山西滹沱河流域夏季降水時(shí)空分布及趨勢分析

馬子平，李 勁，李 欣*，鄭秀文，劉耀文，郭 婕

（1.山西省忻州市氣象局，山西 忻州 034000；2.山西省忻州市農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 忻州 034000；3.山西省長治市氣象局，山西 長治 046000；4.北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100000）

滹沱河是山西省的六大河流之一，全長319 km，流域面積18856 km2［1］，其源頭位于繁峙縣光裕堡鄉(xiāng)橋兒溝，橫穿忻州東部6個(gè)縣（市、區(qū)）后經(jīng)陽泉盂縣穿過太行山流入河北獻(xiàn)縣。滹沱河呈S形［2］，上游是繁代原河谷，中游是忻定盆地，下游為五臺(tái)至太行山區(qū)。滹沱河是忻州東部和陽泉盂縣人民賴以生存和發(fā)展的母親河［2］，其干流及支流是該區(qū)域的主要地表水體［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滹沱河流域人口約174.4萬人。近年來，由于氣候變暖，滹沱河流域暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水天氣增多，洪澇及次生災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活遭受了嚴(yán)重傷害。據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，2016～2021年夏季滹沱河流域共發(fā)生洪澇災(zāi)害32 次，特別是2018年夏季全流域發(fā)生了9 次，2019年8月全流域發(fā)生了5次，給當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)滹沱河流域的徑流、水質(zhì)、水文、生態(tài)環(huán)境及修復(fù)等方面的研究較多［1-4］。也有學(xué)者對(duì)滹沱河流域的降水做了研究，例如：陳雪晴等［5］研究了1958～2004年7～9月滹沱河降雨及不同長度洪水量序列的變化特征；程俊等［6］指出近61年來，滹沱河年降水量呈不顯著的減少趨勢，沒有明顯的突變，具有較為穩(wěn)定的周期變化。此外，常鋼等［7－8］對(duì)1960～2011年山西夏季降水的年代際變化特征進(jìn)行了研究，著重分析了印度洋海溫和大氣環(huán)流與山西夏季降水的關(guān)系。而有關(guān)滹沱河流域夏季降水空間分布及趨勢變化方面的研究迄今尚未見報(bào)道。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，滹沱河夏季降水占全年降水量的63.3%，因此有必要對(duì)滹沱河流域夏季降水的時(shí)空分布及趨勢變化進(jìn)行研究，這對(duì)滹沱河流域的人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源開發(fā)利用和綜合規(guī)劃以及生態(tài)修復(fù)具有重要的意義，同時(shí)可以為防汛抗旱和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

近年來，許多學(xué)者采用Mann-Kendall法對(duì)降水量的變化趨勢進(jìn)行了檢驗(yàn)［9-12］及突變分析［13-16］，以此探尋研究區(qū)的降水量變化特征。還有一些學(xué)者應(yīng)用Mann-Kendall方法對(duì)氣候資源的突變性進(jìn)行了檢測［17-18］。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，主要采用非參數(shù)Mann-Kendall法，分析研究了山西滹沱河流域夏季降水量的時(shí)空分布特征及變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 資料選取與區(qū)域劃分

選取滹沱河流域的7個(gè)國家自動(dòng)觀測站1972～2021年均一性較好的夏季逐日降水量資料，以及滹沱河干流附近的21個(gè)區(qū)域自動(dòng)觀測站2017～2021年夏季逐日降水資料，個(gè)別站點(diǎn)缺失的資料用同一時(shí)間相鄰2個(gè)站點(diǎn)的平均值代替。根據(jù)滹沱河的流向和形狀以及研究需要，將其分為上游、中游和下游3段，上游代表站是繁峙縣、代縣、原平市；中游代表站是忻府區(qū)、定襄縣；下游代表站是五臺(tái)縣、盂縣。

1.2 研究方法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法［19］是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能檢驗(yàn)變化趨勢，也能確定突變發(fā)生的時(shí)間，且不需要變量服從正態(tài)分布。該檢驗(yàn)法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z值來判斷幅度的增減和顯著性：Z＞0表示幅度增加，Z＜0表示幅度減少；|Z|≥1.28表示通過了置信水平90%的顯著性檢驗(yàn)；|Z|≥1.64表示通過了置信水平95%的顯著性檢驗(yàn)；|Z|≥2.32 表示通過了置信水平99%的顯著性檢驗(yàn)。此外，根據(jù)序列統(tǒng)計(jì)量UFk值和置信區(qū)間-1.96≤U≤1.96來判斷趨勢的升降和顯著性水平，再根據(jù)UFk和逆序列統(tǒng)計(jì)量UBK這2條曲線在置信區(qū)間-1.96≤U≤1.96中的交點(diǎn)確定突變點(diǎn)。UFk＞0表示序列呈上升趨勢，UFk＜0表示序列呈下降趨勢；|UFk|≥1.96表示上升或下降的趨勢顯著，超過區(qū)域?yàn)橥蛔儠r(shí)間區(qū)域。Mann-Kendall檢驗(yàn)的檢測范圍寬，定量化程度高［20］，因此被廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、水文和徑流等環(huán)境時(shí)間序列資料的長期變化趨勢分析和突變性檢測等［21-23］。

2 結(jié)果與分析

2.1 滹沱河流域降水量的時(shí)間分布及變化

2.1.1 全流域降水量的年際變化 由圖1可知，1972～2021年滹沱河流域夏季平均降水量呈微弱的增加趨勢，年際變化幅度比較大，夏季50年的平均降水量為286.8 mm，最大降水量出現(xiàn)在1988年（498.5 mm），最小降水量出現(xiàn)在1972年（111.3 mm），兩者相差387.2 mm。1973～1982年、2016～2021年降水量的累積距平全為正值，滹沱河處在豐水期；1984～1988年降水量的累積距平全為負(fù)值，滹沱河處在枯水期。夏季平均降水量的趨勢方程為y=0.208x+281.5，降水量以2.08 mm/10a的速率遞增，50年來共增加了10.4 mm。從夏季3年滑動(dòng)平均降水量的變化曲線（略）可以看出，夏季降水量在1972～2000年期間波動(dòng)較大，在2001～2021年期間波動(dòng)較小。

圖1 1972～2021年滹沱河流域代表站夏季平均降水量的變化

2.1.2 全流域逐月降水量的變化 統(tǒng)計(jì)分析得知，滹沱河流域6月、7月、8月的平均降水量分別占夏季平均降水量的22.7%、38.9%、37.7%。6月的最大降水量出現(xiàn)在2002年（143.2 mm），最小降水量出現(xiàn)在1972年（13.9 mm）；7月的最大降水量出現(xiàn)在2016年（209.0 mm），最小降水量出現(xiàn)在1972年（29.4 mm）；8月的最大降水量出現(xiàn)在2018年（190.2 mm），最小降水量出現(xiàn)在1991年（20.1 mm）。滹沱河流域6月、7月、8月降水量的線性回歸方程分別為y=-0.13x+68.7、y=0.49x+100.0、y=-0.06x+110.9，這表明在1972～2021年期間6月和8月的平均降水量分別以1.3和0.6 mm/10 a的速率減少，7月的平均降水量以4.9 mm/10 a的速率增加，但減少或增加的趨勢均不顯著。

2.2 滹沱河流域夏季降水變化趨勢的Mann-Kendall檢驗(yàn)及突變分析

2.2.1 全流域夏季平均降水量變化趨勢的檢驗(yàn)及突變分析 由表1可知，在1972～2021年期間滹沱河全流域夏季平均降水量呈弱的增加趨勢，但未通過置信水平90%的顯著性檢驗(yàn)，與回歸分析結(jié)果一致。

表1 1972～2021年滹沱河流域代表站夏季降水變化趨勢的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，UFk與UBk這2條曲線在-1.96≤U≤1.96之間有4個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)的位置、UFk曲線的變化趨勢、原降水量、UFk值及UBk值等，綜合分析判斷后得出1973年、1981年和2015年為突變點(diǎn)。全流域的夏季降水量從1973年開始呈增加趨勢，在1981年后呈減少趨勢，在2015年后又呈增加趨勢，但都未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，趨勢變化不顯著。從UFk曲線的變化來看，滹沱河流域夏季在1973～1984年間處于多雨期；在1985～2015年間處于枯水期，但在1996～1998年間夏季降水量略有小幅增加，之后又呈減少趨勢，這與常鋼［7］對(duì)山西夏季降水變化趨勢的研究結(jié)果有所不同。

圖2 滹沱河全流域夏季平均降水量的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線

2.2.2 全流域逐月降水量變化趨勢的檢驗(yàn)及突變分析 由表1中的Z值可知，6月和8月全流域的Z＜0，7月全流域的Z=1.17，接近1.28，表明全流域6月和8月的降水量呈減少趨勢，7月的降水量呈較明顯的增加趨勢，這與回歸分析得出的結(jié)論一致。

分析夏季逐月降水量的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線（圖略）可知：6月降水量明顯的突變年份為2014年，6月降水量從1997年開始呈減少趨勢，2002年開始呈增加趨勢，2014年后又呈減少趨勢。分析UFk曲線發(fā)現(xiàn)，1973～1992年6月滹沱河處在相對(duì)多雨期，1993～2021年6月滹沱河處在相對(duì)少雨期。7月降水量明顯的突變年份為2002年，7月降水量從1981年和2002年開始呈減少趨勢，從1988年開始呈增加趨勢。UFk曲線在1976～1979年期間超過了0.05水平的臨界線，增加趨勢顯著，因此該階段為7月降水量的突變時(shí)間區(qū)域。8月降水量的突變點(diǎn)是1982年，從1982年前后降水量開始呈減少趨勢，此趨勢一直維持到2021年。

2.3 滹沱河流域夏季降水量的空間分布及變化

2.3.1 滹沱河流域夏季降水量的空間分布特征 分析1972～2021年滹沱河流域7個(gè)代表站的夏季平均降水量發(fā)現(xiàn)，滹沱河流域夏季降水量總體上呈東南向西北遞減、丘陵山區(qū)多于河谷盆地的態(tài)勢，且隨海拔高度的增加而增加。滹沱河流域夏季平均降水量：上游繁代原河谷為266.8 mm，中游忻定盆地為261.4 mm，下游五臺(tái)至太行山區(qū)為342.2 mm。夏季最大降水量出現(xiàn)在盂縣，為617.3 mm（1988年）；最小降水量出現(xiàn)在原平市，為72.7 mm（1972年）。

為了更好地研究滹沱河流域夏季降水的時(shí)空分布特征，本文統(tǒng)計(jì)整理了2017～2021年滹沱河干流附近21個(gè)區(qū)域氣象站夏季的逐日降水資料。分析滹沱河干流上游、中游、下游降水量發(fā)現(xiàn)，上游降水量在191.1～281.9 mm，中游降水量在177.3～288.3 mm，下游降水量在247.9～334.7 mm（圖3a）。從整體來看，滹沱河干流夏季降水的空間分布特征與全流域分析的結(jié)果基本一致，但分區(qū)特征存在差異。滹沱河干流的夏季降水量以下游最多，中游和源頭降水量最少。降水偏少區(qū)域位于滹沱河源頭、上游磨坊至代縣縣城、定襄受祿至縣城一帶。降水偏多區(qū)域位于五臺(tái)神西至太行山峽谷一帶，夏季降水量最大值為334.7 mm（盂縣下社），最小值為177.3 mm（定襄蔣村）。

由圖3可知，近5年來，滹沱河夏季逐月降水的空間分布特征明顯，6月和8月的下游降水明顯多于上游和中游，7月上游和下游降水多于中游。在這3個(gè)月中，中游降水偏少趨勢及下游降水偏多趨勢基本一致，7月上游降水趨勢與6月和8月相反。6月的降水最少區(qū)域位于代縣黑山至原平蘇龍口、定襄季莊至蔣村一帶，最小值為23.6 mm，出現(xiàn)在代縣磨坊；7月和8月的降水最少區(qū)域在源頭和定襄季莊至蔣村一帶，最小值分別為62.8 mm（定襄蔣村）、93.8 mm（繁峙大營）。最多降水區(qū)域分布比較分散，7月位于代縣黑山、原平蘇龍口和太行山峽谷一帶，6月和8月位于太行山峽谷一帶，最大值分別為75.3 mm（盂縣下社）、160.1 mm（代縣黑山）、174.9 mm（盂縣下社）。

圖3 滹沱河2017～2021年區(qū)域站夏季（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）平均降水量的空間分布

2.3.2 滹沱河上中下游夏季降水量變化趨勢的檢驗(yàn)及突變分析 從表1可以看出，滹沱河上游和下游夏季降水量呈弱的增加趨勢，中游夏季降水量增加趨勢顯著，2個(gè)代表站分別通過了90%和95%水平的顯著性檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，2016～2021年夏季平均降水量較多年均值偏多42.4 mm，其中2018年降水量偏多達(dá)101.7 mm。據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，2016～2021年滹沱河流域洪災(zāi)發(fā)生的頻次是前6年的6.4倍，以2018年夏季最為嚴(yán)重。而2016～2021年中游代表站夏季就發(fā)生了6次洪災(zāi)，2009～2015年卻未發(fā)生過1次。由圖4可知，滹沱河上游和下游降水量的突變時(shí)間基本吻合，明顯的突變點(diǎn)為1982年前后和2015年前后；中游降水量明顯的突變時(shí)間是1980年和2016年。

圖4 滹沱河上游（a）、中游（b）、下游（c）夏季平均降水量的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線

滹沱河上游和下游夏季降水量的變化趨勢也基本一致。在1973～1982年期間，上、下游夏季降水量均呈增加趨勢，特別是代縣站在1976～1979年的增加趨勢明顯且通過了0.05置信度的檢驗(yàn)。上、下游夏季降水量從1982年前后開始呈減少趨勢，從2015年開始又呈增加趨勢，只是處于下游的代表站盂縣在此時(shí)間節(jié)點(diǎn)的增減趨勢不明顯。以1982年和2015年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析上、下游夏季降水量發(fā)現(xiàn)：在1982 年突變前后，上、下游平均降水量分別減少了43.5和60.9 mm；在2015年突變前后，上、下游平均降水量分別增加了46.3和54.0 mm。上述結(jié)果表明近50年來滹沱河上、下游夏季在1973～1982年、2016～2021年處在相對(duì)多雨期，而在1983～2015年處在相對(duì)少雨期。

滹沱河中游的夏季降水量從1980年開始由多向少轉(zhuǎn)變，從2016年開始由減少向增多轉(zhuǎn)變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016～2021年中游的夏季平均降水量較多年均值偏多56.6 mm。分析單站發(fā)現(xiàn)（圖略），中游代表站忻府區(qū)和定襄縣UFk＞0的年數(shù)超過了35年，說明滹沱河中游夏季長時(shí)間處在相對(duì)多雨階段。

2.3.3 滹沱河流域代表站降水量變化趨勢的檢驗(yàn)及突變分析 分析50年來各代表站夏季逐月降水量得知，6月的最大降水量出現(xiàn)在五臺(tái)縣，為209.4 mm（1973年）；最小降水量出現(xiàn)在原平市，為5.5 mm（1999年）。7月的最大降水量出現(xiàn)在盂縣，為329.5 mm（2016年）；最小降水量出現(xiàn)在代縣，為10.6 mm（1972年）。8月的最大降水量出現(xiàn)在五臺(tái)，為380.5 mm（2018年）；最小降水量出現(xiàn)在繁峙，為5.4 mm（1991年）。

利用Mann-Kendall方法對(duì)1972～2021年滹沱河流域7個(gè)代表站的夏季逐月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，同樣用綜合判別法剔除雜質(zhì)交點(diǎn)后得到了各代表站的突變時(shí)間（表2）。

分析表1和表2發(fā)現(xiàn)：沿滹沱河流動(dòng)方向各代表站6月降水量的增加和減少趨勢基本上交替出現(xiàn)，而在2002年前后降水量的增加趨勢具有全局性；另外，忻府區(qū)站在1981年前后UFk＞1.96，6月降水量出現(xiàn)突變區(qū)域。滹沱河各代表站7月降水量均呈增加趨勢，其中，滹沱河上游和中游降水量的增加趨勢明顯，上游通過了90%置信水平的檢驗(yàn)，中游通過了95%置信水平的檢驗(yàn)，中游代表站定襄則通過了99%置信水平的檢驗(yàn)；7月各代表站降水量的突變年份分散，突變趨勢不同，局地性較強(qiáng)；在1998～2005年期間，除忻府區(qū)和盂縣外，其余代表站各發(fā)生了1次降水量由多向少的轉(zhuǎn)變，根據(jù)突變年份和突變趨勢，認(rèn)為是1次全局性突變；在1975～1979年期間，除繁峙縣和定襄縣外，其余代表站的UFk曲線均超過了置信區(qū)間，降水量增加顯著，出現(xiàn)了全局性突變時(shí)間，尤其是中游在2018～2020年又出現(xiàn)降水量增加顯著的突變時(shí)間。8月沿滹沱河流動(dòng)方向各代表站的降水量基本上是減少趨勢與增加趨勢交替出現(xiàn)且變化趨勢不明顯；50年來滹沱河上游8月降水量的年際波動(dòng)較大，增、減趨勢頻繁轉(zhuǎn)換；而滹沱河中下游8月降水量的年際波動(dòng)平緩；對(duì)8月降水量的突變分析發(fā)現(xiàn)，在1975～1990年出現(xiàn)了1次全局性降水量由多向少的轉(zhuǎn)變，在2016年前后又發(fā)生了1次全局性降水量由少向多的轉(zhuǎn)變，但增、減趨勢均不顯著，都沒有通過0.05置信度的檢驗(yàn)。

表2 滹沱河流域代表站夏季逐月降水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1972～2021年山西滹沱河流域夏季平均降水量呈微弱的增加趨勢，遞增速率為2.08 mm/10 a，年際波動(dòng)幅度較大。近50年來，夏季平均降水量發(fā)生了3次突變。從20世紀(jì)70年代到80年代初期滹沱河夏季處于豐水期，從80年代中期到21世紀(jì)初期滹沱河夏季處于枯水期。

山西滹沱河夏季降水量基本上呈東南向西北遞減的空間分布特征。滹沱河上游和下游夏季降水量呈弱的增加趨勢，而中游夏季降水量增加趨勢顯著。滹沱河上游、中游和下游各發(fā)生了2次降水量的突變，上游和下游的突變時(shí)間吻合，且變化趨勢基本一致。

山西滹沱河6月、7月、8月的平均降水量分別占夏季總降水量的22.7%、38.9%、37.7%。近50年來，6月和8月的平均降水量分別以1.3和0.6 mm/10 a的速率減少，7月的平均降水量則以4.9 mm/10 a的速率增加。在20世紀(jì)90年代末期和21世紀(jì)初中期，6月的降水量由多向少轉(zhuǎn)變，在21世紀(jì)初由少向多轉(zhuǎn)變。在20世紀(jì)70年代，7月和8月的降水量由少向多轉(zhuǎn)變；在20世紀(jì)80年代初期，7月和8月的降水量由多向少轉(zhuǎn)變。

滹沱河流域在2016～2021年夏季發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害的頻次是2009～2015年夏季的6.4倍，其中，7月和8月的發(fā)生頻次各占46.9%。近年來，夏季降水量增多，暴雨和局地短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)，是導(dǎo)致該流域暴雨洪澇災(zāi)害頻次增加的主要原因。