1954—2013年漳河上游流域降水演变规律分析

2015-12-21高云明王勇汤欣钢林超

海河水利 2015年5期

关键词：漳河年际降水量

高云明，王勇，汤欣钢，林超

（1.海河水利委员会水文局，天津300170；2.海河水利委员会漳河上游管理局，河北邯郸056006）

1954—2013年漳河上游流域降水演变规律分析

高云明1，王勇2，汤欣钢2，林超2

（1.海河水利委员会水文局，天津300170；2.海河水利委员会漳河上游管理局，河北邯郸056006）

降水是径流主要来源，直接影响水资源时空分布。为探索漳河上游流域降水演变规律，根据流域内77个雨量站资料，采用线性回归法、滑动平均法和Mann-Kendall秩次相关检验法分析流域1954—2013年降水量变化。结果表明，漳河上游流域降水量年际变化大，极值比约为2.5，总体呈微弱减少趋势，变化倾向率约为11.1 mm/10a；20世纪70年代以前及21世纪以后高于多年平均值，20世纪80—90年代低于多年平均值；空间分布不均，存在区域性降水集中明显现象；年内分配不均匀，降水主要集中在汛期，汛期降水量约占全年降水总量的72%。

降水量；趋势性；空间分布；漳河

1 研究区概况

漳河位于海河流域西南部，属漳卫河水系一级支流，河长460 km，流域总面积19 220 km2。本次研究主要以漳河山丘区为研究对象，研究区面积17 800 km2，称为漳河上游流域。漳河上游流域地处温带半湿润、半干旱季风气候区，夏季受来自海洋暖湿偏南气流控制，气候湿热；冬季盛行北风和西北风，气候干冷；春季干旱多风沙。年均气温7.4～10.3℃，多年平均年降水量564.8 mm，多年平均实测径流量9.50亿m3。漳河上游流域位于山西台地东侧、太行大背斜上，以山区地貌为主，东部为太行山脉，西部为太岳山脉，两山之间是长治盆地，河流横穿太行山脉，地形总的趋势西高东低，地面坡度为10‰～0.5‰。

2 资料与方法

2.1 资料

选取流域内连续资料序列超过40年的77个雨量站作为代表站，各站点分布如图1所示。其中，18个站连续资料序列超过60年，45个站连续资料序列超过50年。流域平均降水量采用各代表站算数平均法计算，虽然连续资料序列超过60年仅为18个站，但空间分布较均匀，具有一定代表性。

图1 漳河上游流域水系及雨量站位置

2.2 趋势分析方法

2.2.1 线性回归法

通过建立年降水序列（yt）与相应的时序（t）之间的线性回归方程来判断年降水序列是否具有递增或递减的线性趋势。线性回归方程为：

式中：yt为降水序列；t为时序（t=1，2，…，n；n为序列长度）；a为斜率；b为截距。a和b的估算公式为：

式中：y¯和t¯分别为yt和t的均值。

2.2.2 滑动平均法

取年降水序列y1，y2，…，yn的几个前期值和后期值的平均值得到新序列zt，使原序列光滑。数学表达式为：

若yt具有趋势成分，选择合适的k，zt就能把yt的趋势性特征显示出来。

2.2.3 Mann-Kendall秩次相关检验法

对年降水序列x1，x2，…，xn（n为样本数）来说，所有对偶观测值（xi，xj）（j＞i）中xi＜xj出现的个数设为k。顺序的（i，j）子集是：（i=1，j=2，3，4，…，n），（i=2，j=3，4，5，…，n），…，（i= n-1，j=n）。如果按顺序前进的值全部大于前面的值，这是一种上升的趋势，k=n（n-1）/2；如果顺序全部倒过来，则k=0，为下降趋势。对无趋势的年径流序列来说，k的数学期望为E（k）=n（n-1）/4。

研究序列有无趋势成分需进行检验，构成统计量为：

式中：统计量U称为Mann-Kendall秩次相关系数，当n增加时，U很快收敛于标准正态化分布。

假设原序列为无趋势，当给定显著水平α（这里取0.05）后，在正态分布表中查出临界值Uα2。当|U|＜Uα2时，接受原假设，即趋势不显著；当|U|＞Uα2时，拒绝原假设，即趋势显著。而且，U＞0时序列呈上升趋势，U＜0时序列呈下降趋势。

3 结果与分析

3.1 降水量年际变化分析

漳河上游流域降水量年际变化大，最大、最小年降水量比值约为2.5。经统计分析，漳河流域多年平均（1954—2013年）年降水量为564.8 mm。1963年最大，年降水量869.2mm；1997年最小，年降水量347.7mm。

3.1.1 总体趋势分析

采用线性回归法粗略判断降水量年际变化趋势性，滑动平均法定性判断趋势性，Mann-Kendall秩次相关检验法定性且定量判断趋势性。

通过1954—2013年漳河上游流域年降水量变化过程线及其5年滑动平均过程线（如图2所示）及建立的线性回归方程可以判断，漳河上游流域降水量年际变化呈阶段性高低交错状态，但总体呈减少趋势，变化倾向率约为11.1 mm/10a。

采用Mann-Kendall秩次相关检验法对1954—2013年漳河上游流域年降水序列进行检验发现，Mann-Kendall统计量为-1.17，即统计量小于零，由此判断1954—2013年漳河上游流域年降水量总体呈减少趋势；由Mann-Kendall统计量绝对值小于信度为0.05水平的临界值（查表得U0.052=1.96）判断，1954—2013年漳河上游流域年降水量序列总体减少趋势并不显著。

图2 漳河上游流域年降水量及其5年滑动平均过程线

3.1.2 年代趋势分析

根据漳河上游流域1954—2013年降水量资料统计不同年代平均降水量，见表1，如图3所示。

表1 漳河上游流域各年代年降水量特征值统计

由表1和图3可知，漳河上游流域年降水量20世纪60—90年代呈下降趋势，70年代较60年代下降5.6%，80年代较70年代下降8.3%；80—90年代出现低谷；进入21世纪又呈上升趋势，21世纪较20世纪90年代上升9.5%。

图3 漳河上游流域各年代年降水量变化

图4为漳河上游流域各年代年降水量距平图。由图4可知，漳河上游流域年降水量的年代变幅在-7%～9%，20世纪70年代以前及21世纪以后高于多年平均值，20世纪80—90年代低于多年平均值。

图4 漳河上游流域各年代年降水量距平

3.2 降水量空间分布

漳河上游流域降水量空间分布不均，存在区域性降水集中明显现象（如图5所示）。流域中部为降水高值区，降水量在650 mm以上，最大降水量为719.0 mm；流域中北部的浊漳河北支和流域中南部浊漳河干流为降水量低值区，降水量在550 mm以下，最小降水量为446.2 mm；其他地区在550～650 mm。

图5 漳河上游流域（1954—2013年）多年平均年降水量等值线

3.3 降水的年内分配过程

根据流域年降水量年代分析结果，漳河上游流域降水量的年内分配按照1954—1979、1980—1999和2000—2013年3个阶段进行计算（如图6所示）。漳河上游流域各时期降水量年内分配特点基本一致：年内不均匀；降水主要集中在汛期（6—9月），1954—1979、1980—1999和2000—2013年汛期降水量占全年降水量的比例分别为75.1%、72.9%和74.0%；7月降水量全年最大，1954—1979、1980—1999和2000—2013年7月降水量占全年降水量的比例分别为29.0%、25.6%和26.6%，不同时期降水差异在7月最明显。