张家港市年径流量变化及其对气候变化的响应分析

张 莉, 屈吉鸿, 陈南祥

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



张家港市年径流量变化及其对气候变化的响应分析

张 莉, 屈吉鸿, 陈南祥

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

为提高气候变化环境下水资源的应对能力,根据张家港市1960—2012年年径流量、年降水量和年均气温资料,采用线性倾向分析法、滑动平均法、Mann-Kendall法和滑动t检验法分析了年尺度下的径流量、降水量、气温的变化规律,从趋势性和突变性的角度分析了年径流量对年降水量和年均气温的响应规律.结果表明:张家港市年径流量和年降水量呈不显著增加趋势,年均气温呈明显增加趋势;降水量是影响张家港市径流量的最主要的因子,年降水量与年径流量相关系数达到0.848,通过了信度99%的显著性水平的检验,年降水量增加则年径流量显著增加;年均气温与年径流量存在相关性,年均气温升高则年径流量减少,但趋势不显著;相对于年均气温,年降水量突变对年径流量突变作用更为明显,年径流量突变与年降水量突变的年份均为1988年.

气候变化;年径流量;年降水量;年均气温;突变性;趋势性；响应分析

气候变化环境下水文水资源响应是当前研究的热点之一.其研究技术和方法主要包括统计分析、成因分析、情景假设及降尺度、模型模拟、多模型耦合等[1].文献[2]采用Mann-Kendall检验方法研究了中国六大江河的年径流量变化.文献[3]采用Mann-Whitney阶段转换检验、不均匀系数等方法,研究了开都河径流量变化特征及其对气候变化的响应.文献[4-6]采用Spearman、Mann-Kendall、线性回归、滑动平均、累积距平等方法研究了水文要素的趋势性变化.文献[7-9]采用SWAT模型,结合气象统计模型,模拟了气候变化环境下水文要素的变化.然而,目前有关径流量变化的趋势性、突变性等特征对气候变化响应的研究还比较缺乏.由于Mann-Kendall 法属于非参数检验方法,不受样本值、分布类型等的影响，因而被广泛应用于气象、水文要素的突变性分析.但该方法也易出现杂点,需与其他方法进行对比验证,以获取准确的突变点.笔者根据张家港市1960—2012年年径流量、年降水量和年均气温资料,采用线性倾向法、滑动平均法、Mann-Kendall法、滑动t检验法分析了该市气象、水文要素的趋势性和突变性等变化特征,研究了年径流量对年降水量和年均气温的响应规律.研究成果可为气候变化环境下的张家港水资源管理提供技术参考.

1 张家港市气候概况

张家港市位于长江下游南岸,属北亚热带南部湿润性气候区,气候温和,四季分明,雨水充沛.多年平均雨日122.3 d,多年平均降水量1 057.53 mm,年最大降水量1 802.6 mm,最小降水量459.3 mm;夏季5—7月降水量425 mm,占全年总降水量的41.4%.多年平均地表水资源量30 377.34万m3,人均地表水资源量356.2 m3,低于江苏省人均水资源量419 m3/人的水平;水资源总量51 114.9万m3,人均占有量599.4 m3.笔者采用张家港市1960—2012年的径流量资料以及闸站、十一圩港闸站、杨舍站和望虞站的气象资料,对径流量年际变化及其对气候变化的响应进行研究.

2 研究方法

2.1 趋势性分析

气象、水文趋势分析方法较多,如线性倾向法、滑动平均法、Mann-Kendall法等.其中,线性倾向法因直观、简单而被广泛使用,具体方法如下.

xi表示样本为n的某一时间序列变量,ti为xi所对应的时间,xi与ti之间的一元线性回归方程为

xi=ati+b,i=1,2,…,n.

(1)

利用最小二乘法可估算出参数a和b.xi与ti的相关系数r为

(2)

给定显著性水平α,查相关系数临界值表,若满足|r|≥rα,则认为线性变化趋势是显著的.a>0，表示存在上升趋势；a<0，表示存在下降趋势.

2.2 突变性分析

气象、水文序列突变诊断的方法较多,如累积距平法、Mann-Kendall突变检验法、滑动t检验法、小波分析法等.Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法,具有检测范围宽、人为干扰少等优点,可明确突变开始的时间、指出突变区域.但该方法也容易出现杂点,需与其他方法进行对比验证,以获取准确的突变点.这里采用Mann-Kendall突变检验法和滑动t检验法进行气象、水文要素的突变分析.

Mann-Kendall突变检验法原理为:对于具有n个样本量的时间序列x,构造一秩序列为

(3)

(4)

秩序列sk实际上是第i时刻数值大于第j时刻数值的个数的累计数.

在时间序列随机独立的假定下,定义统计量

(5)

UF1=0,

(6)

式中E(sk)，Var(sk)分别为秩序列sk的均值和方差.在x1,x2,…,xn相互独立且具有相同连续分布时,

(7)

UFk为标准正态分布,对于给定的显著水平α,若|UFk|>Uα/2,则表明序列x存在显著的趋势变化.按时间序列x的逆序,重复上述过程,同时使UBk=-UFk(其中k=n,n-1,…,1),UB1=0.

通过分析统计序列UFk和UBk，可以进一步分析序列x的趋势变化,确定突变的时间.若UFk>0,则表明序列x呈上升趋势;若UFk<0，则表明序列x呈下降趋势.当它们超过临界直线时,表明变化趋势显著.若UFk和UBk两曲线出现交点,且交点在临界直线之间,那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻.

3 结果与讨论

3.1 年径流量变化特征分析

根据张家港市1960—2012年的径流量资料,采用线性倾向法和滑动平均法[10]分析年径流量变化趋势,其中显著性水平分析采用Mann-Kendall趋势分析法[11].径流量年变化趋势如图1所示.由图1可知,研究区径流量年际变化大,最大值出现在1991年,径流量为10.82亿m3,最小值出现在1978年,径流量为7 371 m3.根据年径流量5 a滑动平均曲线、线性变化趋势及Mann-Kendall趋势法的显著性水平分析结果可知,研究区年径流量呈现增加趋势,线性倾向率为173.6万m3/a,但年径流量增加趋势不显著,Mann-Kendall趋势检验值Z=1.082 0,增加趋势未通过信度90%的显著性趋势检验.

图1 1960—2012年年径流量及其线性变化趋势

采用Mann-Kendall突变检验法对年径流量进行突变分析,结果如图2所示.由图2可知,1960—1985年UFk小于0,年径流量呈减少趋势,其中1960—1968年UFk逐渐减小,1967年超过置信区间,年径流量减少趋势显著.自1985年开始，UFk整体大于0,年径流量整体呈增加趋势,但未超过置信区间,年径流量增加趋势不显著.虽然UFk与UBk曲线之间存在多个交点,但UFk曲线未超过置信区间,因此年径流量突变性不显著.利用滑动t检验法对年径流量进行突变分析,当n1=n2=9时,给定显著水平α=0.05,按t分布自由度v=16,t0.05=±2.21,计算出的t统计量序列在1988年超过0.05显著性水平,因此1988年为年径流量发生突变的时间.

图2 Mann-Kendall年径流序列突变

3.2 年径流量对气候变化的响应分析

径流量气候因子主要为降水量、气温和蒸发量.这里从降水量和气温两方面分析年径流量对气候变化的响应.

3.2.1 年径流量趋势性对气象要素变化的响应

根据张家港市1960—2012年年降水量和年均气温资料,采用线性倾向法和滑动平均法分析年降水量和年均气温的变化趋势,其中显著性水平分析采用Mann-Kendall趋势分析法.

年降水量变化趋势如图3所示.由图3可知,研究区降水量年际变化大,最大值出现在1991年,降水量为1 626.8 mm；最小值出现在1978年,降水量为641.3 mm.降水量最大、最小年份均与径流量的一致.根据年降水量5 a滑动平均曲线、线性变化趋势及Mann-Kendall趋势法的显著性水平分析结果可知,研究区降水量呈现增加趋势,线性倾向率为2.442 mm/a,但年降水量增加趋势不显著,Mann-Kendall趋势检验值Z=1.219 6,增加趋势未通过信度90%的显著性趋势检验.

图3 1960—2012年年降水量及其线性变化趋势

年均气温变化趋势如图4所示.由年均气温5 a滑动平均曲线、线性变化趋势及Mann-Kendall趋势法的显著性水平分析结果可知,研究区年均气温呈明显增加趋势,线性倾向率为0.028 4 ℃/a,Mann-Kendall 趋势检验值Z=4.732 8,增加趋势通过了信度99%的显著性趋势检验,气温增加显著.

图4 1960—2012年年均气温及其线性变化趋势

年径流量与年降水量和年均气温的相关关系分别如图5和图6所示.

图5 年径流量与年降水量相关性曲线

图6 年径流量与年均气温相关性曲线

由图5可知，年降水量与年径流量相关性曲线的线性倾向率为72.74 万m3/mm,相关系数达到0.848,通过了信度99%的显著性水平的检验,表明年降水量增加则年径流量显著增加.由图6可知，年均气温与年径流量相关性曲线的线性倾向率为-4 063 m3/℃,相关系数为0.000 1,未通过信度90%的显著性水平的检验,表明年均气温升高则年径流量减少,但不显著.

3.2.2 年径流量突变性对气象要素变化的响应

采用Mann-Kendall突变检验法对1960—2012年年降水量和年均气温指数进行突变检验,结果分别如图7和图8所示.

图7 Mann-Kendall年降水量序列突变曲线

图8 Mann-Kendall年均气温序列突变曲线

由图7年降水量Mann-Kendall突变曲线可知,1960—1986年UFk<0,年降水量逐渐降低,并超过置信区间,趋势显著.自1987年开始UFk>0,年降水量逐渐增加,但未超过置信区间,年降水量增加趋势不显著.虽然UFk与UBk曲线之间存在多个交点,但UFk曲线未超过置信区间,因此年径流量突变性不显著.利用滑动t检验法对年降水量进行突变分析,当n1=n2=9时,给定显著水平α=0.05,按t分布自由度v=16,t0.05=±2.21,计算出的t统计量序列在1988年超过0.05显著性水平,因此1988年为年降水量发生突变的时间.

由图8年均气温Mann-Kendall突变曲线可知,1962—1988年UFk<0,年均气温逐渐降低,并超过置信区间,趋势显著.自1989年开始UFk>0,年均气温逐渐增加,超过置信区间,趋势显著.UFk与UBk曲线于1992年处相交,1997年UFk曲线超过置信区间.因此,1992年为年均气温发生突变的时间,1992—2012年为年均气温呈显著性上升趋势时期.

对比Mann-Kendall突变分析法计算得到的年径流量、年均气温和年降水量的UFk曲线,年径流量和年降水量的UFk曲线变化基本一致,年径流量和年均气温的UFk曲线一致性也较好.年径流量UFk与年降水量UFk和年均气温UFk之间的相关关系分别如图9和图10所示.年径流量UFk与年降水量UFk以及年径流量UFk与年均气温UFk相关性均较高.其中年径流量UFk与年降水量UFk的一致性更高，表明年降水量突变对年径流量突变作用更为明显.年径流突变的年份与年降水量突变的年份均为1988年.

图9 年径流量与年降水量突变相关性曲线

图10 年径流量与年均气温突变相关性曲线

4 结 语

根据张家港市1960—2012年年径流量、年降水量和年均气温资料,采用线性倾向法、滑动平均法、Mann-Kendall趋势分析法分析了其变化趋势,采用Mann-Kendall突变检验法和滑动t检验法分析了其突变性,并分析了年径流量变化的趋势性和突变性对年降水量和年均气温变化的响应.

1)1960—2012年张家港市年径流量呈不显著增加趋势,1988年年径流量发生突变;年降水量呈增加趋势,但趋势不显著;年均气温呈明显增加趋势,通过信度99%的显著性趋势检验.

2)年降水量与年径流量呈显著相关,相关系数达到0.848,通过了信度99%的显著性水平的检验,年降水量增加则年径流量显著增加;年均气温与年径流量也存在相关性,年均气温升高则年径流量减少,但不显著;降水量是影响张家港市径流量的最主要的因子.

3)采用Mann-Kendall法计算得年径流量UFk与年降水量UFk以及年径流量UFk与年均气温UFk的相关性均较高.其中年径流量UFk与年降水量UFk一致性更高,表明年降水量突变对年径流量突变作用更为明显.年径流量突变的年份与年降水量突变的年份均为1988年.

4)受资料限制,未分析下垫面变化对张家港市径流量变化的影响,后续研究需研究径流量对下垫面的响应规律.

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(责任编辑：陈海涛)

Analysis of Annual Runoff Variation in Zhangjiagang City and Its Response for Climate Variation

ZHANG Li, QU Jihong, CHEN Nanxiang

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

To improve the ability of water resources to cope with climate change, according to annual runoff, precipitation, annual average temperature in Zhangjiagang City from 1960 to 2012, the variation regulations of runoff, precipitation, air temperature were analyzed using linear trend analytical method in year scale, moving average method, Mann-Kendall method and movingttest, the response regulations of annual runoff to annual average temperature were analyzed from the aspects of trend and abrupt change. Results show that in Zhangjiagang City, annual runoff and precipitation are a slight increasing trend, annual average temperature is a significant increasing trend, precipitation is the main impact factor for annual runoff of Zhangjiagang City, the correlation coefficient between annual precipitation and annual runoff reaches 0.848, and passes significance level test with 99% confidence degree, and the annual runoff significantly increases with the increase of the annual precipitation, the correlation exists between the annual average temperature and the annual runoff, the annual runoff decreases with the increase of the annual average temperature, but the trend is not significant, the abrupt change of the annual precipitation has greater effects on that of the annual runoff than that of the annual average temperature, the year of abrupt change of the annual runoff and precipitation is 1988.

climate changes; annual runoff; annual precipitation; average temperature; abrupt change; trend; response analysis

2014-11-21

水利部公益性行业科研专项经费项目(201401041);河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A170006).

张 莉(1989—),女,江苏张家港人,硕士研究生,主要从事水文水资源方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.001

TV121；P343.9;P467

A

1002-5634(2015)01-0001-05