1961—2018年四子王旗旱澇特征及其變化規(guī)律分析

(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗水利局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 011800)

全球氣候的改變，也在潛移默化地影響著區(qū)域水文循環(huán)的變化，其中一個(gè)最主要的表現(xiàn)就是降水的時(shí)空分布變化，而降水的季節(jié)變化以及空間分布的不均勻性會(huì)直接造成區(qū)域極端旱澇災(zāi)害，在國(guó)內(nèi)流域尺度上降水的時(shí)空變化正逐漸受到重視[1-3]。本文研究的區(qū)域四子王旗地處大青山北麓，內(nèi)蒙古高原中部，地形從南至北由陰山山脈北緣、烏蘭察布丘陵和蒙古高原3個(gè)部分組成，其中：山地占4.1%，丘陵占56.1%，高原占39.8%，統(tǒng)觀地形趨勢(shì)東南高而西北低。該地區(qū)降水量雖然不大，但由于境內(nèi)地形復(fù)雜，由暴雨引發(fā)的局部洪澇災(zāi)害較多。因此研究該區(qū)域的降水量及相關(guān)氣象要素的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)建設(shè)及農(nóng)畜牧業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義[4-5]。

1 研究區(qū)概況

四子王旗在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，西與包頭市的達(dá)茂旗接壤，東與烏蘭察布市察中中旗、察右后旗交界，北與蒙古國(guó)相連，南與呼和浩特市武川縣毗鄰，國(guó)境線全長(zhǎng)104km，總面積24016km2。地區(qū)多年平均24h最大降雨量在35～40mm之間，暴雨出現(xiàn)在6—9月，多集中在7月、8月，多為局部雷陣雨，形成暴雨的天氣系統(tǒng)多為冷暖切變線，暴雨特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、籠罩面積小、強(qiáng)度大而歷時(shí)短，由暴雨形成的洪水，一般多出現(xiàn)在7月、8月。

2 資料與方法

2.1 資料

本文采用的數(shù)據(jù)包括四子王旗及其周邊4個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)、基本氣象站(四子王、達(dá)茂旗、呼和浩特和集寧)1961—2018年逐月降水實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用算術(shù)平均構(gòu)建該流域季、年平均降水量時(shí)間序列，對(duì)該區(qū)域降水分布特征與旱澇災(zāi)害變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)來(lái)源均為中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心。

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，用于預(yù)測(cè)各種氣象要素(如溫度、降水和氣壓等)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)。變量不一定具有正態(tài)分布特征，少數(shù)異常值不會(huì)影響它們，因此它們可以應(yīng)用于非正態(tài)分布的趨勢(shì)分析，如水文變量和氣象要素的趨勢(shì)分析。其計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍寬，干擾度小，定量程度高[6]。

2.2.2 降水量距平百分率(Pa)

降水量距平百分率(Pa)反映的是某時(shí)段內(nèi)的降水同平均狀態(tài)的偏離程度[7]，依據(jù)其數(shù)值可劃分旱澇等級(jí)，見表1。其計(jì)算公式為

(1)

表1 降水量距平百分率Pa等級(jí)劃分

3 降水量時(shí)間變化特征分析

3.1 降水量年際變化特征

圖1 四子王旗年均降水量變化特征

四子王旗1961—2018年平均降水量為334.4mm，年平均降水量呈緩慢增加的趨勢(shì)，趨勢(shì)方程為y=0.2187x+328.05，平均年降水量以0.2187mm/a的速率增加，58年內(nèi)增加了12.68mm，增加趨勢(shì)不顯著。該地區(qū)年均降水量年際變化較大，年降水量的最大值出現(xiàn)在2003年，降水量為532.8mm，降水量最小值出現(xiàn)在1965年，降水量為161.7mm，兩者相差371.1mm。從四子王旗年均降水量變化的5年滑動(dòng)平均曲線(見圖1)可以看出，1961—1981年年平均降水量波動(dòng)幅度較大且呈緩慢上升趨勢(shì)，1982—2001年年平均降水量波動(dòng)較小，2002—2018年年平均降水量波動(dòng)幅度較大且呈減小趨勢(shì)。

圖2 四子王旗年均降水量距平百分率

圖2為四子王旗1961—2018年年均降水量距平百分率，58年間年降水距平百分率正負(fù)相間，且大部分在-50%～50%之間。由表2可知四子王旗降水整體處于正常水平，其中距平百分率最接近50%的年份，即降水偏澇的年份為1961年、1976年、2003年和2012年，對(duì)應(yīng)的距平百分率分別為49.86%、46.73%、70.33%和44.66%，其中2003年為大澇，降水量達(dá)到了532.8mm。距平百分率最接近-50%的年份，即降水偏旱的年份為1965年，對(duì)應(yīng)的距平百分率為-48.31%，降水量為161.7mm。整體來(lái)看，1961—1981年以及2002—2018年降水量偏多和偏少交替出現(xiàn)，且整體偏澇，1982—2001年降水量基本正常。

表2 四子王旗不同時(shí)間尺度降水量特征值統(tǒng)計(jì)

3.2 降水量季節(jié)變化特征

為進(jìn)一步分析年內(nèi)不同時(shí)間段降水量的變化趨勢(shì)，將整個(gè)研究時(shí)段分為春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 四子王旗不同季節(jié)降水量變化特征

由表2可知，四季的降水變化傾向率只有夏季為負(fù)值，其余三季均為正值，說(shuō)明夏季降水量呈緩慢下降趨勢(shì)，而其他三季降水量則呈緩慢增加趨勢(shì)，從四子王旗各季節(jié)平均降水量變化的5年滑動(dòng)曲線可以看出，流域各季節(jié)平均降水量具有不同的階段性變化特征。圖3(a)為春季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動(dòng)曲線可以看出，1961—1991年降水量波動(dòng)較小，1992—2018年降水量波動(dòng)較大，并且在后段時(shí)間出現(xiàn)了降水的最大最小值交替，最大季節(jié)降水量出現(xiàn)在2003年，為127.6mm，最小季節(jié)降水量出現(xiàn)在1993年，為11.7mm，所以春季降水最大振幅為115.9mm。圖3(b)為夏季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動(dòng)曲線可以看出，1961—1981年以及2002—2018年降水量波動(dòng)較大，并且在這兩段時(shí)間出現(xiàn)了多次降水的枯豐交替，1982—2001年降水量波動(dòng)較小，降水量偏少，整體為下降趨勢(shì)。圖3(c)為秋季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動(dòng)曲線可以看出，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)降水的波動(dòng)幅度比較大，在1961—1986年有一個(gè)較大的振幅，為先增大后減小的趨勢(shì)， 1987年以后降水量有回升跡象，且整體為上升趨勢(shì)。圖3(d)為冬季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動(dòng)曲線可以看出，降水量整體呈較平穩(wěn)的變化狀態(tài)，總體來(lái)說(shuō)降水量偏少，且為緩慢上升趨勢(shì)。

3.3 降水量季節(jié)變化Mann-Kendall檢驗(yàn)

對(duì)1961—2018年春、夏、秋、冬四季降水量進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，結(jié)果見圖4。在置信水平0.05的基礎(chǔ)上，四季降水量的UF和UB曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，所有的交點(diǎn)都在置信區(qū)間內(nèi)，表明降水存在多個(gè)突變點(diǎn)，振蕩劇烈。

圖4 四子王旗近不同季節(jié)降水量突變檢驗(yàn)

圖4(a)為四子王旗近58年春季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)共有12個(gè)交點(diǎn)，并且大多集中在1985年過(guò)后，說(shuō)明在1985—2018年的時(shí)間段里降水量振蕩較為劇烈；從整個(gè)時(shí)間段來(lái)看存在3個(gè)影響較大的突變點(diǎn)，分別在1965年、1993年和1998年，其中1965年和1993年降水量由多向少轉(zhuǎn)變，1998年為降水量由少向多轉(zhuǎn)變。圖4(b)為四子王旗近58年夏季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)共有7個(gè)交點(diǎn)，全部集中在1998年之前，在1961—1998年之間降水量發(fā)生多次枯-豐交替，但是每次枯水年或者豐水年持續(xù)時(shí)間都不長(zhǎng)；1998年降水由多向少轉(zhuǎn)變，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)降水事件影響最大。圖4(c)為四子王旗近58年秋季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)共有3個(gè)交點(diǎn)，說(shuō)明在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)秋季降水較為平緩，振蕩較?。?974年降水量由多向少轉(zhuǎn)變，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2010年降水由少向多轉(zhuǎn)變，降水量逐漸增多。圖4(d)為四子王旗近58年冬季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)共有5個(gè)交點(diǎn)，全部集中在1986年之后，在1997年降水量由少向多轉(zhuǎn)變，對(duì)整個(gè)時(shí)間段的影響最深。

4 結(jié) 論

本文對(duì)四子王旗降水量隨時(shí)間變化特征進(jìn)行研究后得出如下結(jié)論：

a.四子王旗1961—2018年平均降水量為334.4mm，整體呈緩慢增加的趨勢(shì)，且年降水量變化傾向率為0.2187mm/a；整體來(lái)看，1961—1981年降水量呈緩慢上升趨勢(shì)，1982—2001年降水量波動(dòng)較小，2002—2018年呈減小趨勢(shì)。

b.從降水量距平百分率來(lái)看，1961年、1976年和2012年整體偏澇，距平百分率分別為49.86%、46.73%和44.66%，2003年為大澇，距平百分率為70.33%，降水量達(dá)到了532.8mm；1965年整體偏旱，對(duì)應(yīng)距平百分率為-48.31%，降水量?jī)H為161.7mm。

c.春、夏、秋、冬四季的降水變化傾向率分別為0.167mm/a、-0.355mm/a、0.377mm/a和0.030mm/a，只有夏季為負(fù)值，其余三季均為正值，說(shuō)明夏季降水量呈緩慢下降趨勢(shì)，而其他三季降水量則呈緩慢增加趨勢(shì)。

d.對(duì)春、夏、秋、冬四季1961—2018年降水量進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，結(jié)果顯示四季降水量的UF和UB曲線分別存在12個(gè)、7個(gè)、3個(gè)和5個(gè)交點(diǎn)，降水量隨時(shí)間變化明顯，振蕩劇烈。