常新雨,劉 斌,賈毓功,付智宇

(1.昆明電力交易中心,云南 昆明 650000;2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

自從世界氣象組織于20世紀(jì)80年代首次提出氣候變化威脅以來,全球氣候變暖已成為世界關(guān)注的焦點。2021年政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》指出,人類活動的影響增加了極端氣候事件發(fā)生的概率,主要表現(xiàn)在冰川崩塌、洋流突變、短時強降雨、復(fù)合極端事件等[1-2]。在全球氣候變暖的持續(xù)影響下,洪水風(fēng)險逐年增大,極端降水時有發(fā)生,流域水文氣象要素發(fā)生了深刻變化,因此有必要深入挖掘流域內(nèi)在特性及變化規(guī)律,解析氣候變化和人類活動對流域水循環(huán)要素的影響,提高流域未來時刻對極端水文事件的響應(yīng)程度[3-5]。同時由于近幾十年的蓄水、調(diào)水和引水工程建設(shè),流域徑流呈現(xiàn)破碎化趨勢,水文情勢發(fā)生顯著的時空變化,在變化環(huán)境下分析檢驗流域水文氣象要素演變規(guī)律和趨勢,能夠為水文預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建提供重要參考[6-7]。在1999年葉佰生等[8]就通過分析水文氣象特征的變化結(jié)果來判斷新疆地區(qū)冰雪徑流對氣候變暖的響應(yīng)。Griffiths等[9]對亞太地區(qū)的極端氣溫深入剖析,證明了該區(qū)域的最大氣溫變化顯著增加,氣溫升高趨勢性明顯。周婷等[10]利用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法和Pettitt突變檢驗方法分析了湄公河清盛水文站的突變點。陳鑫等[11]使用Morlet小波變換對關(guān)河水庫流域水文序列進行周期性分析,驗證了氣候因素以及人類活動雙因素影響下的關(guān)河站其徑流周期性變化特點。利用雅礱江流域1958—2012年的平均降水序列進行趨勢演變、突變檢驗和周期特征分析,得到流域長期水文氣象數(shù)據(jù)演變趨勢和規(guī)律,從而為合理構(gòu)建水文預(yù)報模型,揭示降水長期演變規(guī)律,探究水文長序列數(shù)據(jù)變化特征提供主要依據(jù)。

1 研究資料和方法

1.1 流域概況

雅礱江作為金沙江的最大支流,是中國水能資源開發(fā)條件最好的河流之一,其干流長達到1 571 km,天然落差3 830 m,流域面積達到13.6萬km2,多年平均降雨量為520～2 470 mm,由北往南遞增,河口多年平均流量1 930 m3/s,年徑流量近600億m3,占長江上游總水量的13.3%。雅礱江水電基地作為全國重要的水電能源基地之一,該水電基地的建設(shè)對中國實現(xiàn)雅礱江流域梯級水能開發(fā),實現(xiàn)水資源合理優(yōu)化配置,打造西部經(jīng)濟核心增長極起到了極大的促進作用[12]。研究數(shù)據(jù)主要為雅礱江流域18個氣象站點平均降水?dāng)?shù)據(jù),該數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局國家環(huán)境信息中心。為充分考慮水電站建設(shè)和氣候變化的影響,將雅礱江流域劃分為6個子流域區(qū)間,分別為兩河口以上、兩河口—楊房溝、楊房溝—錦西、錦西—官地、官地—二灘和二灘—桐子林區(qū)區(qū)間。

圖1 雅礱江流域區(qū)間劃分

1.2 研究方法

a)Mann-Kendall趨勢檢驗。Mann-Kendall趨勢檢驗法最早由Mann[13]于1945年提出,后經(jīng)Kendall[14]改進而得以完善,目前已成為世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的趨勢分析非參數(shù)統(tǒng)計方法[15]。Mann-Kendall趨勢檢驗法能夠在時間序列異常值干擾的情況下有效區(qū)分水文氣象要素中的自然波動屬性或變化趨勢特性。MK方法構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計量Z的計算見式(1)：

(1)

統(tǒng)計量Z服從高斯分布,在利用MK方法對水文氣象要素進行趨勢檢驗時,若Z>0,則目標(biāo)數(shù)據(jù)為上升趨勢;若Z<0,則目標(biāo)數(shù)據(jù)為下降趨勢。給定某一顯著性水平α,若|Z|≥Z1-α/2,則樣本通過顯著性檢驗,接受原假設(shè),即數(shù)據(jù)序列變化趨勢具有顯著性,反之拒絕原假設(shè),即變化趨勢不具有顯著性。

b)R/S分析法。R/S分析法,也稱重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis),是英國水文學(xué)家赫斯特(Hurst)在大量實證研究的基礎(chǔ)上所提出的一種時間序列統(tǒng)計方法[16],后經(jīng)不斷改進而逐漸完善,該方法對水文序列持續(xù)性分析具有較好的適用性和應(yīng)用效果[17],見表1。

表1 赫斯特指數(shù)等級

c)Mann-Kendall秩次檢驗。Mann-Kendall秩次檢驗法不僅能夠?qū)λ臍庀笠氐臅r間序列數(shù)據(jù)進行趨勢性分析,而且可用于時間序列數(shù)據(jù)的突變點分析。對于n個樣本的水文氣象要素數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn,構(gòu)造秩序列sk見式(2)：

(2)

當(dāng)UFk>0時,表明水文氣象要素時間序列具有上升趨勢,反之當(dāng)UFk<0時,其時間序列具有下降趨勢。給定顯著性水平α?xí)r,在時間序列圖中分別繪制統(tǒng)計量UFk和UBk曲線,曲線相交時刻即該顯著性水平下的突變時刻,由此可以判斷序列突變位置。

d)滑動t檢驗?；瑒觮檢驗的基本思想是根據(jù)2組子序列的均值差異程度來判斷數(shù)據(jù)序列是否發(fā)生突變。對于某一數(shù)據(jù)序列,根據(jù)基準(zhǔn)點將其劃分為兩段子序列,若兩段子序列的均值差異程度過于顯著,則認(rèn)為該數(shù)據(jù)序列在基準(zhǔn)點處發(fā)生突變。從統(tǒng)計學(xué)角度來看,MK檢驗和滑動t檢驗互為補充[18]。

e)小波分析。水文氣象要素的周期性分析主要指通過數(shù)學(xué)分析方法解析流域徑流、降水、氣溫等要素在不同時間尺度的周期性特征。譜分析和小波分析是目前最為常用的周期性分析方法[19]。小波分析(Wavelet Analysis)又名小波變換,是J.Morlet在傅里葉變換的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)80年代提出。與傅里葉變換相比,小波分析解決了傅里葉變換繁瑣復(fù)雜的問題,實現(xiàn)了時域和頻域的局部化分析,是信號分析領(lǐng)域的重要的技術(shù)進步[20]。

2 結(jié)果分析

2.1 趨勢演變分析

采用Mann-Kendall趨勢檢驗和R/S分析法對雅礱江流域18個氣象站點1958—2012年的年平均降水?dāng)?shù)據(jù)進行趨勢性分析,各個氣象站點趨勢檢驗結(jié)果見表2。在雅礱江流域的18個氣象站點中,12個站點年平均降水呈現(xiàn)上升趨勢,6個站點年平均降水呈現(xiàn)下降趨勢,其中臘石、石渠、店扎和中甸4站上升趨勢十分顯著,清水河站下降趨勢十分顯著,均超過了MK顯著性檢驗水平Z1-α/2。當(dāng)MK檢驗趨勢不顯著時,MK趨勢檢驗與R/S分析方法檢驗結(jié)果存在一定差異;當(dāng)MK趨勢檢驗顯著時,兩者方法的檢驗結(jié)果趨向一致。

表2 流域氣象站點年平均降水MK和R/S檢驗結(jié)果

根據(jù)R/S分析法計算得到的Hurst指數(shù),圖2給出了流域各個氣象站點不同時間尺度下的平均降水Hurst指數(shù)熱力,以此判斷流域年際降水空間趨勢持續(xù)性強弱,該圖由克里金插值法得到,圖中藍色越深,表明Hurst指數(shù)越大;紅色越深,表明Hurst指數(shù)越小。整體來看,雅礱江流域的平均降水Hurst指數(shù)均大于0.5,即表示流域未來降水的變化趨勢將會延續(xù)過去,出現(xiàn)反持續(xù)性的概率不大,流域降水處于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)。同時流域緯度越高,其降水的持續(xù)性越強,代表站為清水河和石渠站;緯度越低,其降水的持續(xù)性越弱,代表站為會理站;經(jīng)度較高地區(qū)的持續(xù)性高于經(jīng)度較低的區(qū)域,代表站為中甸和西昌站。單獨來看,在年和汛期尺度中,流域持續(xù)性強度由東南至西北方向依次增大;在不同季節(jié)數(shù)據(jù)尺度下,流域持續(xù)性強度谷點隨著北回歸線的移動而移動,與季節(jié)更迭的規(guī)律保持一致。

2.2 突變檢驗分析

通過算術(shù)平均法計算流域4個子區(qū)間的平均降水序列,并采用Mann-Kendall秩次檢驗和滑動t檢驗方法對其進行突變點分析,得到各子區(qū)間下的統(tǒng)計值UF、UB和t,同時依據(jù)統(tǒng)計值繪制突變檢驗結(jié)果,見圖3。

a)年

d)夏

a)兩河口以上MK檢驗

g)二灘—桐子林MK檢驗

a)兩河口以上區(qū)間年平均降水在1980年之前有較大振蕩,20世紀(jì)60s—80s降水呈現(xiàn)明顯上升趨勢,直至超出置信水平線,最后UF值維持在0.05的置信水平線附近,說明該時期降水上升趨勢并不顯著。UF值與UB值多次相交于1960—1968、2006—2011年,結(jié)合滑動t檢驗結(jié)果,可以判斷該子區(qū)間未找到突變點。

b)楊房溝—錦西區(qū)間年平均降水在1965年之前呈現(xiàn)上升趨勢,1965—1974年內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢,1974年之后不斷攀升直至UF值超過0.05置信水平,說明該時期年平均降水呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。UF值與UB值相交于1985年,結(jié)合滑動t檢驗結(jié)果,可以判斷該子區(qū)間未找到突變點。

c)錦西—官地區(qū)間年平均降水在1977年之前在置信區(qū)間內(nèi)不斷振蕩,1977年之后振蕩現(xiàn)象依舊存在,但是UF值整體上呈現(xiàn)上升趨勢,且維持在0.05置信水平附近,說明該時期年平均降水呈現(xiàn)振蕩上升趨勢。UF值與UB值在1978年之前相交多次,結(jié)合滑動t檢驗結(jié)果,可以判斷該子區(qū)間未找到突變點。

d)二灘—桐子林區(qū)間年平均降水在1980年之前出現(xiàn)明顯的上下波動,1980年后平均降水呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,但是未超過置信水平線,說明這個時期降水上升趨勢并不顯著。UF值與UB值在1980年之前相交多次,結(jié)合滑動t檢驗結(jié)果,可以判斷該子區(qū)間在1981年發(fā)生了突變。

2.3 周期特征分析

研究工作利用Morlet小波分析法對流域子區(qū)間的年平均降水進行周期性分析,得到各子區(qū)間對于的連續(xù)小波譜圖,直觀反映其降水要素的周期時頻特性,同時對小波譜進行95%的信度檢驗,即為圖4中的粗黑線內(nèi)部區(qū)域。圖中虛線為小波影響錐,影響錐外的區(qū)域由于邊界效應(yīng)不予考慮,黃色區(qū)域顏色越深代表其時頻關(guān)系越密切,周期振蕩能量越強。由圖4可知,在95%置信水平下,流域各子區(qū)間年平均降水呈現(xiàn)明顯的年際周期性變化,主要特點如下：兩河口以上區(qū)間年平均降水存在1個顯著周期,為0～3 a(1993—1997年)的周期;楊房溝—錦西區(qū)間年平均降水存在2個顯著周期,分別為0.5～2.0 a(1961—1963年)和4～6 a(1965—1970年)的周期;錦西—官地區(qū)間年平均降水存在3個顯著周期,分別為1～3 a(1963—1967年)、4～6 a(1968—1975年)和10～14 a(1979—2001年)的周期;二灘—桐子林區(qū)間年平均降水存在2個顯著周期,分別為0.5～3.0 a(1964—1975年)和3.0～4.5 a(1990—1996年)的周期。

a)兩河口以上

b)楊房溝—錦西

綜上所述,雅礱江流域各子區(qū)間年平均降水在時域和頻域均存在多尺度顯著性周期,降水時頻關(guān)系密切。除兩河口以上區(qū)間外,雅礱江流域各子區(qū)間均存在1.0～2.5 a和4～6 a的小周期振蕩。雖然兩河口以上區(qū)間在置信區(qū)間內(nèi)僅有1個顯著性周期,但是該區(qū)間影響錐內(nèi)的其余周期均表現(xiàn)出了較強的振蕩能量,時頻關(guān)系依舊密切。同時錦西—官地區(qū)間年平均降水存在大周期振蕩,其振蕩周期主要為10～14 a(1962—2007年)。

2.4 徑流響應(yīng)分析

為評估流域區(qū)間徑流對降水的響應(yīng)程度,解析其與氣象站點降水的內(nèi)在聯(lián)系,同時考慮到待分析的氣象站點數(shù)量、距離等因素影響,研究中選擇區(qū)間斷面以上所有站點中距離斷面站點最近的8個氣象站點進行響應(yīng)程度分析,通過引入皮爾遜相關(guān)系數(shù),用以衡量區(qū)間徑流對氣象站點降水的響應(yīng)程度。流域各區(qū)間對應(yīng)的氣象站點降水與徑流的響應(yīng)程度見圖5,其中相關(guān)系數(shù)越大,表示該氣象站點降水與徑流的響應(yīng)程度越強;反之,相關(guān)系數(shù)越小,表示該氣象站點降水與徑流響應(yīng)程度越弱。

a)兩河口以上

d)二灘—桐子林

由圖5可知,兩河口區(qū)間甘孜站降水徑流的響應(yīng)程度最強,楊房溝—錦西區(qū)間的理塘、店扎和中甸站的響應(yīng)程度較為強烈,錦西—官地區(qū)間中九龍站響應(yīng)程度較強,二灘—桐子林區(qū)間中西昌、九龍和會理站響應(yīng)最為強烈。結(jié)合趨勢性分析結(jié)果可知,除中甸站外,其余站點的趨勢性并不顯著。研究結(jié)果可為后續(xù)的水文預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建提供重要參考,為水資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)支撐。

3 結(jié)論

以雅礱江流域降水和徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過引入MK趨勢檢驗法、R/S分析法、MK秩次檢驗、滑動t檢驗和小波分析法,全面解析了流域降水的趨勢性、突變點和周期性特征,揭示了流域降水的長期演變特征,衡量了區(qū)間徑流對降水的響應(yīng)程度,研究結(jié)論如下。

a)通過引入MK趨勢檢驗和R/S分析法對流域降水序列進行年際趨勢性分析。結(jié)果表明,流域的平均降水的Hurst指數(shù)均大于0.5,流域趨勢性變化特征與歷史序列基本保持一致,降水序列保持穩(wěn)定狀態(tài)。

b)采用MK秩次檢驗和滑動t檢驗法對流域的年降水序列進行突變點分析。其中二灘—桐子林區(qū)間在1981年發(fā)生突變,其余子區(qū)間未見明顯的突變現(xiàn)象,流域整體降水較為平穩(wěn),未出現(xiàn)劇烈的突變。

c)利用Morlet小波分析法對流域的年降水進行周期性分析。流域各子區(qū)間年平均降水在時域和頻域上均存在多尺度顯著性周期,降水時頻關(guān)系密切。除兩河口以上區(qū)間外,流域其他子區(qū)間均存在1.0～2.5 a和4～6 a的小周期振蕩。

d)通過引入皮爾遜相關(guān)系數(shù)衡量區(qū)間徑流對降水的響應(yīng)程度,得到了各個區(qū)間降水徑流響應(yīng)程度較強的氣象站點,且除中甸站外,其余站點的趨勢性并不顯著,研究成果能夠為流域預(yù)報因子篩選分析提供支撐。