鮑建騰，范夢歌

(鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南鄭州450001)

水資源系統(tǒng)對氣候的變化具有敏感性［1］，同時大規(guī)模的城市化也對全球水文循環(huán)具有重大影響.全球變暖背景下大氣環(huán)流的調(diào)整也是影響降水的直接因素［2］.

筆者對文獻［3］提出的水文變異診斷系統(tǒng)進行了簡化，對溫度、降水變化進行年際以及季度變化趨勢進行了分析，并運用統(tǒng)計分析技術(shù)對鄭州市城市土地利用變化進行了研究，初步探討了溫度變化和土地利用變化對鄭州市降水的影響.

1 研究區(qū)域概況

鄭州市地處中原腹地，北臨黃河，西依嵩山，東、南接黃淮海大平原，位于東經(jīng) 112°42'～114°14'，北緯34°16'～34°58'，如圖1 所示.年平均氣溫 14.3 ℃，平均降水量640.9 mm.近年來，城市化進程迅速，一系列的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的沖突開始凸現(xiàn)出來.

圖1 研究區(qū)所在位置圖

2 資料來源與處理方法

2.1 資料來源

選取鄭州市市區(qū)的鄭州氣象站1951—2008年的溫度和降水觀測數(shù)據(jù)，并參考文獻［4］提供的1988年、2001年和2008年的TM遙感影像作為分析鄭州市土地利用的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)［4］，得出鄭州市1988年、2001年和2008年3期的土地利用情況.

2.2 溫度和降水數(shù)據(jù)處理方法

采用滑動平均法［5］和 Hurst系數(shù)法［6］，結(jié)合變差系數(shù)和極值比，通過對實測資料進行統(tǒng)計整理，來檢測鄭州市溫度和降水的長期變化趨勢.最后根據(jù)實際水文調(diào)查，對變異形式和結(jié)論進行確認.在水文序列分析中，Hurst系數(shù)H通常滿足［7］

式中:Rn為極差;n為樣本容量.相關(guān)系數(shù)C(t)和Hurst系數(shù)H存在如下對應關(guān)系［8］

在給定顯著性水平為α的情況下，對相關(guān)函數(shù)值C(t)進行顯著性檢驗，當C(t)大于等于臨界值rα時，認為序列的長期相關(guān)性顯著;當C(t)小于臨界值rα時，認為序列的長期相關(guān)性不顯著.在分析中選用顯著性水平 α=0.05，β=0.01，通過查表確定不同顯著水平下相關(guān)系數(shù)最低值rα［9］，對鄭州市58 a的溫度和降水序列進行變異分析.

2.3 土地利用變化對降水過程影響的分析方法

采用文獻［10］提出的基于水文統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析方法(Rational method)，對鄭州市1988—2008年長期降水觀測數(shù)據(jù)和土地利用變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地共6個大類［11］.利用土地利用變化幅度指標來揭示土地利用變化的基本特征［10］.

為了能夠?qū)⑼恋乩米兓瘮?shù)據(jù)與降水序列進行同步統(tǒng)計分析，選擇受人類活動影響較大的耕地和建設用地2種土地類型，分別利用分段線性插補技術(shù)［10］，獲得1988—2008年21 a連續(xù)的土地利用變化數(shù)據(jù)序列.

最后，根據(jù)獲得的連續(xù)土地利用變化數(shù)據(jù)序列，通過回歸分析，分析耕地和建設用地與降水量之間的統(tǒng)計關(guān)系，探究兩者是否存在顯著的相關(guān)關(guān)系.

3 溫度和降水量變化規(guī)律

3.1 鄭州市1951—2008年溫度和年降水分析

3.1.1 溫度變異分析

采用水文變異診斷系統(tǒng)，對鄭州市1951—2008年的年平均溫度序列進行檢驗，點繪年平均溫度過程線及5 a滑動平均值過程線，如圖2所示.

圖2 1951—2008年鄭州市年平均溫度及5 a滑動平均值過程線

從圖2可以看出，鄭州市年平均溫度時間序列有增加的趨勢，變化顯著.序列的Hurst系數(shù)值H=0.87，相關(guān)函數(shù)計算值 C(t)=0.67，在顯著性水平α =0.05 的條件下，臨界值 rα=0.26，Hurst系數(shù)臨界值 Hα=0.89.在顯著性水平 β =0.01 的條件下，rβ=0.34，Hurst系數(shù)臨界值 Hβ=0.93.查閱變異程度分級表［6］(見表1)，可知鄭州市年平均溫度時間序列存在變異，且變異程度為強變異.

表1 變異程度分級表

3.1.2 降水變異分析

采用水文變異診斷系統(tǒng)，對鄭州市1951—2008年的年降水序列進行檢驗，如圖3所示.

圖3 鄭州市1951—2008年年降水量及5 a滑動平均值過程線

從圖3可以看出，鄭州市年降水時間序列基本上在均值附近波動，變化不明顯.序列的Hurst系數(shù)值 H=0.58，C(t)=0.12，在顯著性水平 α =0.05 的條件下，臨界值 rα=0.26，Hurst系數(shù)臨界值 Hα=0.89.在顯著性水平 β =0.01 的條件下，rβ=0.34，Hurst系數(shù)臨界值Hβ=0.93.由變異程度分級表可知，鄭州市年降水時間序列變異不顯著.

3.2 鄭州市1951—2008年季度溫度和降水分析

利用Excel繪制多年溫度和降水變化情況(圖4)，并對水文變量的變異程度和變化趨勢進行分析，見表 2、表 3.

表2為鄭州市1951—2008年各年內(nèi)四季溫度和降水變化的參數(shù)數(shù)值.通過對鄭州市1951—2008年春季到冬季的溫度和降水時間序列的比較，4個季節(jié)的溫度均有不同程度增加的趨勢，如圖4所示，這與年際變化的趨勢相似，而冬季溫度和降水的變化有相反的趨勢.

根據(jù)線性回歸趨勢的斜率，分析各個季度的平均變化速率(表3).溫度均有不同程度增加的趨勢，其中春季溫度變化率為0.372℃/a，冬季溫度變化率為0.365℃/a.鄭州市屬于暖溫帶季風氣候，選擇春夏兩季的降水情況來反映降水的季節(jié)變化特征.與溫度變化不同，鄭州市春季降水急劇減少，降水遞減率達到－0.885 mm/a，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn).夏季降水有所增加，降水變化率為0.545 mm/a.

圖4 鄭州市1951—2008年四季的溫度和降水5 a滑動平均曲線

表2 鄭州市1951—2008年各年內(nèi)季度溫度和降水

表3 四季溫度和降水變化趨勢分析和變化幅度

4 土地利用改變的影響

4.1 鄭州市1988—2008年土地利用格局變化

鄭州市1988—2008年土地利用分布中建設用地占總面積的42.65%，比重最大，其次是耕地，其余土地類型分布很少.在1988—2000年13 a間建設用地快速擴張，耕地等土地類型顯著減少.2001—2008年8 a間建設用地增加了28.92%，耕地、林地和水域分別減少了 12.02%，16.24%，28.66%，耕地等土地類型繼續(xù)減少，建設用地持續(xù)增加，但增幅降低.

4.2 土地利用變化與水文過程變化的關(guān)系

土地利用變化導致該區(qū)反射率、植被覆蓋率、下墊面粗糙度、葉面積指數(shù)等發(fā)生變化，是導致該區(qū)水循環(huán)改變的重要因素之一.常見的幾種下墊面類型對應不同的反射率值.

通過1951—2008年的溫度和降水變化情況可以看出，自20世紀80年代開始研究區(qū)溫度開始持續(xù)升高(圖2)，利用回歸分析可得20世紀80年代以后鄭州秋冬季溫度和降水的相關(guān)關(guān)系(r2=0.365 1)，兩者之間不具有統(tǒng)計意義上顯著的相關(guān)關(guān)系.因此可以認為，鄭州市在20世紀80年代以來的土地利用變化導致的土壤下墊面改變是水文過程參量變化的主要原因.

綜上所述，土地利用改變對水文循環(huán)過程的影響主要是通過改變下墊面條件而間接影響降水.

5 結(jié)語

利用回歸分析方法探究了鄭州市土地利用變化與水文變量之間的相關(guān)關(guān)系.鄭州市多年降水并未出現(xiàn)顯著變化，但是各季節(jié)的分布不均，水文極端現(xiàn)象集中;溫度變化和土地利用變化對城市降水有一定影響，應引起相關(guān)部門的重視.

致謝:感謝左其亭教授和馬細霞教授在研究過程中給予的指導!

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