觀音閣水庫流域降雨變化特征分析

李 德

（遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000）

全球氣候變化大背景下，氣候變化一直是學(xué)科研究的熱點(diǎn)[1]。降水是氣候變化影響的重要指標(biāo)之一，近些年來對降水演變的研究日益增多，對降水變化趨勢的分析也逐漸成為水文氣象研究領(lǐng)域的重要組成部分[2]。徐宗學(xué)[3]等研究了黃河流域降水趨勢并對比了線性回歸方法與Mann-Kendall法估算結(jié)果的區(qū)別；王大鈞[4]等利用1961年～2000年中國境內(nèi)561個(gè)氣象站的逐日降水資料，研究了中國降雨強(qiáng)度和降雨日數(shù)的變化趨勢。劉勤[5]等通過各月氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)探討了50 a來黃河流域氣溫和降水量變化趨勢特征；楊霞[6]等利用1971年～2006年新疆地區(qū)98個(gè)氣象站的逐日降水資料，分析得出新疆多年降水量和雨日均為北疆多余南疆。姚宛艷[7]等采用算術(shù)平均等方法對黃河流域溫度和降水的變化特點(diǎn)和趨勢進(jìn)行了分析，表明黃河流域年降水量呈顯著減少趨勢，流域季節(jié)降水量變化趨勢不明顯。陳冬冬[8]等研究了我國西北地區(qū)近五十年降水變化特征，表明西北地區(qū)以強(qiáng)降雨為主，降水比重呈增加趨勢。

本文根據(jù)觀音閣水庫流域1995年～2017年逐月降水量資料，利用降水集中度（期）、不均勻系數(shù)和滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法、R/S分析法從降水特征變化趨勢及未來趨勢等方面著手，研究觀音閣水庫流域降水變化特征，為分析流域內(nèi)水資源變化特征奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為流域內(nèi)相關(guān)氣象和水文研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

觀音閣水庫位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面積2795 km2，總庫容21.68億m3。洪水主要發(fā)生在6至8月份，洪水成因主要是此期間的大暴雨，壩址以上流域多年平均降水量822.6 mm。本文選取觀音閣水庫流域內(nèi)8個(gè)雨量站1995年～2017年的實(shí)測降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1.2 研究方法

本文以年降水量為研究對象，對觀音閣水庫流域年降水量特征進(jìn)行分析，采用降水集中度、集中期和年內(nèi)降水不均勻系數(shù)，來分析觀音閣水庫年內(nèi)降水的特征。并運(yùn)用滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法和R/S分析法對降水量變化趨勢進(jìn)行分析。

a)集中度與集中期

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）[9]是描述流域降水量年內(nèi)分配特征的參數(shù)，其中PCD反映年內(nèi)降水的集中程度，PCP則刻畫一年中的最大降水出現(xiàn)的時(shí)段，具體計(jì)算如下：

式中：Pi為第i年年平均降水量；Pxi為第i年各個(gè)月降水量之和在x軸方向上的分量；Pyi為第i年各個(gè)月降水量之和在y軸方向上的分量；pij為第i年第j月的降水量；θj為研究時(shí)段內(nèi)第j各月所對應(yīng)的方位角；i為年份；j為研究時(shí)間域內(nèi)的月序。

b）不均勻系數(shù)

式中：P0為年內(nèi)月平均降水量；n為月降水量大于年內(nèi)月平均降水量P0的個(gè)數(shù)；Pi為月降水量大于年內(nèi)月平均降水量起第i月的月降水量。

c)Mann-Kendall趨勢分析法

Mann-Kendall法是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法，目前，Mann-Kendall趨勢及突變檢驗(yàn)法對水文站實(shí)測徑流時(shí)間序列趨勢變化及突變點(diǎn)的分析已被廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)氣候與降雨的時(shí)間序列變化中，Mann-Kendall法能很好地揭示時(shí)間序列的趨勢變化。

d)R/S分析法

R/S(Re-scaled Range)是一種時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)法。利用R/S分析法可以計(jì)算得Hurst指數(shù)H，該指數(shù)可以反映具有統(tǒng)計(jì)特性的非線性數(shù)據(jù)系列的持續(xù)性，適用于降水序列。通過Hurst指數(shù)，可判定降水時(shí)序的狀態(tài)持續(xù)性及其記憶長度。

2 降水量變化特征

2.1 年際變化特征

根據(jù)觀音閣水庫流域雨量站點(diǎn)實(shí)測降水量資料，統(tǒng)計(jì)觀音閣水庫流域年降水極值情況（見表1）。根據(jù)雨量站資料，通過算術(shù)平均法計(jì)算觀音閣水庫流域各年降水量，并繪制流域年降水量序列（見圖1）。由表1和圖1可知，觀音閣水庫流域平均年降水量為822.6 mm，其中2010年降水量最大（1410.2 mm），2014年降水量最?。?45.4 mm）。觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)年際變化大，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍，最大年降水值大于平均值71.4%，最小年降水值小于平均值33.7%。1996年到2004年間降水量均較少，2005年至2013年出現(xiàn)了降水高峰降水較多的年份有2005年（1017.7 mm），2010年（1410.2 mm），2012年（1090.1 mm），2013年（927.5 mm),2013年以后降水開始減少，處于低水平狀態(tài)。

表1 觀音閣水庫流域最大最小年降水量極值比和超平均值比例

圖1 觀音閣水庫流域年降水量序列

2.2 年內(nèi)變化特征

從觀音閣水庫流域1995年～2017年間平均降水量年內(nèi)分配（圖2）可以看出，降水量在各月的分配不均勻，降水主要集中在6月～9月，降水量最大值主要出現(xiàn)在8月，最大月降水量占 年降水量的25.4%；最小降水量均出現(xiàn)在1月，最小月降水量占年降水量的0.94%。

圖2 觀音閣水庫流域降水年內(nèi)分配圖

從表2可以看出，降水量也表現(xiàn)為較大的季節(jié)差異，全年降水主要集中在夏季（6月～8月），占全年降水量的64.5%；春季和秋季降水量相近，兩季降水量分別占全年降水量的16.6%、14.8%；冬季降水量較小，占全年降水量的4.1%。為深入分析臨水流域降水年內(nèi)分配特征變化規(guī)律，采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度（期）對臨水流域降水量年內(nèi)分配進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表2 觀音閣水庫流域降水量特征值

利用集中度、集中期和不均勻系數(shù)計(jì)算方法，分別計(jì)算觀音閣水庫流域降雨集中度、集中期和不均勻系數(shù)。統(tǒng)計(jì)降水集中度、集中期和不均勻系數(shù)特征值（見表3），降雨集中度的多年平均值為59.7%，最大值為74.1%，最小值為46.5%；降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)多年平均值為42.0%，最大值為53.4%，最小值為32.4%，降雨集中度和不均勻系數(shù)高；降水集中期的平均值為183°，范圍為172°～196°。

表3 觀音閣水庫流域降水集中度（期）和不均勻系數(shù)特征值

繪制降水集中度（期）和不均勻系數(shù)年際變化曲線（見圖3）。由圖3 a可看出，降水集中度和降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化趨勢高度一致，二者均表明流域降水集中度高、不均勻。由圖3 b及圖2可看出，多年平均的降雨集中期是主要集中在6月～8月，這與觀音閣水庫流域所處氣候環(huán)境相吻合，此段時(shí)間正值西南系統(tǒng)、西北系統(tǒng)、東北系統(tǒng)活躍期，降雨量比較豐裕。

圖3 降水集中度（期）和不均勻系數(shù)年際變化曲線

3 降水量趨勢性與持續(xù)性分析

根據(jù)流域降水量數(shù)據(jù)，繪制出觀音閣水庫流域多年降水量時(shí)間序列圖（見圖4）?；瑒悠骄梢允剐蛄懈哳l震蕩對變化趨勢分析的影響得以弱化[10]，本文降水量以5 a進(jìn)行滑動平均，觀察圖4，觀音閣水庫流域降水量在1995年～2017年期間呈現(xiàn)階段性，在1996年～2004年曲線起伏平緩，且降水量較少，2005年～2013年降水量增多，曲線起伏較大，2013年以后降水量有逐漸減少，總體上，年降水量變化趨勢呈不明顯的微弱下降。

圖4 觀音閣水庫流域多年降水量時(shí)間序列

觀察圖5，春季降水量序列呈不明顯微弱上升趨勢，夏季降水量序列呈下降趨勢，秋季降水量序列呈上升趨勢，冬季降水量序列呈上升趨勢。

圖5 觀音閣水庫流域季節(jié)降水量時(shí)間序列

利用Mann-Kendall趨勢分析法，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量U值，如果U＞0，表明有上升趨勢，如果U＜0，表明有下降趨勢，當(dāng)U＞U0.05/2=1.96,表示序列趨勢變化顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列統(tǒng)計(jì)量U值的計(jì)算結(jié)果見表4，年降水量呈下降趨勢，春、夏季降水量呈下降趨勢，秋、冬季降水量呈上升趨勢。

表4 降水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值成果

利用Mann-Kendall法揭示序列的趨勢特征，R/S分析法揭示序列的持續(xù)性[11]，結(jié)合兩種方法綜合得出未來的趨勢特征[12]。Hurst系數(shù)H的取值范圍為（0,1），當(dāng)H=0.5時(shí)，降水量序列為隨機(jī)序列，目前的強(qiáng)度不會影響未來趨勢；當(dāng)H＞0.5時(shí)，降水序列具有持續(xù)性，存在長期記憶性，即下一個(gè)狀態(tài)將持續(xù)上一個(gè)狀態(tài)的態(tài)勢，且其記憶性不隨時(shí)間標(biāo)度而變化，當(dāng)H＜0.5時(shí)，系統(tǒng)是一逆持續(xù)性的，即下一個(gè)狀態(tài)與上一個(gè)狀態(tài)的態(tài)勢相反，這種逆持續(xù)性行為的強(qiáng)度取決于距離零的遠(yuǎn)近，H距離零值越近，負(fù)相關(guān)性越顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列的未來趨勢進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算結(jié)果見表5。在2017年后的一定時(shí)間內(nèi)，觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，春、夏季降水量呈不顯著下降趨勢，秋、冬季降水量呈不顯著上升趨勢。

表5 降水量未來趨勢變化特征

4 結(jié)論

本文基于對觀音閣水庫流域內(nèi)8個(gè)雨量站降雨資料的分析，得出以下幾個(gè)重要結(jié)論：

a）觀音閣水庫流域年平均降雨量為822.6 mm，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍,降雨量年際變化大；

b)利用集中度、集中期和不均勻系數(shù)分析了降水年內(nèi)分布情況，降雨集中度和降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)高，降水年內(nèi)分布不均勻、集中度高；6月～8月是全年降雨的集中期，要注意當(dāng)?shù)氐某擎?zhèn)防洪和鄉(xiāng)村的山洪地質(zhì)災(zāi)害，做好相關(guān)預(yù)防工作；

c)采用非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)方法分析了觀音閣水庫流域降雨量的變化趨勢，結(jié)果表明觀音閣水庫流域春季、夏季降雨量均存在減小趨勢，秋季和冬季降雨量有增加趨勢；年均降雨量總體呈現(xiàn)弱下降趨勢，以上變化趨勢均不顯著；

d)2017年后的一定時(shí)間內(nèi)，觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢，春季、夏季降水量呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢，秋季、冬季降水量呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢。