海河流域不同降水極值的時(shí)空變化分析

郭彥濤

(河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北 邯鄲 056000)

0 引 言

自然災(zāi)害給全球社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人類(lèi)生活造成巨大的影響，其一直是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。在所有誘發(fā)自然災(zāi)害的因素中，水文極端事件(如洪水、山洪、暴雨、嚴(yán)重干旱等)是最主要和最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其發(fā)生頻率較高，對(duì)人民生命和社會(huì)經(jīng)濟(jì)及穩(wěn)定造成著巨大的影響。在最近幾十年，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，水文極端事件和水害發(fā)生的時(shí)間、頻率和強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間一直在增加[1]。降水極值是最常見(jiàn)的水文極值事件之一[2-3]。中國(guó)北方的海河流域是一個(gè)受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響很大的流域，其面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。海河流域是中國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心[4]。本文選擇海沙流域作為研究區(qū)，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)在急劇增長(zhǎng)、人口密集和城市化程度很高，但流域內(nèi)的水資源有限。目前，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)流域水資源的可持續(xù)性提出了嚴(yán)峻而緊迫的挑戰(zhàn)[5]。了解降水的時(shí)空變化將是海河流域開(kāi)展防洪和水資源管理的重要一步。在以前的研究中，對(duì)降水極值變異性的研究有限，且沒(méi)有對(duì)水庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)的管理，導(dǎo)致流域內(nèi)洪水和干旱的控制困難，水資源利用效率低下。

本文對(duì)1961-2010年期間海河流域降水極值的時(shí)間和空間變異性進(jìn)行研究，分析4種日降水情景的變化及海河流域暴雨和干旱中心，研究城市化對(duì)海河流域降水極值變異性的影響，研究結(jié)果可為海河流域防洪和水資源規(guī)劃與管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

海河流域位于N35°-N43°和E112°-E120°之間，流域面積為318 200 km2。流域內(nèi)的所有河流的發(fā)源地為太行山，并向東流，通過(guò)多個(gè)河流出口排入渤海。海河流域僅占中國(guó)總面積的3.3%，其流域內(nèi)人口占中國(guó)總?cè)丝诘?0%，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占15%[6-10]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用48個(gè)氣象站觀測(cè)的日降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)[11-12]。數(shù)據(jù)時(shí)間為1961-2010年，無(wú)缺失數(shù)據(jù)。測(cè)站均勻覆蓋整個(gè)流域。其中，30個(gè)氣象站位于海河流域內(nèi)，剩余18個(gè)氣象站位于海河流域外。后者用于海河流域邊界周?chē)鷸鸥窠邓當(dāng)?shù)據(jù)的插值，進(jìn)行空間插值主要是為了直觀呈現(xiàn)流域不同位置降水極值的相對(duì)變化幅度和空間變異性。

3 研究方法

本文對(duì)日降水極值的范圍進(jìn)行了分類(lèi)，分別為0 mm/d(P0)、10～20 mm/d(P10)、20～50 mm/d(P20)、大于50 mm/d(P50)，其分別反映了干旱、中雨、大雨和暴雨。為了分析降水極值隨時(shí)間的變化，每個(gè)柵格的降水序列均被平均劃分為50年，并采用降水的出現(xiàn)時(shí)間和平均變幅來(lái)描述降水極值的變化。M-K(Mann- Kendall)趨勢(shì)檢驗(yàn)[13]被廣泛用于時(shí)間序列分析，本文在95%置信水平下采用M-K方法分析降水極值的變化趨勢(shì)。

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)[13]被廣泛用于檢測(cè)氣象要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化及是否發(fā)生顯著性變化。其計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

最終計(jì)算獲得的Z值被用于判斷時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。當(dāng)Z>0時(shí)，表明時(shí)間序列趨勢(shì)增加；當(dāng)Z<0時(shí)，表明時(shí)間序列趨勢(shì)減小。在顯著性水平α下，當(dāng)|Z|≥Z1-α/2時(shí)，表明時(shí)間序列存在顯著性變化趨勢(shì)。本文采用0.05顯著性水平，|Z0.05|等于1.96。

4 結(jié)果分析

4.1 日降水量的時(shí)空變異性

圖1給出了海河流域日降水量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。從空間上看，從西北部山區(qū)到東南部平原，日降水量在逐漸增加，其平均值為1.4 mm/d，約500 mm/a，均值大致位于流域中的山地和平原之間的邊界。中部五臺(tái)站的日降水量較大，表明山區(qū)對(duì)降水的變異性具有調(diào)節(jié)作用。最大降水量出現(xiàn)在渤海北部(冀東平原)，北部準(zhǔn)化站和青龍站觀測(cè)的日降水量較大。從時(shí)間上看，20世紀(jì)80-90年代，日降水量隨年份顯著減少。山區(qū)和平原的日降水量變化明顯不同。在西北部山區(qū)，日降水量從60年代到2000年代逐漸增加；而在東南部平原地區(qū)，日降水量從60年代到90年代減少，然后在2000年代繼續(xù)增加；隨著時(shí)間的推移，冀東平原的日降水量表現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。與20世紀(jì)60年代相比，在2000年，降水量為1.4 mm/d的等高線向北京市東南部移動(dòng)了100 km以上。

圖1 海河流域日降水量的平均值(a)和標(biāo)準(zhǔn)偏差值(b)Fig.1 Average value (a) and standard deviation value (b) of daily precipitation in Haihe River Basin

日降水量標(biāo)準(zhǔn)差的空間變異性與平均值的空間結(jié)果相似，其大小范圍分別為3.8～11.3、3.8～11.7、3.7～9.0、4.0～9.1和3.6～9.2。顯然，在山區(qū)日降水量的波動(dòng)小于平原地區(qū)。在20世紀(jì)80年代之前，標(biāo)準(zhǔn)差的最大值出現(xiàn)在冀東平原，但在20世紀(jì)90年代后出現(xiàn)在南部海河流域。標(biāo)準(zhǔn)差越大越能反映降水波動(dòng)更劇烈以及降水極值出現(xiàn)的頻率越高。海河流域日降水量的標(biāo)準(zhǔn)差隨年份的增加而減少，其有利于水資源的利用；而降水減少將導(dǎo)致海河流域水資源的嚴(yán)重短缺。

圖2給出了過(guò)去50年海河流域降水極值大于10 mm/d所占的百分比。由圖2可以看出，P10、P20和P50降水量的極值占山區(qū)年降水量的50%以上，平原地區(qū)超過(guò)70%，東南海河流域高達(dá)85%。隨著時(shí)間的推移，其在海河流域中所占的百分比變得越來(lái)越小，在95%的置信水平下，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上其下降趨勢(shì)并不顯著，其Z值為1.145。

4.2 降水極值的變異性

圖3給出了海河流域不同時(shí)間段內(nèi)的干旱天數(shù)。與流域其他位置相比，海河流域沒(méi)有發(fā)生降水的干旱天數(shù)在中東部頻率最高。20世紀(jì)80年代后，五臺(tái)山和東北海河流域幾乎沒(méi)有出現(xiàn)干旱天氣。從時(shí)間上看，1961-1990年，干旱日數(shù)和干旱范圍隨著年份的增加而增加，但此后干旱范圍變得越來(lái)越小。

圖2 海河流域降水極值大于10mm/d所占的百分比Fig.2 Percentage of Precipitation Extreme Value over 10mm/d in Haihe River Basin

圖3 海河流域不同時(shí)間段內(nèi)的干旱天數(shù)Fig.3 Drought Days in Different Time Periods in Haihe River Basin

圖4給出了海河流域P10出現(xiàn)的次數(shù)和平均變化幅度。過(guò)去50年來(lái)，P10極值的空間變化較相似。與中部海河流域 (小于100天)相比，P10在五臺(tái)山地區(qū)、冀東平原和東南海河流域的邊界(大于120天)出現(xiàn)的頻率較高。在過(guò)去50年，P10極值的平均變化幅度沒(méi)有明顯的差異(表1)，但降雨中心隨地區(qū)位置的變化而變化。P10極值中心位于冀東平原、五臺(tái)山和東南部海河流域，20世紀(jì)60年代位于冀東平原和南部海河流域，20世紀(jì)80年代位于冀東平原和東南部海河流域，20世紀(jì)90年代位于冀東平原和西北部海河流域，2000年代位于中部和東南部海河流域?？梢钥闯?，P10極值中心隨著時(shí)間的推移并沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

圖4 海河流域P10出現(xiàn)的次數(shù)和平均變化幅度Fig.4 The frequency and average variation of P10 in Haihe River Basin

變量指標(biāo)1961-19701971-19801981-19901991-20002001-2010P0天數(shù)2935～30962974～31432457～30812783～31082724～3115P10次數(shù)63～11050～10759～16559～11660～103平均值 /mm13.45～14.6413.46～14.7213.46～14.8913.37～14.9613.47～14.72P20次數(shù)29～8229～8026～8335～7330～89平均值 /mm23.37～33.7223.77～33.0021.00～31.9928.04～33.3820.00～32.08P50次數(shù)1～292～311～282～311～32平均值 /mm50.00～99.9250.00～92.0350.00～111.5455.99～99.5350.00～84.17

圖5給出了海河流域P20降水極值出現(xiàn)的次數(shù)和平均變化幅度。與P10極值不同，與中北部相比，東部和南部海河流域P20極值出現(xiàn)的頻率更高，特別是在冀東平原。P20極值在海河流域的許多地區(qū)隨著時(shí)間的推移而減小。與海河流域的山區(qū)相比，平原地區(qū)P20極值的平均幅度大得多，并且在過(guò)去50年期間，其表現(xiàn)出10年的周期波動(dòng)和上升趨勢(shì)。

圖5 海河流域P20降水極值出現(xiàn)的次數(shù)和平均變化幅度Fig.5 Sub-and Average Variation Range of P20 Precipitation Extreme Value in Haihe River Basin

圖6給出了海河流域P50降水極值出現(xiàn)的時(shí)間和大小。P50極值的時(shí)空變化明顯不同于P10和P20極值，其P50極值的發(fā)生時(shí)間從西北向東南增加。P50極值的出現(xiàn)變得越來(lái)越少，平均幅度隨著時(shí)間的推移而顯著下降，尤其在2000年。P50極值中心在以10年為間隔的時(shí)段內(nèi)發(fā)生著變化。20世紀(jì)60年代和70年代，P50中心位于海河流域南部和冀東平原。20世紀(jì)80年代后，P50極值在南部海河流域比北部出現(xiàn)得更頻繁。

圖6 海河流域P50降水極值出現(xiàn)的時(shí)間和大小Fig.6 The Time and Size of P50 Precipitation Extreme in Haihe River Basin

4.3 城市化的影響

根據(jù)以往研究，以氣溫升高作為顯著特征定義的氣候變化始于20世紀(jì)80年代。因此，本文比較了1961-1980年和1981-2010年降水極值的變化，以研究海河流域受城市化的影響。石家莊和北京P20的極值變化幅度較大，石家莊市20世紀(jì)80年代和90年代P50極值變化幅度大于周邊地區(qū)，反映了城市降雨島( URI )效應(yīng)。然而，URI問(wèn)題并未在天津市得到明確的反映，其可能會(huì)受到渤海監(jiān)管效應(yīng)的影響。2000年后，大多數(shù)城市的URI問(wèn)題消失了，干旱發(fā)生的頻率主要集中于海河流域中東部的干旱中心。

因此，城市化影響隨分析的面積和降水極值而發(fā)生變化，城市化影響在2000年代表現(xiàn)并不顯著。城市化對(duì)P20和P50極值的影響較明顯，但P10極值除外。由此可以得出結(jié)論，海河流域中降水極值的變異性主要是由大氣周期決定的，城市化的影響主要發(fā)生于一些局部地區(qū)。

5 結(jié) 論

在考慮城市化影響的情況下，本文分析了海河流域中降水極值的變化，主要得出以下結(jié)論:

1) 日降水量由海河流域西北向東南方向遞減，總體來(lái)看其均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨年份在減小。2000年代以后，降水量的下降趨勢(shì)較明顯。在過(guò)去的50年里，日降水量的平均值為1.4 mm/d，其等高帶向東南方向移動(dòng)了超過(guò)100 km。

2) 20世紀(jì)80年代以后，天津市和廊坊市是海河流域的干旱中心。流域內(nèi)的干旱天數(shù)和干旱地區(qū)隨著年份的增加而增加。

3) 3個(gè)降水極值的變化表現(xiàn)出差異。P10極值的大小在過(guò)去50年中沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，但降雨中心隨流域空間位置的不同而變化；P20極值的大小在1961-2000間年沒(méi)有發(fā)生顯著變化，但在2000年后開(kāi)始有所增加；而P50極值的變化幅度隨年份的增加表現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)，海河流域降水中心的移動(dòng)為從東北向南移動(dòng)。

4) 海河流域降水量的減少主要是由于P50極值減少造成的。