李春娟,楊建虎
(1.陜西省扶風(fēng)縣自來水公司,陜西 扶風(fēng)722200;2.陜西省眉縣水利局,陜西 眉縣722300)
水資源是限制西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的主要因子[1]。大氣降水是水資源補給的主要來源,水資源年總量與氣候降水有較強的正相關(guān)關(guān)系[2],降水變化是水資源時空分布不均的主要因素之一,也是水資源評價研究的重要組成部分。為了緩解水資源危機,認(rèn)識和把握流域水循環(huán)特征規(guī)律,在此基礎(chǔ)上進行開發(fā)利用才可能實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用的目的。本文以孤山川流域為例,統(tǒng)計并分析流域及周邊3個雨量站點51 a的月平均降雨數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall檢驗法、五點滑動平均法、R/S分析法,研究孤山川流域降水變化特征及趨勢。
孤山川流域位于陜北黃土高原與鄂爾多斯高原接壤地帶,區(qū)域地貌屬于毛烏素沙漠南緣與黃土丘陵溝壑的過渡地帶。是黃河中游北干流主要多沙、粗沙支流之一。孤山川全長79.4 km,流域面積1 276.52 km2。孤山川流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?,冷暖干濕四季分明,冬夏長,春秋短,雨熱同期,太陽輻射強,日照時間長,氣溫變化強烈,年較差與日較差大,降水年際變化大,旱澇霜雹災(zāi)害多。氣溫時空分布由東南向西北遞減,年均氣溫8.5℃,一月最低平均氣溫-8.4℃,七月份最高平均氣溫 24.0℃,年溫差 32.4℃,歷年極端最高氣溫38.9℃,極端最低氣溫 -24℃。年平均降雨量435.5 mm,年最大降雨量 849.6 mm,年最小降雨量 227.7 mm,年蒸發(fā)量1 192.2 mm,約相當(dāng)降雨量的2.5倍。流域河流縱橫、溝壑密布,大多屬季節(jié)性河流,雨季暴漲,旱季斷流,且河水含沙量高。
Mann-Kendall檢驗法[4]主要是通過計算統(tǒng)計量 τ,方差和標(biāo)準(zhǔn)化變量M,來判斷序列趨勢是否顯著。計算公式如下
式中:s為序列所有對偶觀測值(Xi,Yj,i< j中 Xi< Yj)出現(xiàn)的次數(shù);N為序列長度,取α=5%的顯著水平,如果一時間序列有明顯的趨勢,則|M|>Mα/2=1.96,M 值為正,表明具有上升或增加趨勢,M值為負(fù),則意味著下降或減少的趨勢。
滑動平均法[5],其計算公式為…+yt+yt+1),式中yt為t點得滑動平均值,yt=(yt-2+yt-1+yt+yt+1+yt+2)/5,五點滑動平均法分析序列變化趨勢,進而擬合線性方程。
分析方法的基本原理為[6]:對于時間序列{x(t)}t=1,2,…n,對于任意正整數(shù)定義均值序列:
累積離差:
極差序列:
標(biāo)準(zhǔn)差序列:
對于比值如果存在如下關(guān)系:
則說明時間序列{x(t)}t=1,2,…,n存在 Hurst現(xiàn)象,H稱為Hurst指數(shù),H值可根據(jù)計算出的(τ,R/S)的值,在雙對數(shù)坐標(biāo)系(ln(τ),ln(R/S))中用最小二乘法擬合,H對應(yīng)于擬合直線的斜率。
根據(jù)H的大小可以判斷時間序列趨勢成分是表現(xiàn)為持續(xù)性(persistence),還是反持續(xù)性(anti-persistence)。Hurst等人證明,如果{x(t)}是相互獨立、方差有限的隨機序列,則有H=0.5。對于不同的Hurst指數(shù)H(0<H<1),存在三種情況:
(1)H=0.5時表明時間序列變化是隨機的;
(2)0<H<0.5時表明時間序列具有長期相關(guān)性,但將來的總體趨勢與過去的相反,過程具有反持續(xù)性。值越接近于0,反持續(xù)性越強;
(3)0.5<H<1時表明時間序列過程具有持續(xù)性,H越接近1,持續(xù)性越強。
本文選孤山川流域三個雨量站1956~2006年各月降水資料,計算出多年平均降水量年內(nèi)分配(見表1)。
表1 多年平均降水量年內(nèi)分配表
從表1可以看出:
1)孤山川流域降水量年內(nèi)分配極不均勻,年降水大多集中在7、8、9三個月份,其中8月份所占比例最大,可占到全年降水量的26.9%,7月份所占比例次之,為25.5%,而1、2、12三個月份平均月降水量比較小,所占全年降水量的比例均在1%以下。
2)在季節(jié)分配上,夏季降水量最多,可占到全年降水量的63.9%,而冬季降水量較少,僅占全年降水量的1.9%,春秋二季各季降水量占全年降水量的10%~20%左右。
3)孤山川流域汛期主要包括每年6—9月份,歷年汛期降水量大約占全年降水量的70%~90%,從占年降水量的程度來看,最高為1959年,汛期降水量為695.4 mm,占全年降水量的87.8%,最低為2003年,汛期降水量為125.9 mm,占全年降水量的61.2%。汛期降水通常集中在7月和8月,這2個月的降水量占汛期水量的67.8%,占全年降水量的52.4%左右,因此年降水的豐枯取決于汛期降水。
本文選孤山川流域三個雨量站1956~2006年各月降水資料,用Mann-Kendall檢驗法檢驗其變化趨勢,結(jié)果M值為-9.8,表明該年降水序列存在減少趨勢。
從近50年的降水量滑動平均來看(圖1),孤山川年降水波動較大,其中1959年、1964年、1967年、1995年、2003年的降水量較大,而1965年和1972年的降水量較少,用五點滑動平均法擬合的線性方程為y=-1.874 7x+476.93。
根據(jù)流域1956-2006年的月降水資料,春、夏、秋、冬四季的降水量分別以3-5月、6-8月、9-11月和12月~次年2月的降水累加和來代替。從近51 a的季降水變化曲線(圖2、圖3、圖4、圖5)可以得出:
圖1 1956-2006年降水變化圖
圖2 1956-2006年春季降水變化圖
1)春季降水減少趨勢不顯著,且年際間的變化較大,即呈現(xiàn)出突然地增加,又突然地減少,其中1964年、1990年、1991年的春季降水量較大。
2)夏季降水的減少趨勢明顯,夏季降水對年降水的貢獻最大。從20世紀(jì)50年代后期逐漸下降,波動較小,到了60年代逐漸增加,且變化明顯,70年代以后又呈現(xiàn)出減少的趨勢。用五點滑動平均擬合的夏季降水線性方程為y=-1.344 6x+308.47,這與年降水的變化趨勢較一致。
3)秋季降水的減少趨勢不顯著,它對年降水的貢獻也較大。20世紀(jì)60年代至80年代的秋季降水量變幅較大,90年代以后有增加趨勢。
4)冬季降水有增加的趨勢,但趨勢不顯著,1971年、1978年和1989年的冬季降水較大,而1967年的冬季降水量最少。
圖3 1956-2006年夏季降水變化圖
圖4 1956-2006年秋季降水變化圖
根據(jù)1956—2005年降水資料,對參數(shù)進行分析,用皮爾遜Ⅲ型最佳適線法確定。運用頻率曲線軟件進行選型配線,可以得出:孤山川多年平均降水量變差系數(shù)Cv=0.31,R=Cs/Cv=2.0,從而得不同頻率下年降水量分布以及汛期降水分布,結(jié)果見表2和表3。
圖5 1956-2006年冬季降水變化圖
趨勢是指時間序列中穩(wěn)定和有規(guī)則的變動。對孤山川流域降水的變化趨勢,應(yīng)用Mann-Kendall秩次相關(guān)法進行分析,得出在一定顯著性水平下,孤山川流域降水在多年變化中呈明顯下降趨勢。從圖6可得,通過R/S分析,得出皇甫川流域徑流的Hurst指數(shù)H為0.52,大于0.5,表明降水具有持續(xù)性。孤山川流域徑流表現(xiàn)出來的持續(xù)性說明未來流域降水量的減少具有持續(xù)性。
圖6 孤山川實測年降水序列分析圖
表2 不同頻率年降水量
表3 汛期(6-9月)不同頻率降水量
通過對孤山川流域逐月實測降水資料進行分析,結(jié)論如下:
1)孤山川流域多年平均降水量429 mm,孤山川年降水波動較大,其中1959年、1964年、1967年、1995年、2003年的降水量較大,而1965年和1972年的降水量較少。
2)孤山川流域降水年內(nèi)分配極不均,大多集中在7、8、9三個月份,其中8月份所占比例最大,可占到全年降水量的26.9%。歷年汛期降水量大約占全年降水量的70%~90%,年降水的豐枯取決于汛期降水。
3)孤山川流域降水季節(jié)變化趨勢不同。夏季降水的減少趨勢明顯,冬季相反有增加趨勢,但趨勢不顯著,春、秋二季降水減少趨勢不顯著
4)利用Mann-Kendall檢驗法檢驗其變化趨勢,結(jié)果M值為-9.8,表明孤山川流域降水序列存在減少趨勢;利用分析法,得出孤山川流域Hurt指數(shù)H均大于0.5,表明流域降水具有持續(xù)性,結(jié)果表明孤山川流域降水減少趨勢有持續(xù)性。
[1]程國棟.承載力概念的演變及西北水資源承載力的應(yīng)用框架[J].冰川凍土.2002,8(4):361~367.
[2]黃嘉佑,張鐔.黃河流域旱澇與水資源分析[J].大氣科學(xué).1996,20(6):673~678.
[3]陳操操,謝高地,甄霖.涇河流域降雨量變化特征分析[J].資源科學(xué).2007,29(2):172-177.
[4]劉昌明,鄭紅星.黃河流域水循環(huán)要素變化趨勢分析[J].自然資源學(xué)報.2003,18(2):129-135.
[5]丁晶,劉權(quán)授.隨機水文學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社.1997.
[6]張利平,王德智,夏軍,等.分析在洪水變化趨勢預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電.2005,(2):38~40.
[7]張秀麗,孫燕,祁文.北京逐日氣溫和降水量的長程變化特征[J].氣象科學(xué).28(4):421-425.
[8]任國玉,吳虹,陳正洪.我國降水變化趨勢的空間分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報.2000,8(3):322~330.
[9]陳峪,高歌,任國玉,等.中國十大流域近40多年降雨量時空變化特征[J].自然資源學(xué)報.2005,5(9):637~643.
[10]徐宗學(xué),張玲,阮本清.北京地區(qū)降雨量時空分布規(guī)律分析[J].干旱區(qū)地理.2006,4(2):186~192.
[11]張素琴,任振球,李松勤.全球溫度變化對我國降水的影響[J].應(yīng)用氣象學(xué)報.1994,8(3):333~339.
[12]張存杰,高學(xué)杰,趙紅巖.全球氣候變暖對西北地區(qū)秋季降雨的影響[J].冰川凍土.2003,4(2):157~164.