大凌河流域降水量時空分布規(guī)律研究

王 凱

(朝陽縣水政監(jiān)察大隊，遼寧 朝陽 122000)

全球氣候的變暖，使得降水量時空分布也發(fā)生極大的改變，降水量變化與各種自然災害以及極端氣候的出現密切相關，研究流域尺度上的降水時空分布規(guī)律逐漸引起學術界的高度重視[1]。流域內降水量的變化是反映氣候變化特征的重要參數，對不同地區(qū)、不同時間降水要素變化國內外諸多專家學者開展了不同程度的探究，對不同尺度及流域的降水變化取得了一些研究成果[2]。如龍柯吉等[3]以四川省為例，運用Mann-Kendall突變檢驗法、線性趨勢法統(tǒng)計分析了時間及空間上雨雪轉換情況和不同相態(tài)降水的月平均、年平均日數變化特征，并認為總體上四川地區(qū)年發(fā)生雪、雨夾雪、雨3類降水相態(tài)的日數正逐漸減少；劉原峰等[4]從時間與空間上揭示了不同降水相態(tài)的變化特征，并指出黃土高原區(qū)的雨雪分界線，發(fā)現該區(qū)域的降雪波動不明顯而年際降雨有明顯的波動，兩者均表現出減少趨勢，霧(露、霜)和雨夾雪降水相態(tài)有增加的趨勢且年際波動不明顯；孫燕等[5]以華東地區(qū)為例，利用逐月環(huán)流特征指數、NCEP再分析資料、氣象站逐日降水觀測資料統(tǒng)計分析了5種降水相態(tài)的冬季時空演變特征，并認為華東地區(qū)的冬季不同降水相態(tài)及雨、雪地理分界線年際波動變化明顯。

近年來，受全球變暖影響大凌河流域洪澇災害頻發(fā)，并逐漸成為制約流域內經濟發(fā)展的瓶頸。文章以大凌河流域為例，從時空分布上揭示了流域降水量變化規(guī)律，為提前作出更加合理的應對自然氣候災害對策和促進水資源合理配置提供理論指導。

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河流域位于遼寧省西部，地處E118°53′-121°52′、N40°28′-42°38′，走向呈西向東，總面積23253km2。上游分南、北兩支，兩支于喀左縣大城子匯合后流經朝陽、北票、義縣、凌海等地并注入渤海，大凌河東與柳河、饒陽河相鄰，南有小凌河和六股河，西接青龍河，北與教來河、老哈河相鄰。流域內山地丘陵占89%，平原區(qū)占11%，其中遼寧段19998 km2，占全流域的86%，干流(含源頭區(qū))長522km。大凌河左側支流眾多，較大支流有涼水河、老虎山河、細河、第二牤牛河等，干流上建有三座控制性水庫，從上而下依次為宮山咀水庫、閻王鼻子水庫和白石水庫。大凌河流域水系圖，見圖1。

圖1 大凌河流域水系圖

根據不同河段的河流特點，可以把大凌河劃分為河源段、上游段、中游段和下游段。其中，河源段位于宮山咀水庫以上，地勢較陡，占地面積為656km2，主要支流有魏家?guī)X河、新開嶺河、賀杖子河等；上游段為宮山咀水庫壩下至閻王鼻子水庫段，河道比降趨向平緩，河長156.8km，匯入的主要支流有滲津河、大凌河西支、第二牤牛河、老虎山河等。中游段為閻王鼻子水庫壩下至細河入匯口為大凌河中游段，該段仍為山區(qū)性河流，河長150.8km，匯入的主要支流有十家子河、顧洞河、涼水河、牤牛河、細河等。下游段為細河入匯口以下至河口為大凌河下游段，河道逐漸從山區(qū)性河道轉變?yōu)槠皆院恿?，河長94.3km，匯入的主要支流有大定河、大業(yè)河等。

大凌河流域屬溫帶季風氣候，屬于嚴重干旱地區(qū)之一，素有“十年九旱”之稱。流域內多年平均降水量為400-600mm，降水量年際變化較大，年內分配極不均勻，主要集中在7、8月份。河水陡漲陡落，洪水災害頻繁，主要洪水來源于下游左側支流及干流上窩堡站以上。流域內多風化沙土和石山，植被條件差，土壤侵蝕嚴重，大凌河站和迷力營子站平均含沙量為18.08kg/m3、41.09kg/m3，大凌河站年輸沙量達到2143.43萬t。

1.2 研究方法

文章利用大凌河流域凌源站、哈巴氣站、上窩堡站、建昌站、朝陽站、北漂站、鐵嶺站、米力營子站、義縣站、復興堡站、凌海站等氣象站點的降水量資料，對該流域1963-2020年的降水分布特征以及強弱時間周期，運用Mann-Kendall法從年際和季節(jié)尺度上進行全面的分析。該方法是一種基于秩的非參數分析方法，簡稱M-K法，對于非線性趨勢檢測具有較好的適用性，由于無需對特定的概率分布預先擬合非常適于長時間序列的水文學和氣象學研究。

2 降水量時空變化特征

2.1 年際降水量變化

文章結合大凌河流域1963-2020年的逐月降水量數據，利用線性回歸法及M-K法分析流域年際降水量變化趨勢。大凌河流域年降水量變化特征，見圖2。

由圖2可知，1963-2020年大凌河流域的多年均降水量為500.1mm，總體表現出減少的趨勢，年均降水量趨勢方程y=-0.3871+427.25，變化傾斜率為-3.87mm/10a，經顯著性檢驗未達到α=0.05的置信水平，這表明年均降水量減少趨勢不顯著，按照趨勢方程可以確定大凌河流域58a內減少22.45mm的降水量。研究期間大凌河流域降水量存在較大的波動區(qū)間，58a觀測期內最大降水量為1974年的615.5mm，最小降水量為1996年的344mm，兩者相差達到266mm。通過5a滑動平均可知，大凌河流域年均降水量在1963-1986年具有較大的波動范圍，1987-1998年呈明顯波動下降的變化趨勢，1999-2017年呈小幅波動上升的變化趨勢，2018年以來呈緩慢減少的變化特征。

圖2 大凌河流域年降水量變化特征

2.2 季節(jié)降水量變化

不同季節(jié)大凌河流域降水量變化特征，見圖3。從圖3可以看出，1963-2020年大凌河流域的春秋季節(jié)降水量總體呈現出下降趨勢，而夏冬季節(jié)降水量呈上升趨勢。通過5a滑動平均可知，不同季節(jié)的降水量變化特征存在明顯的階段性。其中，春季降水量最大和最小值為1965年的175mm、1996年的53mm，故春季降水量變化振幅最大為122mm；另外，1963-1978年和1993-2003年具有較大的降水波動，其余時段的降水量偏少，總體呈窄幅波動緩慢下降的變化特征。夏季降水量最大和最小值為1982年的365.5mm、2005年的115mm，故夏季降水變化振幅最大為250.5mm；此外，1963-1983年和1998-2008年具有較大的降水波動，并且表現出多次豐枯降水交替的現象，其余時段的降水量偏少，總體呈窄幅波動上升的變化特征。秋季降水量最大和最小值為1970年的211mm、1996年的74mm，故秋季降水變化振幅最大為137mm；同時，研究期間秋季降水總體呈下降趨勢，并且具有較大的波動幅度。冬季降水量最大和最小值為1983年的87mm、2000年的6.1mm，故冬季降水變化振幅最大為80.9mm，并且總體表現出緩慢增大的變化特征。

(a)春季降水量變化特征 (b)夏季降水量變化特征

(c)秋季降水量變化特征 (d)冬季降水量變化特征

2.3 降水突變分析

文章利用M-K方法檢驗1963-2020年大凌河流域年均降水量顯著性，年均降水量突變檢驗，見圖4。從圖4可知，在α=0.05的置信水平下降水量的UB與UF曲線出現多個交點，即1963年、1965年、1968年、1977年、1983年、1984年、2010年和2020年存在交叉點且都處于置信區(qū)間內，由此可見研究期間大凌河流域降水量震蕩劇烈，擁有多個突變點。

圖4 年均降水量突變檢驗

結合圖4中UB與UF變化特征，年降水量從多向少轉變的突變點有1965年、1977年、1983年和2010年，而年降水量從少向多轉變的突變點有1963年、1968年、1984年和2020年，其中變化趨勢最明顯的突變點有1968年和1984年，從1984年流域內年均降水量逐漸減少，此后長期處于相對干旱的時期。

2.4 降水量空間分布規(guī)律

在空間分布上，大凌河流域西北部降水量明顯低于東南部，總體表現出梯度變化的特征。其中，最低和最高降水量站點為鐵嶺站的216.5mm、凌海站的677.1mm，兩者相差460.6mm，表明大凌河流域年均降水量具有較大的地域性差異，在空間分布上不均勻，其中降水量最為充沛的地區(qū)為凌海、義縣、復興堡站，降水量處于506.2-672.3mm之間，屬于洪澇多發(fā)區(qū)；朝陽、北票、迷力營子站的年均降水量為420.4-506.2mm之間，而流域西北部降水量最低，總體處于248.2-420.4mm之間，并且以遼西凌源站最小。

降水量變化傾斜率，見表1。從表1可以看出，大凌河流域年均降水量變化傾斜率為正值的只有迷力營子站、凌海站，其它站點均為負值，這表明流域內大部分站點降水量呈下降趨勢，只有個別站點的站點呈上升趨勢。另外，上窩堡站、建昌站、朝陽站、北漂站、鐵嶺站的年均降水變化傾斜率減少最快，依次為-12.8mm/10a、-15.7mm/10a、-15.0mm/10a、、-16.2mm/10a、-16.0mm/10a，氣候變化對這些地區(qū)的影響最大。凌源站、義縣站、復興堡站的年均降水變化傾斜率變化幅度較小，依次為-0.2mm/10a、-2.6mm/10a和-3.0mm/10a。

表1 降水量變化傾斜率

3 結 論

文章以大凌河流域為例，結合1963-2020年11個氣象站逐月降水數據，利用M-K方法從年際和季節(jié)尺度上分析了降水變化趨勢，在此基礎上突變檢驗了流域內多年平均降水量，并對大凌河流域降水量時空分布特征從年降水量和變化傾斜率的角度進行分析，揭示了不同時間尺度上大凌河流域11個站點降水時空分布。研究成果可為提前作出更加合理的應對自然氣候災害對策和促進水資源合理配置提供理論依據。