1961—2018年四子王旗旱涝特征及其变化规律分析

2020-01-09

水资源开发与管理 2019年12期

(内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗水利局，内蒙古乌兰察布 011800)

全球气候的改变，也在潜移默化地影响着区域水文循环的变化，其中一个最主要的表现就是降水的时空分布变化，而降水的季节变化以及空间分布的不均匀性会直接造成区域极端旱涝灾害，在国内流域尺度上降水的时空变化正逐渐受到重视[1-3]。本文研究的区域四子王旗地处大青山北麓，内蒙古高原中部，地形从南至北由阴山山脉北缘、乌兰察布丘陵和蒙古高原3个部分组成，其中：山地占4.1%，丘陵占56.1%，高原占39.8%，统观地形趋势东南高而西北低。该地区降水量虽然不大，但由于境内地形复杂，由暴雨引发的局部洪涝灾害较多。因此研究该区域的降水量及相关气象要素的时空变化规律对当地基础建设及农畜牧业发展具有非常重要的意义[4-5]。

1 研究区概况

四子王旗在内蒙古自治区中部，西与包头市的达茂旗接壤，东与乌兰察布市察中中旗、察右后旗交界，北与蒙古国相连，南与呼和浩特市武川县毗邻，国境线全长104km，总面积24016km2。地区多年平均24h最大降雨量在35～40mm之间，暴雨出现在6—9月，多集中在7月、8月，多为局部雷阵雨，形成暴雨的天气系统多为冷暖切变线，暴雨特点是突发性强、笼罩面积小、强度大而历时短，由暴雨形成的洪水，一般多出现在7月、8月。

2 资料与方法

2.1 资料

本文采用的数据包括四子王旗及其周边4个国家基准、基本气象站(四子王、达茂旗、呼和浩特和集宁)1961—2018年逐月降水实测资料，运用算术平均构建该流域季、年平均降水量时间序列，对该区域降水分布特征与旱涝灾害变化趋势进行分析。数据来源均为中国气象局国家气象信息中心。

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall方法是一种非参数统计检验方法，用于预测各种气象要素(如温度、降水和气压等)的时间序列数据的长期趋势。变量不一定具有正态分布特征，少数异常值不会影响它们，因此它们可以应用于非正态分布的趋势分析，如水文变量和气象要素的趋势分析。其计算过程简单，检测范围宽，干扰度小，定量程度高[6]。

2.2.2 降水量距平百分率(Pa)

降水量距平百分率(Pa)反映的是某时段内的降水同平均状态的偏离程度[7]，依据其数值可划分旱涝等级，见表1。其计算公式为

(1)

表1 降水量距平百分率Pa等级划分

3 降水量时间变化特征分析

3.1 降水量年际变化特征

图1 四子王旗年均降水量变化特征

四子王旗1961—2018年平均降水量为334.4mm，年平均降水量呈缓慢增加的趋势，趋势方程为y=0.2187x+328.05，平均年降水量以0.2187mm/a的速率增加，58年内增加了12.68mm，增加趋势不显著。该地区年均降水量年际变化较大，年降水量的最大值出现在2003年，降水量为532.8mm，降水量最小值出现在1965年，降水量为161.7mm，两者相差371.1mm。从四子王旗年均降水量变化的5年滑动平均曲线(见图1)可以看出，1961—1981年年平均降水量波动幅度较大且呈缓慢上升趋势，1982—2001年年平均降水量波动较小，2002—2018年年平均降水量波动幅度较大且呈减小趋势。

图2 四子王旗年均降水量距平百分率

图2为四子王旗1961—2018年年均降水量距平百分率，58年间年降水距平百分率正负相间，且大部分在-50%～50%之间。由表2可知四子王旗降水整体处于正常水平，其中距平百分率最接近50%的年份，即降水偏涝的年份为1961年、1976年、2003年和2012年，对应的距平百分率分别为49.86%、46.73%、70.33%和44.66%，其中2003年为大涝，降水量达到了532.8mm。距平百分率最接近-50%的年份，即降水偏旱的年份为1965年，对应的距平百分率为-48.31%，降水量为161.7mm。整体来看，1961—1981年以及2002—2018年降水量偏多和偏少交替出现，且整体偏涝，1982—2001年降水量基本正常。

表2 四子王旗不同时间尺度降水量特征值统计

3.2 降水量季节变化特征

为进一步分析年内不同时间段降水量的变化趋势，将整个研究时段分为春、夏、秋、冬4个季节进行分析，见图3。

图3 四子王旗不同季节降水量变化特征

由表2可知，四季的降水变化倾向率只有夏季为负值，其余三季均为正值，说明夏季降水量呈缓慢下降趋势，而其他三季降水量则呈缓慢增加趋势，从四子王旗各季节平均降水量变化的5年滑动曲线可以看出，流域各季节平均降水量具有不同的阶段性变化特征。图3(a)为春季降水变化特征图，从图中降水量变化的5年滑动曲线可以看出，1961—1991年降水量波动较小，1992—2018年降水量波动较大，并且在后段时间出现了降水的最大最小值交替，最大季节降水量出现在2003年，为127.6mm，最小季节降水量出现在1993年，为11.7mm，所以春季降水最大振幅为115.9mm。图3(b)为夏季降水变化特征图，从图中降水量变化的5年滑动曲线可以看出，1961—1981年以及2002—2018年降水量波动较大，并且在这两段时间出现了多次降水的枯丰交替，1982—2001年降水量波动较小，降水量偏少，整体为下降趋势。图3(c)为秋季降水变化特征图，从图中降水量变化的5年滑动曲线可以看出，在整个时间段内降水的波动幅度比较大，在1961—1986年有一个较大的振幅，为先增大后减小的趋势， 1987年以后降水量有回升迹象，且整体为上升趋势。图3(d)为冬季降水变化特征图，从图中降水量变化的5年滑动曲线可以看出，降水量整体呈较平稳的变化状态，总体来说降水量偏少，且为缓慢上升趋势。

3.3 降水量季节变化Mann-Kendall检验

对1961—2018年春、夏、秋、冬四季降水量进行Mann-Kendall非参数统计检测，结果见图4。在置信水平0.05的基础上，四季降水量的UF和UB曲线存在多个交点，所有的交点都在置信区间内，表明降水存在多个突变点，振荡剧烈。

图4 四子王旗近不同季节降水量突变检验

图4(a)为四子王旗近58年春季降水量突变情况，从图中可以看出，整个时间域内共有12个交点，并且大多集中在1985年过后，说明在1985—2018年的时间段里降水量振荡较为剧烈；从整个时间段来看存在3个影响较大的突变点，分别在1965年、1993年和1998年，其中1965年和1993年降水量由多向少转变，1998年为降水量由少向多转变。图4(b)为四子王旗近58年夏季降水量突变情况，从图中可以看出，整个时间域内共有7个交点，全部集中在1998年之前，在1961—1998年之间降水量发生多次枯-丰交替，但是每次枯水年或者丰水年持续时间都不长；1998年降水由多向少转变，并且持续时间较长，对整个降水事件影响最大。图4(c)为四子王旗近58年秋季降水量突变情况，从图中可以看出，整个时间域内共有3个交点，说明在整个时间段内秋季降水较为平缓，振荡较小；1974年降水量由多向少转变，并且持续时间较长，2010年降水由少向多转变，降水量逐渐增多。图4(d)为四子王旗近58年冬季降水量突变情况，从图中可以看出，整个时间域内共有5个交点，全部集中在1986年之后，在1997年降水量由少向多转变，对整个时间段的影响最深。