寧學(xué)鵬

(甘肅省武威水文水資源勘測局，甘肅 武威 733000)

1 研究背景

目前，我國中西部地區(qū)氣候干旱、蒸發(fā)量大、降水量少、時空分布不均已成為普遍存在的問題。近年來，人們對降水變化的統(tǒng)計分析進(jìn)行了研究，降水的變化特征和趨勢及其對經(jīng)濟(jì)和社會的影響已成為世界各國科學(xué)家廣泛關(guān)注的問題。降水也是水循環(huán)中重要環(huán)節(jié)，而水文時間序列包括確定性部分和隨機(jī)部分。研究水文時間序列趨勢是揭示其內(nèi)在規(guī)律的關(guān)鍵，具有重要意義。

石羊河流域位于甘肅省河西走廊的東段，蘭州以北。它是中國這一地區(qū)最早被開發(fā)的盆地之一，被認(rèn)為是中國西北地區(qū)被過度開發(fā)的內(nèi)陸盆地之一。由于認(rèn)識到流域水資源壓力的不斷增加和環(huán)境的不斷惡化，該流域最近成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，采用計算距平及累計距平、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法(簡稱M-K檢驗法)相結(jié)合的方法對石羊河流域1968—2017年的降水變化趨勢進(jìn)行具體分析進(jìn)，以期探討石羊河流域降水量變化的歷史演變規(guī)律，為該流域地區(qū)的水文研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究流域概況

石羊河流域全長達(dá)300km，流域總面積為4.16萬 km2。

流域上、中、下游的氣候特征差異顯著。石羊河的源頭發(fā)源于海拔2000～5000m的寒冷潮濕、半干旱的祁連山區(qū)，在武威盆地流入海拔1400～2000m的中游溫帶地段，然后在民勤盆地繼續(xù)流入海拔1000～1400m的下游暖溫帶。夏季，流域常年干旱少雨、炎熱，降雨集中在夏季；冬季，流域呈現(xiàn)極度干燥和寒冷的氣候條件，風(fēng)沙危害嚴(yán)重。流域內(nèi)年均降水量變化十分顯著，從上游至下游總體呈遞減趨勢，山區(qū)為200～700mm，武威盆地為150～300mm，民勤盆地不到100mm。相比之下，潛在的蒸發(fā)范圍從山區(qū)的700mm到沙漠平原的2600mm以上，從上游至流域下游干旱程度愈顯著。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文為更加客觀、科學(xué)地反映石羊河流域降水變化特征，既結(jié)合區(qū)域具體河流水系分布，又盡可能保證較長觀測資料序列具有一致性，故選取研究流域內(nèi)8個代表雨量站點(diǎn)1968—2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。利用這8個站點(diǎn)降水量資料計算石羊河流域面雨量，并分析其演變特征。流域概況及站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 石羊河流域數(shù)字高程及雨量站點(diǎn)分布圖

本次研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)中地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(包含全國824個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù))。為了方便數(shù)據(jù)分析計算，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Python在原數(shù)據(jù)文件中提取所需8個站點(diǎn)20-20時逐日降水?dāng)?shù)據(jù)序列，并對提取的流域氣象資料缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

2.3 研究方法

在時間序列分析方面，采用滑動t平均法分析其變化規(guī)律，以10a滑動區(qū)間來統(tǒng)計計算流域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的日平均降水量、雨日平均降水量、月平均降水日數(shù)、最大日降水量等指標(biāo)，通過距平累計法、M-K非參數(shù)檢驗法相結(jié)合的方法對石羊河流域降水變化趨勢進(jìn)行具體分析。在空間尺度分析方面，利用地理信息處理系統(tǒng)(Arcgis)，采用樣條函數(shù)插值法進(jìn)行空間插值，通過石羊河流域日平均降水量空間分布圖來分析其降水空間分布特征。

滑動平均法是一種通過時間序列的平滑值來表達(dá)時間序列變化趨勢的基礎(chǔ)趨勢擬合方法。時間序列數(shù)據(jù)在經(jīng)過滑動平均計算后，消除時間序列數(shù)據(jù)的偶然突變值，使其顯示出更加顯著的變化趨勢。

距平趨勢分析法是利用曲線變化比較直觀分析河流演變過程的科學(xué)方法。流域內(nèi)的降水量變化特征也常利用年降水量的距平累積曲線來表征。

M-K非參數(shù)檢驗法是一種對于樣本分布要求低且對少數(shù)異常值不敏感的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法。利用檢驗計算結(jié)果統(tǒng)計量Z值用來判斷序列的變化趨勢，Z>0表示序列呈增加趨勢，Z<0表示序列呈減少趨勢。若|Z|>= 1.64、1.96、2.58，則數(shù)據(jù)序列通過置信度為90、95%、99%的顯著性水平檢驗。

樣條函數(shù)空間插值法是一種主要基于最小曲率面的控制點(diǎn)進(jìn)行擬合的數(shù)據(jù)處理方法。常用于水文氣象數(shù)據(jù)的空間插值處理。

3 降水變化特征分析

3.1 降水空間分布特征

根據(jù)樣條插值法所得雨季月平均降水量空間分布如圖2所示，雨季流域降水量自西南向東北方向逐漸減少，即自上游向下游出現(xiàn)減少的趨勢，降水集中于門源和烏鞘嶺地區(qū)，武威、民勤地區(qū)降水量相對較少。

圖2 石羊河流域6—7月份實測降水空間分布圖

3.2 降水時間趨勢變化

從1968—2017年石羊河流域武威站年降水量的10a滑動平均曲線如圖3所示，可以看出，武威站雨季降水量有明顯的上升趨勢，雨季降水日則表現(xiàn)為下降趨勢，說明更多的降水量集中到了較少的降水日數(shù)里，降水強(qiáng)度增大。由于文章篇幅問題，本文僅給出武威站10a滑動雨季降水變化趨勢圖，根據(jù)計算結(jié)果，民勤、門源、烏鞘嶺和景泰四站點(diǎn)雨季降水量均呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，永昌、武威和西寧則表現(xiàn)為明顯的上升趨勢，且基本整個流域站點(diǎn)都呈現(xiàn)出下降趨勢，說明石羊河流域雨季連續(xù)降雨日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，這在側(cè)面也反映石羊河流域雨季降水強(qiáng)度有增大趨勢。

圖3 1968—2017年武威站10年滑動雨季降水變化趨勢

根據(jù)石羊河流域烏鞘嶺站的雨季降水量及降水日數(shù)距平趨勢圖，如圖4所示，烏鞘嶺站20世紀(jì)80年代及之前的雨季降水量及降水日數(shù)都處于正距平階段，此時間段降水量值較多；20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，處于負(fù)距平階段，此時間段降水量較少。20世紀(jì)初至今，基本處于正距平階段，說明站點(diǎn)實測降水量有上升趨勢。研究區(qū)域內(nèi)其他代表站點(diǎn)數(shù)據(jù)的距平趨勢與烏鞘嶺站類似，說明該流域降水量整體呈增長趨勢。

圖4 1968—2017年烏鞘嶺雨季降水量及降水日數(shù)距平趨勢

M-K趨勢檢驗計算結(jié)果見表1，由表1可知， 1968—2017年石羊河流域內(nèi)民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)雨季多年平均降水量呈下降趨勢，靖遠(yuǎn)站|Z|>1.96，呈顯著下降；永昌、武威、烏鞘嶺和西寧雨季多年平均降水量呈上升趨勢，靖遠(yuǎn)站|Z|>1.96，呈顯著上升。同時，武威、民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)站的雨季降水日數(shù)的|Z|>1.96，故呈現(xiàn)顯著下降趨勢。綜合分析，石羊河流域內(nèi)大部分地區(qū)降水更加集中，增加了洪澇干旱風(fēng)險。

表1 M-K趨勢檢驗計算結(jié)果(Z值)

4 結(jié)論與討論

本文分析了石羊河流域的降水趨勢和變化特征，有利于了解該地區(qū)年降水量序列的總體變化趨勢及其雨季降水分布特征和變化規(guī)律，為該流域的中長期水文變化趨勢估算和預(yù)報提供可靠的依據(jù)。依據(jù)1968—2017年石羊河流域日降水?dāng)?shù)據(jù)，流域降水分布特征及變化趨勢有以下特點(diǎn)：

(1)從石羊河流域降水空間分布情況可以發(fā)現(xiàn)，流域面上降水自上游至下游呈減少，雨量主要集中在門源及烏鞘嶺，武威、民勤地區(qū)相對較少，呈現(xiàn)出自西南方向向東北逐漸減少的變化趨勢。

(2)根據(jù)石羊河流域降水時間序列分布情況顯示各站點(diǎn)變化情況有明顯的階段分布特征。雨季的降水量主要分為三個階段：多-少-多；永昌、武威和西寧地區(qū)雨季降水量有較為明顯的上升，而靖遠(yuǎn)地區(qū)則呈現(xiàn)相反趨勢;武威、民勤、門源、景泰和靖遠(yuǎn)地區(qū)的雨季降水總?cè)諗?shù)顯著減少，降雨強(qiáng)度變大?？傮w上，石羊河流域降水有更集中的發(fā)展趨勢。