姚治君姜麗光吳珊珊劉兆飛王 蕊

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049)

1956—2011年金沙江下游梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)降水變化特征分析

姚治君1,姜麗光1,2,吳珊珊1,劉兆飛1,王 蕊1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049)

基于金沙江下游梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)10個(gè)氣象站1956—2011年的逐月降水資料,運(yùn)用線性傾向估計(jì)法、Morlet小波分析法和R/S分析法對(duì)多年降水和季節(jié)降水變化及其趨勢(shì)、周期和持續(xù)性特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:研究區(qū) 1956—2011年降水量呈波動(dòng)式下降趨勢(shì),降水傾向率為-1.338 mm/a;季節(jié)降水中除春季呈微小上升趨勢(shì)外,夏、秋和冬季均呈下降趨勢(shì),且空間差異明顯;夏、秋季的降水量占全年的81.1%,尤以夏季為主導(dǎo),占57.4%;年降水存在1～2 a、4 a、8 a、14 a和31 a的周期變化規(guī)律,其中8 a的周期尤為明顯,通過(guò)90%置信水平檢驗(yàn);研究區(qū)降水序列總體上存在明顯的Hurst現(xiàn)象,具有持續(xù)性特征,未來(lái)降水仍會(huì)維持減少趨勢(shì)。

金沙江下游梯級(jí)水電開發(fā)區(qū);降水量時(shí)空分布;線性傾向估計(jì);小波分析;R/S分析

在全球氣候變化背景下,一方面氣候變暖加速了水循環(huán)過(guò)程,導(dǎo)致降水量的時(shí)空分布變化[1-2],另一方面人類活動(dòng)造成的下墊面變化也極大地改變了水循環(huán)過(guò)程。降水是水循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要因素,降水量大小及其分布特征是水資源規(guī)劃配置和開發(fā)利用的基本依據(jù)[3]。一般來(lái)講,降水量與水資源量是正相關(guān)的,即降水多則水資源豐富,降水少則水資源相對(duì)貧乏[4]。因此,研究降水的時(shí)空演變特征對(duì)區(qū)域水資源的合理評(píng)估及利用具有重要意義。

金沙江下游水電站分布密集,庫(kù)區(qū)來(lái)水流量直接受到流域降水的影響,研究流域降水特征對(duì)于提高發(fā)電效益、維持庫(kù)區(qū)水熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用意義重大[5]。電站入庫(kù)徑流的影響因素很多,但流域降水量及其時(shí)空分布是影響庫(kù)區(qū)產(chǎn)匯流的重要因素[6]。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,降水集中且降雨強(qiáng)度大,加之諸多不合理的土地開發(fā)利用活動(dòng),導(dǎo)致近年來(lái)金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境惡化、水土流失嚴(yán)重[7]。強(qiáng)降水也是暴發(fā)泥石流的激發(fā)因素,對(duì)控制泥石流活動(dòng)起著控制作用[8]。近年來(lái)金沙江下游流域暴雨、大暴雨出現(xiàn)頻率增加,由于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的脆弱性,這樣的大氣降水形勢(shì)導(dǎo)致了流域地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生,水土流失災(zāi)害毀壞的耕地?cái)?shù)量呈逐年增加趨勢(shì),值得引起重視[9-10]。因此,對(duì)開發(fā)區(qū)降水的演變規(guī)律及其持續(xù)性進(jìn)行研究具有重要意義。

張斌等[11-12]對(duì)元謀干熱河谷的年降水和季節(jié)降水變化趨勢(shì)、多尺度變化特征及持續(xù)性進(jìn)行了研究;張方偉等[13]、廖宇等[14]、陳媛等[15]對(duì)金沙江全流域的降水變化特征進(jìn)行了研究。也有不少學(xué)者對(duì)金沙江下游不同城市(如楚雄[16]、宜賓[17]、昆明[18])的降水特征進(jìn)行了研究。盡管金沙江流域不同區(qū)域降水變化的研究成果已較為豐富,但對(duì)梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)在全球氣候變化背景下的多年降水變化特征研究相對(duì)較少,側(cè)重點(diǎn)亦有所不同。筆者采用線性傾向估計(jì)、小波分析和R/S分析法,對(duì)金沙江下游梯級(jí)水電集中開發(fā)區(qū)的降水特征進(jìn)行分析,從時(shí)空不同角度對(duì)降水的趨勢(shì)、周期、空間分布結(jié)構(gòu)及其持續(xù)性進(jìn)行細(xì)致研究,旨在認(rèn)知金沙江下游降水的演變規(guī)律及持續(xù)性,為金沙江下游梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)水資源綜合開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)檠诺a江注入金沙江的匯口處至岷江注入金沙江的匯口處之間的金沙江段,地處東經(jīng)100°50′～105°、北緯24°25′～29°,呈西南向東北傾斜的狹長(zhǎng)形。地勢(shì)由西南向東北降低,干流長(zhǎng)約782 km,主要流經(jīng)云南、四川、貴州3個(gè)省10個(gè)地(市、州)58個(gè)縣(市、區(qū)),土地總面積約為8.8萬(wàn)km2[19]。研究區(qū)多年平均降水量為893 mm,水量豐沛穩(wěn)定,地形落差大,水能蘊(yùn)含量極大,水電站分布密集,向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德四大水電站(圖1)均分布在這一區(qū)域。開展該河段流域內(nèi)降水的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)、周期和時(shí)空分布特征等分析,對(duì)開發(fā)和管理金沙江流域水能資源及開展水電站建設(shè)的水情服務(wù)具有重要參考價(jià)值。

2 資料和方法

2.1 資料

選取中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供的宜賓、昭覺、昭通、雷波、會(huì)理、會(huì)澤、威寧、元謀、楚雄、昆明10個(gè)國(guó)家氣象站(圖1) 1956—2011年(共56年)的月降水資料作為基礎(chǔ)資料,缺測(cè)值用56年對(duì)應(yīng)的月平均值代替。

2.2 研究方法

采用線性傾向估計(jì)法研究降水的歷史變化趨勢(shì)、小波分析研究年平均降水的周期性、R/S分析法研究降水的持續(xù)性特征并預(yù)測(cè)未來(lái)降水的變化情形。

2.2.1 線性傾向估計(jì)法

用xi表示樣本量為n的某一變量,用ti表示xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間,建立xi與ti間的一元線性回歸方程:

式中:a1、b1——回歸常數(shù)和系數(shù),10b1稱為氣候傾向率,a1和b1可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。利用b1與相關(guān)系數(shù)r之間的關(guān)系,可以得到xi與ti的相關(guān)系數(shù)(亦稱趨勢(shì)系數(shù))r:

b1若為正值,說(shuō)明x隨t的增加呈上升趨勢(shì);b1若為負(fù)值,說(shuō)明x隨t的增加呈下降趨勢(shì)。b1值的大小反映了上升或下降的速率,即表示上升或下降的傾向程度。要判讀變化趨勢(shì)的程度是否顯著,就要對(duì)r進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。由于r的概率密度函數(shù)正好是t分布的密度函數(shù),因此可以用t檢驗(yàn)來(lái)做顯著性檢驗(yàn),統(tǒng)計(jì)量為

2.2.2 小波分析法

利用小波變換提取降水序列周期。給定母小波函數(shù)ψ(t),時(shí)間序列f(t)的小波變換的離散形式為

式中:ωf(a,b)——小波系數(shù);Δt——取樣間隔;a——頻率參數(shù),表示波動(dòng)的周期;b——時(shí)間參數(shù),表示波動(dòng)在時(shí)間上的平移。

小波方差為

小波方差隨頻率參數(shù)a的變化過(guò)程稱為小波方差圖。在小波方差圖中,可以清晰地看出某一時(shí)段的主導(dǎo)周期成分[21,23-27]。

2.2.3 R/S分析法

R/S分析法最早是由英國(guó)科學(xué)家Hurst在研究尼羅河多年水文觀測(cè)資料時(shí)提出的一種時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)方法。R/S分析就是重新標(biāo)度的極差分析(rescaled range analysis),通過(guò)改變研究對(duì)象的時(shí)間尺度大小,研究其統(tǒng)計(jì)特性變化規(guī)律,通常被用來(lái)分析時(shí)間序列的分形特征和長(zhǎng)期記憶過(guò)程[28-30]。

R/S分析法的基本原理見文獻(xiàn)[29,31-33]。不同的Hurst指數(shù)H有不同的意義:(a)當(dāng)H=0.5時(shí),表明時(shí)間序列相互獨(dú)立,完全隨機(jī),前后的變化無(wú)關(guān);(b)當(dāng)0.5＜H＜1時(shí),表明時(shí)間序列存在正相關(guān)關(guān)系,即系統(tǒng)發(fā)展具有持久性或長(zhǎng)程相關(guān)性:過(guò)去的一個(gè)增量意味著未來(lái)的一個(gè)增量,過(guò)去的一個(gè)減量意味著未來(lái)的一個(gè)減量,反映在降水因子上則表明未來(lái)的降水量整體變化趨勢(shì)與過(guò)去的變化相一致,H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng);(c)當(dāng)0＜H＜0.5時(shí),表明時(shí)間序列存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,這暗示系統(tǒng)具有反持續(xù)性,且H越接近0,反持續(xù)性越強(qiáng),在這種情況下,過(guò)去的增加趨勢(shì)預(yù)示著未來(lái)的減少趨勢(shì),而過(guò)去的減少趨勢(shì)則使未來(lái)可能出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水時(shí)空變化特征

3.1.1 降水序列時(shí)間變化特征

圖2為研究區(qū)降水量逐年變化趨勢(shì)。研究區(qū)年降水量多年平均為893 mm,呈不顯著下降趨勢(shì)(r=-0.2,r0.1= 0.222,未通過(guò)置信度為90%的顯著性檢驗(yàn))。從5a滑動(dòng)平均變化曲線看,研究區(qū)降水具有明顯的階段性變化特征:1964—1968年、1982—1987年和1993—2002年呈明顯的上升階段;1969—1981年、1988—1992年和2003—2011年為下降階段。總體來(lái)看,20世紀(jì)60年代末期、80年代中期和2000年前后為多雨期;20世紀(jì)80年代初期、90年代初期處于少雨期,降水量存在著年際變化。

四季的降水趨勢(shì)(圖3)中,除春季呈輕微上升趨勢(shì)外,其他3個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在α=0.1顯著性水平下檢驗(yàn),四季的變化趨勢(shì)均不顯著(r分別為0.08,-0.19,-0.21,-0.04),降水的季節(jié)變化差異明顯。春季(圖3(a))降水量為四季中唯一呈上升趨勢(shì)的季節(jié),但上升趨勢(shì)不顯著,變化較小,氣候傾向率為0.21 mm/a。夏季(圖3(b))降水量變化與年降水量趨勢(shì)(圖2)基本一致,呈下降趨勢(shì),傾向率為-0.94 mm/a,多年平均值為512.9 mm,占全年降水量的57.4%(表1)。5 a滑動(dòng)平均的階段性也基本相同,峰值點(diǎn)均在1968年、1987年和2002年左右。秋季(圖3(c))降水量除1956—1968年呈上升趨勢(shì)外,基本呈穩(wěn)步下降趨勢(shì),氣候傾向率為-0.61 mm/a,降水量多年平均值為211.5 mm,占全年降水的23.7%。冬季(圖3(d))降水量為四季中變化幅度最小的季節(jié),氣候傾向率為-0.03 mm/a,降水量多年平均值為32 mm,僅占年降水的3.6%。綜合來(lái)說(shuō),降水的下降趨勢(shì)占主導(dǎo)地位。

綜合分析圖2、圖3及表1可知,研究區(qū)1956—2011年降水量呈下降趨勢(shì),主要是夏、秋季降水的減少導(dǎo)致了年降水呈波動(dòng)式下降過(guò)程。雖然春季呈微弱上升趨勢(shì),但對(duì)年降水的貢獻(xiàn)不大。

3.1.2 降水序列空間分布特征

研究區(qū)年平均降水總體呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)系數(shù)和傾向率的空間分布基本一致,均從上游向下游遞減,但不同地區(qū)降水趨勢(shì)系數(shù)和傾向率并不一致,存在一定的空間差異(圖4)。由圖4可知,除了元謀、楚雄外,其余各站均呈下降趨勢(shì),其中宜賓、昭通和威寧下降趨勢(shì)十分顯著,趨勢(shì)系數(shù)超過(guò)了0.01顯著性水平。宜賓地區(qū)的下降趨勢(shì)最顯著,趨勢(shì)系數(shù)為-0.54,降水傾向率為-6.8 mm/a。

應(yīng)用ANUSPLIN進(jìn)行年降水的空間插值(圖5),為使邊界插值合理,插值過(guò)程中增加了周邊地區(qū)一些臺(tái)站數(shù)據(jù),共使用23個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。從圖5可以看出,研究區(qū)多年平均降水量空間差異較大,左岸明顯高于右岸(沿河流方向?yàn)闇?zhǔn))。降水量的高值位于西北部昭覺一帶,最大降水量為1526.5mm;低值位于以元謀和昭通為中心的附近地區(qū),年降水量不足800 mm,元謀站年降水量?jī)H636.5 mm。

從圖4和圖5可以看出,降水量的空間分布與傾向率的空間分布差異較大。元謀雖然平均降水量少,但呈增長(zhǎng)趨勢(shì);宜賓、昭覺雖然年降水量較大,但呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明研究區(qū)降水的區(qū)域差異性比較大。

3.2 小波周期分析

為識(shí)別降水序列的周期成分及其在時(shí)域上的分布特征,利用Morlet小波[21,24,34-36]對(duì)年降水進(jìn)行周期分析。為便于分析,降水量經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化距平處理,然后計(jì)算小波系數(shù)。Morlet小波系數(shù)實(shí)部表示了降水量的時(shí)間尺度特征,圖6清晰地顯示了不同時(shí)間尺度上年降水的周期振蕩和突變特征。其中等值線為正表示降水較多時(shí)期,20世紀(jì)60年代后期、80年代中期以及2000年前后為降水較多時(shí)期;等值線為負(fù)則表示降水偏少時(shí)期,主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代初期、70年代后期、90年代初期以及2010年左右。從圖中可以看出,在年際尺度上,主要存在3～4a和7～9a的周期振蕩;在年代際上,主要存在14～16a和30a左右的周期振蕩。在不同的時(shí)間尺度上,周期振蕩均比較強(qiáng)烈,正負(fù)相位交替變化明顯。

為準(zhǔn)確識(shí)別降水的周期,利用式(5)計(jì)算小波方差,并繪制小波方差圖(圖7)。利用小波方差圖可以更準(zhǔn)確地診斷出多長(zhǎng)周期的振蕩最強(qiáng)[21],可以對(duì)小波變換得出的周期進(jìn)行校驗(yàn)。從圖7可以看出:在年際尺度上,確實(shí)存在著1.2 a、4.1 a和7.8 a的周期,以準(zhǔn)8 a周期為主導(dǎo),振蕩最強(qiáng)烈;在年代際尺度上,有13.9 a和31.2 a這2個(gè)主要周期,且以準(zhǔn)14 a為主導(dǎo)。

根據(jù)圖6,2011年以后研究區(qū)正處于3～4 a、7～8 a短振蕩周期的少降水期;1956—2011年之間,14 a的振蕩周期經(jīng)歷了少→多→少→多→少→多→少7個(gè)循環(huán)交替,2011年處于少降水期的末期;30a的周期振蕩則經(jīng)歷了多→少→多→少4個(gè)周期交替,而且第4個(gè)周期的等值線剛開始,說(shuō)明在該周期上降水量偏少的趨勢(shì)仍將維持一段時(shí)間。

綜合小波變化(圖6)和小波方差圖(圖7)可知,研究區(qū)年降水存在多重時(shí)間周期尺度上的嵌套復(fù)雜結(jié)構(gòu),受多重周期規(guī)律控制。從振蕩強(qiáng)度來(lái)看,準(zhǔn)8 a的周期是年降水的主要控制周期,同時(shí)準(zhǔn)4a和準(zhǔn)14 a的周期對(duì)年降水量也有較大的影響。為識(shí)別上述周期是否具有統(tǒng)計(jì)意義,采用白噪聲譜對(duì)小波方差進(jìn)行檢驗(yàn)[37-38],結(jié)果表明,只有準(zhǔn)8 a的周期超過(guò)了90%置信水平檢驗(yàn),說(shuō)明降水序列真正的主周期為準(zhǔn)8a。

3.3 降水持續(xù)性特征分析

基于全區(qū)及各氣象站年降水量的歷史變化趨勢(shì),依據(jù)Hurst指數(shù)H值判讀降水的持續(xù)性,即未來(lái)降水量的變化趨勢(shì)。由表2可知,除雷波外其他站點(diǎn)降水序列的H值均大于0.5,尤其楚雄、會(huì)澤、威寧、宜賓、昭通的H值達(dá)到0.7以上,說(shuō)明這些站點(diǎn)的年均降水量具有“長(zhǎng)程記憶性”,即未來(lái)降水變化趨勢(shì)延續(xù)歷史降水變化趨勢(shì)的可能性較大,具有持續(xù)性特征。雷波的降水量時(shí)間序列的H值小于0.5,說(shuō)明該序列具有反持續(xù)性特征。

同時(shí),研究區(qū)四季降水序列的R/S分析表明,除冬季呈反持續(xù)性外,其他3個(gè)季度均具有持續(xù)性(H春=0.573 0,H夏=0.689 5,H秋=0.650 3,H冬= 0.4911)。結(jié)合趨勢(shì)分析結(jié)果可知,春、冬季未來(lái)降水量將呈上升趨勢(shì),而夏、秋季仍然保持下降趨勢(shì)。由于年降水主要集中在夏、秋季,春、冬季的輕微增加并不能改變研究區(qū)年降水量的下降趨勢(shì)。由R/S分析結(jié)果可知,研究區(qū)年降水序列H值為0.5986,降水具有持續(xù)性,即保持下降趨勢(shì),與前述小波分析結(jié)果一致。

從總體情況來(lái)看,整個(gè)研究區(qū)年降水量具有明顯的Hurst現(xiàn)象,年降水序列以延續(xù)歷史變化為主,未來(lái)一段時(shí)間降水仍呈下降趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

a.1956—2011年金沙江流域梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)年降水量呈波動(dòng)式下降趨勢(shì),年降水線性傾向率為1.338 mm/a。個(gè)別地區(qū)下降趨勢(shì)顯著,如宜賓、昭通、威寧,降水量?jī)A向率分別為6.794 mm/a、2.49 mm/a和3.573 mm/a。多年降水空間分布差異較大,區(qū)域變異明顯。

b.研究區(qū)四季降水中,春季呈微小上升趨勢(shì),夏、秋和冬季均呈下降趨勢(shì),與年降水變化趨勢(shì)相同。年內(nèi)分配不均、降水集中,夏、秋季降水量占全年的81.1%,這也是年降水呈下降趨勢(shì)的主要原因。

c.小波分析結(jié)果揭示出研究區(qū)年降水量的變化存在著多個(gè)振蕩周期,年際尺度上主要存在1～2 a、準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)8 a的周期變化規(guī)律;年代尺度上主要存在準(zhǔn)14 a和準(zhǔn)31 a的長(zhǎng)周期。其中,以準(zhǔn)8 a的周期為主導(dǎo),周期振蕩最為突出。

d.研究區(qū)站點(diǎn)(除雷波外)降水序列和季節(jié)(除冬季外)降水序列均具有長(zhǎng)程相關(guān)性和持續(xù)性,也就是說(shuō),未來(lái)的降水量變化趨勢(shì)與歷史變化趨勢(shì)有一定的相關(guān)性,仍然保持原來(lái)的減少趨勢(shì)。

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Analysis of characteristics of precipitation variation in cascade hydropower development zone in lower reaches of Jinsha River during period from 1956 to 2011

YAO Zhijun1,JIANG Liguang1,2,WU Shanshan1,LIU Zhaofei1,Wang Rui1,2
(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China; 2.College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China)

This study focused on the spatio-temporal variation of precipitation in the cascade hydropower development zone in the lower reaches of the Jinsha River.The changing trends,periodic oscillation,and duration characteristics of multi-annual and seasonal precipitation were analyzed using linear trend analysis,Morlet wavelet analysis,and R/S analysis methods,based on monthly precipitation data of ten meteorological stations in the study area during the period from 1956 to 2011.The results show that the annual precipitation in the study area during the period from 1956 to 2011 has shown a fluctuant downward trend at a tendency rate of-1.338 mm per year.The precipitation increased slightly in spring and decreased in summer,autumn,and winter,with significant spatial differences.The precipitation in summer and autumn accounted for 81.1%of the annual precipitation,especially the precipitation in summer,which was the leading factor accounting for 57.4%of the annual precipitation.The periodic oscillation of annual precipitation was concentrated in one to two years,expectant four years,eight years, 14 years,and 31 years,and especially in expectant eight years,which was verified by a 90%confidence level test.There was an obvious Hurst effect of the precipitation series in the study area,with a feature of persistence in general,and the precipitation will maintain a decreasing trend in the future.

cascade hydropower development zone in lower reaches of Jinsha River;spatio-temporal variation of precipitation;linear trend estimation;wavelet analysis;R/S analysis

P426

:A

:1000-1980(2014)04-0289-08

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.04.002

2013-03-15

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC06B02)

姚治君(1959—),男,遼寧沈陽(yáng)人,研究員,主要從事水文、水資源研究。E-mail:yaozj@igsnrr.ac.cn