1954—2013年漳河上游流域降水演變規(guī)律分析

高云明，王勇，湯欣鋼，林超

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津300170；2.海河水利委員會(huì)漳河上游管理局，河北邯鄲056006）

1954—2013年漳河上游流域降水演變規(guī)律分析

高云明1，王勇2，湯欣鋼2，林超2

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津300170；2.海河水利委員會(huì)漳河上游管理局，河北邯鄲056006）

降水是徑流主要來(lái)源，直接影響水資源時(shí)空分布。為探索漳河上游流域降水演變規(guī)律，根據(jù)流域內(nèi)77個(gè)雨量站資料，采用線性回歸法、滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析流域1954—2013年降水量變化。結(jié)果表明，漳河上游流域降水量年際變化大，極值比約為2.5，總體呈微弱減少趨勢(shì)，變化傾向率約為11.1 mm/10a；20世紀(jì)70年代以前及21世紀(jì)以后高于多年平均值，20世紀(jì)80—90年代低于多年平均值；空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象；年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在汛期，汛期降水量約占全年降水總量的72%。

降水量；趨勢(shì)性；空間分布；漳河

1 研究區(qū)概況

漳河位于海河流域西南部，屬漳衛(wèi)河水系一級(jí)支流，河長(zhǎng)460 km，流域總面積19 220 km2。本次研究主要以漳河山丘區(qū)為研究對(duì)象，研究區(qū)面積17 800 km2，稱為漳河上游流域。漳河上游流域地處溫帶半濕潤(rùn)、半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受來(lái)自海洋暖濕偏南氣流控制，氣候濕熱；冬季盛行北風(fēng)和西北風(fēng)，氣候干冷；春季干旱多風(fēng)沙。年均氣溫7.4～10.3℃，多年平均年降水量564.8 mm，多年平均實(shí)測(cè)徑流量9.50億m3。漳河上游流域位于山西臺(tái)地東側(cè)、太行大背斜上，以山區(qū)地貌為主，東部為太行山脈，西部為太岳山脈，兩山之間是長(zhǎng)治盆地，河流橫穿太行山脈，地形總的趨勢(shì)西高東低，地面坡度為10‰～0.5‰。

2 資料與方法

2.1 資料

選取流域內(nèi)連續(xù)資料序列超過(guò)40年的77個(gè)雨量站作為代表站，各站點(diǎn)分布如圖1所示。其中，18個(gè)站連續(xù)資料序列超過(guò)60年，45個(gè)站連續(xù)資料序列超過(guò)50年。流域平均降水量采用各代表站算數(shù)平均法計(jì)算，雖然連續(xù)資料序列超過(guò)60年僅為18個(gè)站，但空間分布較均勻，具有一定代表性。

圖1 漳河上游流域水系及雨量站位置

2.2 趨勢(shì)分析方法

2.2.1 線性回歸法

通過(guò)建立年降水序列（yt）與相應(yīng)的時(shí)序（t）之間的線性回歸方程來(lái)判斷年降水序列是否具有遞增或遞減的線性趨勢(shì)。線性回歸方程為：

式中：yt為降水序列；t為時(shí)序（t=1，2，…，n；n為序列長(zhǎng)度）；a為斜率；b為截距。a和b的估算公式為：

式中：yˉ和tˉ分別為yt和t的均值。

2.2.2 滑動(dòng)平均法

取年降水序列y1，y2，…，yn的幾個(gè)前期值和后期值的平均值得到新序列zt，使原序列光滑。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

若yt具有趨勢(shì)成分，選擇合適的k，zt就能把yt的趨勢(shì)性特征顯示出來(lái)。

2.2.3 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

對(duì)年降水序列x1，x2，…，xn（n為樣本數(shù)）來(lái)說(shuō)，所有對(duì)偶觀測(cè)值（xi，xj）（j＞i）中xi＜xj出現(xiàn)的個(gè)數(shù)設(shè)為k。順序的（i，j）子集是：（i=1，j=2，3，4，…，n），（i=2，j=3，4，5，…，n），…，（i= n-1，j=n）。如果按順序前進(jìn)的值全部大于前面的值，這是一種上升的趨勢(shì)，k=n（n-1）/2；如果順序全部倒過(guò)來(lái)，則k=0，為下降趨勢(shì)。對(duì)無(wú)趨勢(shì)的年徑流序列來(lái)說(shuō)，k的數(shù)學(xué)期望為E（k）=n（n-1）/4。

研究序列有無(wú)趨勢(shì)成分需進(jìn)行檢驗(yàn)，構(gòu)成統(tǒng)計(jì)量為：

式中：統(tǒng)計(jì)量U稱為Mann-Kendall秩次相關(guān)系數(shù)，當(dāng)n增加時(shí)，U很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化分布。

假設(shè)原序列為無(wú)趨勢(shì)，當(dāng)給定顯著水平α（這里取0.05）后，在正態(tài)分布表中查出臨界值Uα2。當(dāng)|U|＜Uα2時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢(shì)不顯著；當(dāng)|U|＞Uα2時(shí)，拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著。而且，U＞0時(shí)序列呈上升趨勢(shì)，U＜0時(shí)序列呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量年際變化分析

漳河上游流域降水量年際變化大，最大、最小年降水量比值約為2.5。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，漳河流域多年平均（1954—2013年）年降水量為564.8 mm。1963年最大，年降水量869.2mm；1997年最小，年降水量347.7mm。

3.1.1 總體趨勢(shì)分析

采用線性回歸法粗略判斷降水量年際變化趨勢(shì)性，滑動(dòng)平均法定性判斷趨勢(shì)性，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法定性且定量判斷趨勢(shì)性。

通過(guò)1954—2013年漳河上游流域年降水量變化過(guò)程線及其5年滑動(dòng)平均過(guò)程線（如圖2所示）及建立的線性回歸方程可以判斷，漳河上游流域降水量年際變化呈階段性高低交錯(cuò)狀態(tài)，但總體呈減少趨勢(shì)，變化傾向率約為11.1 mm/10a。

采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)1954—2013年漳河上游流域年降水序列進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量為-1.17，即統(tǒng)計(jì)量小于零，由此判斷1954—2013年漳河上游流域年降水量總體呈減少趨勢(shì)；由Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值小于信度為0.05水平的臨界值（查表得U0.052=1.96）判斷，1954—2013年漳河上游流域年降水量序列總體減少趨勢(shì)并不顯著。

圖2 漳河上游流域年降水量及其5年滑動(dòng)平均過(guò)程線

3.1.2 年代趨勢(shì)分析

根據(jù)漳河上游流域1954—2013年降水量資料統(tǒng)計(jì)不同年代平均降水量，見(jiàn)表1，如圖3所示。

表1 漳河上游流域各年代年降水量特征值統(tǒng)計(jì)

由表1和圖3可知，漳河上游流域年降水量20世紀(jì)60—90年代呈下降趨勢(shì)，70年代較60年代下降5.6%，80年代較70年代下降8.3%；80—90年代出現(xiàn)低谷；進(jìn)入21世紀(jì)又呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)較20世紀(jì)90年代上升9.5%。

圖3 漳河上游流域各年代年降水量變化

圖4為漳河上游流域各年代年降水量距平圖。由圖4可知，漳河上游流域年降水量的年代變幅在-7%～9%，20世紀(jì)70年代以前及21世紀(jì)以后高于多年平均值，20世紀(jì)80—90年代低于多年平均值。

圖4 漳河上游流域各年代年降水量距平

3.2 降水量空間分布

漳河上游流域降水量空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象（如圖5所示）。流域中部為降水高值區(qū)，降水量在650 mm以上，最大降水量為719.0 mm；流域中北部的濁漳河北支和流域中南部濁漳河干流為降水量低值區(qū)，降水量在550 mm以下，最小降水量為446.2 mm；其他地區(qū)在550～650 mm。

圖5 漳河上游流域（1954—2013年）多年平均年降水量等值線

3.3 降水的年內(nèi)分配過(guò)程

根據(jù)流域年降水量年代分析結(jié)果，漳河上游流域降水量的年內(nèi)分配按照1954—1979、1980—1999和2000—2013年3個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算（如圖6所示）。漳河上游流域各時(shí)期降水量年內(nèi)分配特點(diǎn)基本一致：年內(nèi)不均勻；降水主要集中在汛期（6—9月），1954—1979、1980—1999和2000—2013年汛期降水量占全年降水量的比例分別為75.1%、72.9%和74.0%；7月降水量全年最大，1954—1979、1980—1999和2000—2013年7月降水量占全年降水量的比例分別為29.0%、25.6%和26.6%，不同時(shí)期降水差異在7月最明顯。

圖6 漳河流域不同時(shí)期降水量年內(nèi)分配過(guò)程

4 結(jié)論

在海河流域，降水是水資源的主要來(lái)源，研究降水時(shí)空變化對(duì)防洪減災(zāi)、優(yōu)化流域水資源配置和推進(jìn)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度具有重要意義。通過(guò)對(duì)漳河上游77個(gè)雨量站1954—2013年降水量資料分析，得出如下結(jié)論：

（1）漳河上游流域降水量年際變化大，最大、最小年降水量比值約2.5。

（2）綜合滑動(dòng)平均法、線性回歸法和Mann-Kend?all秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析成果為：1954—2013年漳河上游流域年降水量年際變化呈階段性高低交錯(cuò)狀態(tài)，但總體呈微弱減少趨勢(shì)，變化傾向率約為11.1mm/10a。

（3）漳河上游流域年降水量20世紀(jì)60—90年代呈下降趨勢(shì)，80—90年代出現(xiàn)低谷，進(jìn)入21世紀(jì)又呈上升趨勢(shì)；20世紀(jì)70年代以前及21世紀(jì)以后高于多年平均值，20世紀(jì)80—90年代低于多年平均值。

（4）漳河上游流域降水量空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象。

（5）漳河上游流域降水量年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在汛期（6—9月），7月降水量全年最大。

[1]張建云，王國(guó)慶.河川徑流變化及歸因定量識(shí)別[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2]段文軍，王金葉，張立杰，等.1960—2010年漓江流域降水變化特征研究[J].水文，34（5）：88-93.

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A

1004-7328（2015）05-0001-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.05.001

2015-05-05

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201201091）

高云明（1962—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文水資源管理工作。