嫩江流域降水特征时空分布分析

李鸿雁　杨巍　李峰平

摘要：基于嫩江流域17個气象站点1959—2010年逐日降水数据，选取降水量、降水日数和降水强度作为代表性指标，采用Mann－Kendall趋势检验法和线性回归法系统研究了嫩江流域降水的时空变化特征。结果显示：近51年来，①嫩江流域平均年降水量、夏季和秋季降水量分别以6mm／（10a）、4mm／（10a）和5 mm／（10a）的速率呈下降趋势，而春、冬两季降水量分别以2mm／（10a）和1mm／（10a）的速率增加;空间上，年降水量和季节降水量在流域上游多于下游。②嫩江流域平均年、夏季和秋季降水日数分别以1.5d／（10a）、1.1d／（10a）和1.2d／（10a）的速率下降，且上游下降较明显;春、冬两季降水日数则以0.1d／（10a）、0.7d／（10a）的速率呈增加趋势，且中游增加趋势明显;流域降水日数在年和季节尺度上均表现出上游多于下游的空间特征。③嫩江流域平均年降水强度、夏季和秋季降水强度分别以-0.018mm／（d·10a），-0.007mm／（d·10a）和-0.105mm／（d·10a）下降，而春、冬两季降水强度分别以0.051mm／（d·10a）和0.047mm／（d·10a）上升;空间上，年和春、夏、冬3个季节降水强度表现为流域上游弱于下游，而秋季降水强度在嫩江中游干流附近较大，其他地区降水强度较小。结果表明，在全球气候变化下，嫩江流域年和季节的降水特征在1959—2010年间均有不同程度改变，并呈现出明显的空间分布特征。

关键词：嫩江流域;降水量;降水日数;降水强度;降水特征

中图分类号：P467

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－013

The spatiotemporal distribution of precipitationcharacteristics in Nenjiang River Basin

LI Hongyan， YANG Wei， LI Fengping

Abstract： Based on the daily precipitation data of 17 meteorological sites in the Nenjiang River Basin from 1959 to 2010， precipitation amount，  precipitation days and precipitation intensity were selected as representative indicators， and the spatial and temporal change characteristics of precipitation in Nenjiang Basin were studied by Mann－Kendall trend test and linear regression method.The results show that， for nearly 51 years： ①The average annual precipitation in the Nenjiang Basin， the precipitation in summer and autumn decreased at the rate of 6mm／（10a）， 4mm／（10a） and 5 mm／（10a）， respectively， while the precipitation in spring and winter increased at a rate of 2mm／（10a） and 1mm／（10a）; spatially， annual and seasonal precipitation in the  upstream is more than downstream. ② The average annual， summer and autumn precipitation days in the Nenjiang Basin decreased at a rate of 1.5d／（10a）， 1.1d／（10a） and 1.2d／（10a） respectively， and the  decrease  in the upstream was more obvious; the number of days of precipitation in the basin showed the spatial characteristics that is more in upstream  than downstream on the year and seasonal scale. ③ The average annual precipitation intensity， summer and autumn precipitation intensity in the Nenjiang Basin decreased by -0.018mm／（d.10a），-0.007mm／（d.10a） and-0.105mm／（d.10a）， while the inereasing rate precipitation intensity in the spring and winter seasons was 0.051mm／d.10a and 0.047mm／da.Precipitation intensity of spring， summer and winter is shown to be weaker in the upper reaches of the basin than downstream， while the precipitation intensity in autumn is larger near the main stream in the middle of the Nenjiang River.The results show that under global climate change， the annual and seasonal precipitation characteristics in the Nenjiang River Basin during 1959—2010 have changed in different degrees， and exhibit obvious spatial distribution characteristics.

Key words： Nenjiang River Basin; precipitation amount; precipitation days; precipitation intensity; precipitation characteristics

降水是最重要的水文气象要素之一，同时也是全球水循环的关键组成部分［1］，也是最为活跃的要素。20世纪以来，全球平均气温明显升高［2-3］，严重影响全球和区域水文循环［4-6］，加剧了降水的时空分布差异性［7-8］。研究发现，近半个世纪我国平均年降水量呈现出比较明显的年代和多年代尺度波动［9-13］。降水的趋势性变化将对区域生态系统状况、河流、湖泊等水文过程产生深刻影响［14-15］。因此，变化环境下降水时空变化研究引起了气象、水文、生态等领域的高度关注。

嫩江流域地处我国东北中高纬度地区，对全球变化具有高度的敏感性［16-17］。近年来，许多学者围绕东北地区降水变化情况进行研究，并取得了较大进展。唐蕴等［18］对东北地区1951—2000年间降水的时空分异特征进行了分析，得出东北地区降水整体上呈现下降趋势，且具有明显的周期性;陆志华等［19］分析了松花江流域1960—2010年的年降水和四季降水的时空变化特征;缪驰远等［20］对嫩江、哈尔滨两地48年的夏季降雨量多时间尺度变化特征进行了研究。目前，针对东北地区降水的研究大多侧重于对降水量的分析，而对降水日数、降水强度等降水特征指标的分析相对较少。因此，本文选取东北重要的粮食和湿地分布区嫩江流域为研究区，从降水量、降水日数和降水强度3个方面分析流域降水特征，进一步明确嫩江流域四季降水的时空分异规律，从而为流域农业生产、生态环境决策及水资源管理提供科学参考［21］。

1 研究区概况

嫩江流域位于119°15′～127°40′E 和44°26′～51°37′N，发源于大兴安岭的伊勒呼里山南麓，由北向南流经嫩江、鄂伦春、讷河等多个县（市、旗），在三岔河口处汇入松花江干流，全长1 370 km，流域面积29.7万km2。 本文以吉林省扶余县三岔河口以上汇水区为研究区， 如图1所示。 嫩江流域地处东亚季风区的北部边缘， 属于寒温带半湿润大陆性气候。 冬季长且寒冷， 夏季期短且多雨， 年平均气温1～4℃， 历史最低气温-39.5℃， 最高气温则达到40.1℃。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

本研究选取嫩江流域17个气象站1959年4月—2012年3月的逐日降水数据（图1），数据来源于国家气象中心中国气象数据网（http：／／data.cma.cn／）。为了了解嫩江降水的季节特征，本研究根据嫩江流域气候地理位置条件，将一年划分为四个季节：春季（4～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～10月）和冬季（11月次年3月）［19，22］。与之对应，年降水量、降水日数、降水强度的水文年度，即计算时段为当年4月翌年3月。

本研究采用泰森多边形法计算流域平均降水数据，同时，采用克里金法进行插值分析降水的空间分布特征。

2.2 研究方法

本文分别选取Mann－Kendall检验法和回归直线法分析嫩江流域的降水时程变化趋势和降水参数的变化率。

1）Mann－Kendall趋势检验

秩次相关检验是一种非參数统计检验方法，与参数统计检验法相比，该方法不需要样本已知确定的分布，也不受少数异常值的干扰，能够准确地检验序列的变化趋势，并且计算比较简单，是目前比较常用的趋势诊断方法。

式中，t为“结”的宽度，∑表示所有的“结”的总数。

当|Zc|>Z（1-α／2）时，样本序列在α显著水平下存在显著变化趋势，其中，Z（1-α／2）是标准正态分布中值为概论为1-α／2时对应的统计值，Z>0表明序列存在上升趋势，Z<0则表明下降趋势。

2）线性回归法

线性回归方程是根据样本资料通过回归分析所得到的反映一个变量（因变量）对另一个或一组变量（自变量）的拟合关系的数学表达式，即指在一组具有相关关系的变量样本（x与y）间，一条最好地反映x与y之间映射关系的直线。

其中，为气象要素的拟合值，x为年份序列号，和分别为气象要素和年份序列的平均值;回归系数的符号表示降水的趋势倾向，若大于（小于0），说明随时间x的增加y呈上升趋势（下降趋势），称为年际变化幅度（气候变化率）。

3 结果与分析

3.1 嫩江流域降水量时空变化特征

3.1.1 时程趋势性分析 嫩江流域近51年来年降水量情况如图2和表1所示，年降水量在300～760mm之间变化，整体呈现下降趋势。从不同季节上看，夏季降水量占据年降水量的大部分，春、冬两个季节的降雨量呈现上升趋势;而夏、秋两个季节的降水量呈现下降趋势。Mann－Kendall检验结果表明，年、春季、夏季的降水量变化趋势不显著，而秋冬季节降水量的变化趋势显著。

3.1.2 空间分布特征分析 图3和图4分别为嫩江流域降水量和降水量变化率的空间分布情况，可以看出，嫩江流域中游年降水量最大，最大降水量出现在北安站，年降水量为525mm，下游年降水量明显减少，最小降水量出现在通榆，年降水量为382mm（图3）;大部分地区年降水量呈现下降趋势（图4），其中，流域下游白城站下降幅度最大，线性倾斜率大约为-22mm／（10 a）;部分地区呈现缓慢上升趋势，其中，克山站上升幅度最大，其线性倾斜率为6mm／（10a）。

嫩江流域春季降水量最大地点在北安站附近，多年平均春季降水量大约为62mm，下游处降水量最小，约为38mm;流域内春季降水量除明水外，都呈现出上升趋势，其中，扎兰屯的降水量上升幅度最大，为5.8mm／（10 a）。

夏季降水量在流域中游两岸支流的博克图、扎兰屯、小二沟附近和克山、北安、明水附近较多，最大降水量为360mm，而在下游通榆、泰来附近的降水量较少，最小降水量为280mm;由图4可以看出流域内大部分地区夏季降水量呈下降趋势，而明水、克山附近少部分地区降水量呈现上升趋势，以明水站上升趋势最大（6.6mm／（10a））。

空间上，秋季降水量在上游地区较大，下游较少（图3）。各站点中北安秋季降水量最大，为83mm，而最小降水量出现在通榆，为44mm;流域内秋季降水量均呈现下降趋势，其中北安的降水量的减小趋势最大，为-9.5mm／（10a）。

冬季降水量在流域上游明显多于下游，最大降水量出现在嫩江站，降水量为28mm，而最小降水量出现在通榆，降水量为11mm;整体上，冬季降水量均呈现上升趋势，中上游站点的上升趋势最为明显，其中扎兰屯站线性倾斜率最大，为3.0mm／（10a）。

3.2 嫩江流域降水日数时空变化特征

3.2.1 时程趋势性分析 嫩江流域近51年来年降水日数变化情况如图5和表2所示，年降水日数在一定范围内波动，但整体呈现下降趋势。从不同季节上看，一年中的降水日数多集中于夏季，而春、秋、冬3个季节的降水总日数相近，春、冬两个季节的降雨日数呈现上升趋势;而夏、秋两个季节的降水日数呈现下降趋势。Mann－Kendall方法检验结果表明夏季和秋季降水日数变化趋势显著，年、春季、冬季的降水日数变化趋势不显著。

3.2.2 空间分布特征分析 嫩江流域年降水日数空间变化如图6所示，可以看出多年平均状况下，嫩江流域年降水日数上游要多于下游，尤其在博克图、小二沟、嫩江、北安附近居多，最大平均年降水日数可达110d;降水日数较少的地方集中在白城、通榆附近，最少的降水日数出现在通榆，为65d;年降水日数变化趋势如图7所示，多数地区的年降水日数均呈现减少的趋势，减少的趋势最大的站点为小二沟，线性倾斜率为-4.8d／（10a），只有扎兰屯和齐齐哈尔呈现微弱的增加趋势，线性倾斜率分别为0.7d／（10a）、0.8d／（10a）。

与年降水日数相似，春季降水日数最大值集中在博克图、小二沟、嫩江、北安附近，约为17d，降水日数最小值出现在通榆附近，多年平均春季降水日数为11d;大部分地区春季降水日数呈现增加趋势，其中安达的增加趋势最大，为0.7 d／（10a），而在小二沟附近和通榆、乾安、长岭附近呈现微弱的减少趋势，其中，乾安站减小趋势最大，为-0.4 d／（10a）。

夏季降水日数在博克图、小二沟附近较多，最多的降水日数为49d，通榆附近降水日数最小，为10d;如图7所示，流域内夏季降水日数均呈现减少的趋势，小二沟附近降水日数变化率最大，为-3.2d／（10a），中下游地区降水日数变化趋势较为平缓。

秋季降水日数较多的地区在博克图、小二沟、嫩江、北安处附近，降水日数最多为17.7d，降水日数最少的地点在白城、通榆、乌兰浩特附近，最小降水日数为11.1d;而嫩江流域秋季降水日数均呈现减少趋势，且上游的趋势明显大于下游;与夏季相似，小二沟附近的降水日数变化最大，为-2.1d／（10a），而降水日数变化较小的区域在索伦，变化率为-0.7d／（10a）。

冬季降水日数与秋季降水日数具有相似的空间分布特征，嫩江站冬季降水日数最多，可达28d，白城、通榆附近降水日数较少，最小降水日数为11.1d;流域内冬季降水日数大多呈现增加趋势，在齐齐哈尔附近增加趋势变化最大，变化率为2.3 d／（10a），只有北安、博克图和嫩江三个站点的降水日数呈现不明显的下降趋势，斜率为-0.4d／（10a）。

3.3 嫩江流域降水强度时空变化特征

3.3.1 时程趋势性分析 降水强度是指单位时间内的降水量。本文以年（季节）降水量除以年（季节）降水日数，获取研究期（1959—2010年）内嫩江流域年（季节）降水强度。图8为嫩江流域年和季节降水强度年际变化曲线，可以看出51年来嫩江流域年降水强度呈现缓慢的下降趋势;从不同季节上看，春、夏、秋、冬四个季节的降水强度差距较大，其中夏天的降水强度要远远大于其他季节，春秋降水强度相似，而冬季的降水强度最弱，夏季和秋季降水强度呈现微弱的下降趋势，而春季和冬季降水强度则呈现缓慢的上升趋势。Mann－Kendall检验结果表明年、春季、夏季、秋季的降水强度变化趋势不显著，而冬季的变化趋势显著。

3.3.2 空间分布特征分析 嫩江流域降水强度及其变化率空间分布如图9和圖10所示。 由图9可以看出嫩江流域上游的多年平均降水强度低于下游， 其中博克图的年降水强度最小， 为4.3mm／d， 而通榆的降水强度最大， 为5.8 mm／d; 嫩江流域年降水强度上游大多呈现微弱的上升趋势， 而下游呈现微弱的下降趋势， 变化趋势在-0.2～0.22 mm／（d·10a）范围内浮动。

流域内除博克图站以外其他地区春季降水强度在3.0 mm／d以上， 其中通榆春季降水强度最大， 为3.9 mm／d; 多数地区春季降水强度呈现上升趋势， 上升趋势最大的点为乌兰浩特， 上升率为0.3 mm／（d·10 a），而在索伦附近、 明水附近呈现下降趋势， 最大的下降率为-0.16mm／（d·10a）。

嫩江流域夏季降水强度的空间变化和春季降水强度相似， 且分别在通榆和博克图表现为最大和最小值， 分别为8.6 mm／d和6.7 mm／d; 而变化趋势与春季降水强度截然不同， 夏季降水强度在小二沟、 富裕、 明水一带增加趋势最为显著， 最大增加率为0.5 mm／（d·10a）， 在索伦、 白城等少数地方呈现微弱的下降趋势， 最大的下降率为-0.3 mm／（d·10a）。

从图9中可以看出秋季降水强度在北安、富裕附近较大，最大值为4.7mm／d，最小值在博克图附近，降水强度为3.6 mm／d;如图10所示，大多数地区秋季降水强度呈现下降趋势，下降的最大斜率为-0.4 mm／（d·10a），只有在小二沟附近和通榆附近呈现上升趋势，最大倾斜率为0.3mm／（d·10a）。

嫩江流域冬季降水强度在0.7～1.3mm／d之间，且上游要略低于下游，降水强度最大值出现在长岭附近，而降水强度最小值在博克图附近;流域内冬季降水强度均呈增加趋势，变化率在0.001 7～0.014 5 mm／（d·10a）之间，相比而言，右岸增加趋势较左岸明显。

4 结 语

本文对1959—2010年嫩江流域降水量、降水日数、降水强度进行了系统地分析，结果表明，嫩江流域的降水情况具有明显的时空分异特征，通过本文的定量计算与分析，可以得出以下结论：

1）近51年来，嫩江流域平均年降水强度、夏季、秋季降水量呈下降趋势，而春、冬两季降水量呈现上升趋势;空间上，嫩江流域年降水量和季节降水量从上游到下游逐渐减少;整体上，流域下游年降水量和夏季降水量下降趋势较大，而秋季降水量在流域中游下降趋势较大，春、冬两个季节降水量增加速率的最大值都出现在嫩江中游右岸。

2）嫩江流域平均年、夏季和秋季降水日数大多呈现下降趋势，而春、冬两季的降水日数呈现上升趋势;空间上，嫩江流域降水日数在年和季节尺度上均表现出上游多于下游的空间特征;年、夏季、秋季降水日数在中下游的减小趋势较小，而上游的变化趋势较大;春、冬两季的降水日数变化都在中游呈现最大的上升趋势。

3）嫩江流域平均年降水强度、夏季、秋季降水强度近51年来呈下降趋势，而春、冬两季的降水强度呈现上升趋势;年和春、夏、冬3个季节降水强度在流域上游低于下游，中上游的降水强度最小，而秋季的降水强度在嫩江中游干流附近较大;整体上，流域年和夏、秋两季降水强度下降趋势最大的点都位于下游，而在中上游均呈现微弱的上升趋势，春、冬两个季节上升趋势较大的地点则都位于下游附近。

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（编 辑 亢小玉）

收稿日期：2020－01－14

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（41701020）；吉林省科技发展计划项目（20170520086JH）

作者简介：李鸿雁， 女，内蒙古通辽人，教授， 博士，  从事流域中长期径流预报研究。

通信作者：李峰平， 女， 内蒙古扎兰屯人， 讲师，博士，从事水文水资源方面的研究。