黑龙江省汤旺河流域水文气象要素分析

宋俊博,刘军涛,王 炎,陈 彬

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

气候变化一直以来都是人们关注的焦点，它与人类的生活息息相关，正确评价气候变化下区域水资源状况是实现人类社会和自然生态可持续发展的基础。汤旺河流域地势多为低山丘陵相间的山地，属小兴安岭山系，高纬度、多山区林地的条件对该区域的气候形成有较大影响。李金楠[1]通过研究得出汤旺河流域多受厄尔尼诺和拉尼娜等天气影响，当受拉尼娜气候影响时，南旱北涝，汤旺河流域源头受降雨影响较大；当受厄尔尼诺气候影响时，北旱南涝，汤旺河流域下游受降水天气影响较大。杨婧[2]通过对流域内河川基流量进行分析计算，提出了计算汤旺河基流量的简化方法和使用条件。刘慧娟等[3]分析了该流域的输沙量特征，为合理开发利用其水土资源提供依据。研究成果对汤旺河流域水资源适用性调控、生态系统保护和流域内水文预报工作等具有重要指导意义。

1 研究区概况

汤旺河是黑龙江水系松花江下游的一条主要支流，发源于黑龙江省伊春市西北部的小兴安岭丘陵地区，是典型的山溪性森林流域。流域平均海拔500 m，地势北高南低。地形较为复杂，水系呈树枝状，上游山势缓和，河谷宽广，多山间盆地，沿河沼泽发育，地貌类型为低山、丘陵、谷地，是我国的主要林区之一[4]。汤旺河流域共有600多条大小支流、沟溪，集水面积超过1000 km2的就有6条。河流由北向南横穿伊春市，最终在佳木斯汤原县汇入松花江。

汤旺河流域处于亚寒带大陆性季风气候区，春秋两季的时间较短，春季降雨较少、风比较大且气温回升较快。多年平均气温约为1 ℃，年降雨量约为610 mm，年内降水集中在6—9月，河流补给以融雪、降雨为主。流域地处小兴安岭腹地，林地面积大，对地面气温和湿度有一定的调节作用，蒸发量较小，且受季节影响明显，多年平均蒸发量为510 mm。汤旺河河道全长509 km，流域面积20 838 km2，多年平均径流量55.2亿m3。

2 数据资料

本研究采用了伊春气象站共59 a(1956—2014年)的逐日气象资料，包括逐日降水、平均气温、最高气温和最低气温；研究中还采用了汤旺河流域内五营、伊春、南岔和晨明等四个水文站共12 a(2001—2012年)的流量资料。伊春气象站的坐标为东经128°55′，北纬47°44′。

3 研究方法

(1)倾向率。设定某个气象要素的时间序列为z1、z2、…、zi、…zn，它可以用一个多项式来表示：

+pm·tm(m

(1)

式中：t为时间，a；pm为时间因数tm的系数。

(2)突变分析法。突变分析方法采用的是Mann-Kendall非参数统计检验，计算其均值E(Sk)和方差Var(Sk)，定义统计量：

(2)

(3)

式中：X1，X2，…，Xn为原始时间序列;mi表示第i个样本yi大于yj(1≤j≤i)的累积数;E(Sk)和Var(Sk)分别为序列X的均值和方差。

令UF1=0，按时间序列X顺序X1，X2，…，Xn计算出的统计量记为UFk，按时间序列X逆序Xn，Xn-1，…，X1计算出的统计量记为UBk。UBk与UFk呈标准正态分布，在给定的显著性水平α(一般取α=0.05，则U0.05=±1.96)下，绘制UBk与UFk的曲线，从而根据曲线可以分析序列X的突变情况。

(3)小波分析法。在实际应用中，经常将水文时间序列进行离散化，常取过程状态的总量、平均值或极值作为时间序列的值，如降水量、水位、径流量等[5]。

小波变换的离散形式：

(4)

小波方差的离散形式为：

(5)

式中:Var(a)为小波方差;N为年径流序列的长度;|Wf(a,xt)|2为尺度a、时间xt处小波系数的平方，对于复系数则是系数模的平方。

4 年际变化分析

4.1 趋势分析

伊春气象站59 a(1956—2014年)历年平均气温和降水量变化曲线见图1和图2。

图1 平均气温趋势图

图2 降水量趋势图

由图1可以看出，该气象站多年来的平均气温呈波动升高趋势，速率为0.35 ℃/10 a，而气温的增长趋势也明显分为两个阶段，1986年之前增速较快，速率为0.36 ℃/10 a，1986—2014年的气温增速则为0.06 ℃/10 a，基本趋于稳定。这与全球气温升高的趋势基本一致。2007年和2008年为平均气温最高的年份，达到2.8 ℃，最低气温为1969年的-1.1℃，多年平均气温为1.1 ℃。

由图2可以看出该站降水量多年来总体呈下降趋势，下降速率为2.3 mm/10 a，降水最大年份为1985年，当年降水量达到995.5 mm，而降水最小年份发生在2001年，当年的降水量421 mm，多年平均降水量为634.9 mm。

4.2 突变分析

采用M-K法对伊春气象站的历年平均气温和降水量进行突变分析，结果如图3和图4所示。

图3 平均气温MK统计量曲线

图4 年降水量MK统计量曲线

从平均气温的MK 统计曲线可以看出，曲线UF与曲线UB在1981年相交，并且交点位于95%的显著性水平临界线(±1.96)之间，因此认为该平均气温序列在1981年发生了突变，气温呈上升趋势，符合20世纪80年代全球气候变暖的趋势，并且UF曲线绝大多数值都大于0，其曲线已经超过正向临界线(+1.96)，说明多年气温的上升趋势显著(置信水平95%)。

从年降水的MK 统计曲线可以看出，曲线UF与曲线UB一共有两次相交，并且两个交点都位于95%的显著性水平临界线(±1.96)之间，因此认为该年降水序列共发生了两次突变，突变点分别是 1963年和2011年，虽然该序列呈下降趋势，但是UF曲线未超过负向临界线(-1.96)，说明年降水量的下降趋势不够显著(置信水平95%)。

4.3 周期分析

对伊春气象站历年平均气温和降水量进行Morlet小波分析，小波实部等值线图和小波方差曲线见图5～图8。

从平均气温的小波系数实部等值线图5可以看出，多年平均气温存在5～8 a、9～20 a、21～32 a左右的3类时间尺度的演变规律，在3类时间尺度上分别经历了14个、8个和4个低—高值时期交替变化的过程，在21～32 a尺度上，1956年之前和2014年之后虚线区域均未闭合，说明在该尺度下1956年之前和2014年之后的气温都属于低值，小波方差曲线图6中存在3个峰值，最大峰值对应着11 a左右的时间尺度，表明11 a左右的振荡周期最强，是该平均气温序列变化的第一主周期；第二大峰值为7 a左右时间尺度所对应的方差，为该平均气温序列变化的第二主周期；22 a左右的时间尺度对应着第三峰值，为该平均气温序列变化的第三主周期。

图5 平均气温小波实部等值线图

图6 平均气温小波方差曲线

图7 降水量小波实部等值线图

图8 降水量小波方差曲线

从降水量的小波系数实部等值线图7可以看出，多年降水量存在3～7 a、8～13 a、14～32 a左右的3类时间尺度的演变规律，在3类时间尺度上分别经历了19个、10个和6个高—低值时期交替变化的过程，在14～32 a的尺度下可以看出，1956年前虚线区域和2014年后实线区域都为闭合，表明在1956年之前可能为降水低值时期，2014年之后可能为高值时期。图8中小波方差曲线存在3个峰值、最大峰值对应着17 a左右的时间尺度，表明17 a左右的振荡周期最强，是该降水量序列变化的第一主周期；第二大峰值为10 a左右时间尺度所对应的方差，为该降水量序列变化的第二主周期；4 a左右的时间尺度对应着第三峰值，为该降水量序列变化的第三主周期。

5 年内变化分析

分析完各气象要素的年际变化后，接下来对气温和降水量的年内变化进行分析，伊春气象站多年平均气温以及降水量的年内变化曲线如图9和图10所示。

从图9可以看出，平均气温从10月开始就进入零下，最低达到1月份的-22.6 ℃，之后气温开始回升，4月份开始达到零上并且一直升高，最高气温出现在7月份，平均值达到20.8 ℃，之后呈现下降趋势。从变化过程线的趋势上可以知道平均最低气温和平均最高气温的年内变化趋势同平均气温是一致的。从图10可以看出，降水量年内分配存在丰、枯时期，6—9月为降水量丰沛的时期，该时期降水量占到全年总降水量的75.7%，其中7月份降水量最大，达到163.6 mm，8月份次之，为144.5 mm，从每年的10月到次年的5月为枯水时段，这也将影响汤旺河流域的径流变化过程。

汤旺河流域内四个水文站共12 a(2001—2012年)各月平均径流变化如图11所示。

图9 气温年内变化曲线

图10 降水量年内变化曲线

图11 各水文站径流过程年内分配

由图11可以看出，四个水文站年内径流过程变化趋势基本一致，每年的1—3月流量相对较小，这与流域内该时期的降水量少且气温低导致河流封冻有关，4、5月份，径流快速增长，虽然这段时期降水量有所增加但仍然较少，这个时期的径流增大主要是因为气温达到零上且持续升温，大量积雪融化汇入河道，6—8月降水量逐渐增大直接导致径流量增加，本研究中的四个站点，除了五营水文站的最大月平均流量出现在7月份外，其余三个水文站(晨明、南岔、伊春)的最大月平均流量都出现在8月份，而9月份径流量随着降水的减少也有所减少，10月份开始，各个地区气温逐渐达到零下，降水量减少，主要以降雪形式出现且形成积雪，河流开始封冻，河道流量迅速减小，一直到次年4月份气温回升。

6 结 论

本研究采用伊春气象站多年气象数据资料以及汤旺河流域内四个水文站径流资料进行分析。主要结论如下：

(1)多年平均气温以0.35 ℃/10 a的速率波动上升，且上升显著(95%置信水平)，1986年之后上升趋势减缓，速率为0.06 ℃/10 a，气温序列存在11 a左右的主周期。

(2)降水量以2.3 mm/10 a的速率波动减少，下降趋势不显著(95%置信水平)，存在17 a左右的主周期，降水序列存在两个突变点，分别是1963年和2011年，出现了三个多雨期和两个少雨期，多雨期为1956—1963年、1984—1991年和2009—2014年，少雨期为1964—1983年和1992—2007年。

(3)流域内每年10月—次年3月由于气温较低、河流封冻，导致径流量很小，4—5月气温逐渐升高，流域内积雪与河冰融化，致使径流快速增长，6—8月径流量随着降水量的增大而增大，9—10月降水量减少导致径流量随之减少。