛河流域不同年代際降水變化趨勢檢驗結果

圖2 牤牛河流域月尺度降水量變化趨勢及突變特征分析

4 降雨空間變化趨勢分析

對牤牛河流域各年代際降水量均值空間演變特征進行分析，結果如圖3所示。

從各年代際牤牛河流域降水空間分布結果可看出，各年代際降水空間分布較為一致，總體呈現從南到北逐步遞減的空間變化趨勢。從各年代際降水空間分布過程可看出，呈現較為明顯的10年豐枯周期變化。1960—1969年，年降水量均值在600～700m的區域占比低于20%，主要集中在400～500mm之間，該年代也屬于牤牛河干旱少雨的一個年代際，區域在該年代也出現較為嚴重的干旱年份。1970—1979年，年降水量在200～300mm的區域有所減少，降水量相比于1960—1969年有明顯增多，總體處于降水偏豐年代際。1980—1989年，又進入枯水年代際，降水量相比于1970—1979年明顯遞減，區域年降水量在300～400mm的區域占比超過60%。1990—1999年，降水增多進入又一個10年豐水周期，且屬于各年代際降水量均偏多的一個年代，年降水量均值超過500mm的區域占比超過40%，屬于水量較為充沛的一個年代際。2000—2009年，降水量相比于1990—1999年明顯遞減，區域年降水量均值主要集中在300～400mm之間，且南部遞減的趨勢明顯高于北部區域，北部也屬于牤牛河受旱程度較大的區域。進入2010年以后，區域降水量明顯增加，年降水量在500mm以上的區域降水量占比超過50%，且北部干旱易發區的降水量也有所增加。從牤牛河降水空間演變可看出，在2020年以后牤牛河區域將進入枯水變化周期，應提前做好區域農村灌溉供水儲備，做好水庫蓄水調度規劃，重點對北部干旱易發區增加引水措施規劃。

圖3 牤牛河流域不同年代際降水空間分布

5 結論

(1)牤牛河流域非汛期降水量呈現遞增變化，建議加大非汛期流域內水庫的調蓄水量，降低非汛期內用水量，做好水量儲備。

(2)在2020年以后牤牛河區域將進入枯水變化周期，應提前做好區域農村灌溉供水儲備，做好水庫蓄水調度規劃，重點對北部干旱易發區增加引水措施規劃。

(3)本文對牤牛河流域降水變化的成因還未進行研究，在后期還應對流域內降水變化成因尤其是環流特征進行深入探討。