太子河流域降水时空变化特征分析

2020-02-13冯夏清

水利技术监督 2020年1期

冯夏清

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110003)

近年来，随着全球变暖加剧，气候变化对径流影响的研究受到广泛关注。降水是影响河川径流的重要气候因子，国内众多学者对降水变化特征进行了大量研究。时光训等[1]分析了1970—2014年长江流域主要的极端降水指标的趋势变化特征和空间变化特征，结果显示强降水呈增加趋势，弱降水变化不显著，降水过程不稳定。陆志华等[2]利用松花江流域35个气象站1960—2010年的降水资料，分析了流域年降水和四季降水的时空变化特征，结果表明51年来流域大部分地区年降水呈不显著减少趋势。春季降水呈不显著增加趋势，夏秋季呈不显著减少趋势，冬季呈显著增加趋势。柴小军和齐广平[3]分析了黑河流域中上游张掖市气温和降水变化特征，结果表明近50年来张掖市年平均气温及降水呈现增加趋势。王晓霞等[4]研究了海河流域降水量长期变化趋势的时空分布特征，结果表明海河流域年降水量和夏秋季降水量均出现明显的下降趋势，同时降水时空分布不均。刘佳[5]分析了浑河中上游近60年降水和径流变化特征，结果表明浑河中上游水文气象要素总体变化较为平稳，突变特征减弱。

太子河是辽宁省东南部较大河流，是辽宁省中部城市群的重要水源，大气降水是河流径流的主要补给源，流域水资源受大气降水影响明显。目前关于太子河流域水资源方面的研究，主要集中于水资源承载能力[6- 7]、水质与水生态[8- 10]等方面的研究，对流域的降水变化特征研究较少，比如单站降水特征研究[11- 12]及降水对流域水资源的影响研究[13]等。本文选用太子河流域28个雨量站1967—2016年的降水数据，采用Kendall秩次相关检验法分析年降水和四季降水的时间变化特征，利用克里金空间插值法分析流域内降水的空间变化特征，研究结果有利于更好地了解流域降水特征，对整个流域径流特征分析和水资源评价的研究有重要意义。

1 太子河流域概况

太子河发源于辽宁省抚顺市新宾满族自治县平顶山镇红石砬子，流经抚顺市、本溪市、丹东市、辽阳市、沈阳市和鞍山市6市22个县区，在三岔河与浑河汇合称为大辽河，太子河干流全长413km，流域面积13883km2，主要支流有南沙河、海城河、细河、南太子河、汤河等23条。太子河流域上游地区主要为山丘区，植被良好，森林覆盖率高，土壤侵蚀微弱，这些森林资源对于防止水土流失、保护生态环境起着非常重要的作用。流域中下游地处平原区，沿线有沈阳、抚顺、本溪、辽阳等重要经济城市，区域经济发达，土地开发利用率高。该流域位于暖温带湿润半湿润气候区，冬季多西北风，夏季多东南风，多年平均气温为6.2℃，年内温差较大。降水量较为丰沛，年均降水量600～1000mm，降水年际变化大，年内分配不均匀，多集中在6—9月，多年平均蒸发量1100～1600mm。

2 资料与方法

2.1 数据来源

选用太子河流域内资料相对完整、空间代表性强的28个雨量站1967—2016年历年逐月降水资料，降水数据来源于历年辽河流域水文资料第3册。太子河流域雨量站点分布情况如图1所示。

2.2 Kendall秩次相关检验法

Kendall秩次相关检验法[14]，原理如下：

式中，Zc—秩次相关系数；p—径流系列所有对偶观测值(Ri，Rj，i

在Kendall秩次检验中，Zc>0表明该序列呈上升趋势，Zc<0表明该统计序列呈下降趋势。若统计量│Zc│≤Z(1-α/2)，则认为该统计序列趋势变化不显著；若│Zc│>Z(1-α/2)，则认为该统计序列趋势变化显著，α代表显著性水平。

2.3 克里金(Kriging)空间插值法

对于变量Z(x)，假设采样点x1，x2，…，xn的观测值为Z(x1)，Z(x2)，…Z(xn)。某未知点xn的估计值Z(x0)可用一个线性组合来估计，即：

式中，λi—加权系数；Z(x0)—未知点的值；Z(xi)—在已知点的值。

3 结果分析

3.1 时间特征分析

太子河流域年降水量和四季降水量变化过程如图2虚线所示。图2粗实线为对年际变化误差进行了消除处理后的5年滑动平均值。本文运用Kendall秩次相关检验法，对该流域年降水量和四季降水量的变化趋势进行分析，结果见表1。

表1 太子河流域年降水量、四季降水量变化趋势分析结果

从年降水量的变化过程可以看出，太子河流域降水量年际波动幅度不大。1967—2016年太子河流域多年平均降水量为761.8mm，最大年降水量为2010年的1215.5mm，最小的年降水量为2014年的501.9mm，最大年降水量与最小年降水量的比值为2.42，年降水量变差系数Cv为0.19。从趋势变化分析结果来看，20世纪80—90年代以及2010年以后波动较大，年降水量在近50a总体呈极其微弱的下降趋势，结果同其他学者的对太子河降水演变[11- 13]的下降趋势一致。

图1 太子河流域雨量站点分布图

图2 太子河流域年降水量、四季降水量变化曲线

从四季降水量的变化过程可以看出，春季降水量主要在平均值120mm左右平稳变化，变化幅度不大；夏季降水量的变化过程和年降水量变化过程相似；秋季降水量高于春季降水量，总体上呈下降趋势，20世纪70年代—90年代大幅度减少，2000年之后又开始增加；冬季降水量总体上呈上升趋势。

由表1统计数据可见，年降水量、四季降水量均未通过90%显著性水平下的Kendall趋势检验，但其年降水量、春季降水量和秋季降水量统计值为负值，表明年降水量、春季和秋季降水量的下降趋势为不显著，而夏季和冬季降水量的变化呈现不显著的上升趋势。

3.2 空间变化特征

根据太子河流域28个雨量站1967—2016年的降水数据，在Arcgis10.2环境下利用克里金空间插值法对整个流域进行空间插值处理，生成流域年降水量和四季降水量的空间分布如图3所示。

从多年平均降水量的空间分布来看，太子河流域多年平均降水量由北向南递增，由西向东递增，流域中部有个低值区。东南部的多年平均降水量都在800mm以上，西北部的年降水量在700mm以下，其中南孤山站多年平均降水量最大，为937.5mm；最小的是小林子站，为651.7mm。四季降水的空间分布与多年平均降水量的空间变化大致相同，呈现东南多西北少的特征。尤其是夏季降水的空间分布与多年平均降水量的空间分布相似度更高，这是由于夏季降水量占全年降水的比重大。除小林子站之外，所有站夏季降水量都在400mm以上，雨量充沛。春季和秋季降水量都在150mm以下，冬季降水量最小，整个流域冬季降水量不足40mm，呈现干燥状态。