1968—2017年石羊河流域降水演变特征及趋势分析

宁学鹏

(甘肃省武威水文水资源勘测局，甘肃 武威 733000)

1 研究背景

目前，我国中西部地区气候干旱、蒸发量大、降水量少、时空分布不均已成为普遍存在的问题。近年来，人们对降水变化的统计分析进行了研究，降水的变化特征和趋势及其对经济和社会的影响已成为世界各国科学家广泛关注的问题。降水也是水循环中重要环节，而水文时间序列包括确定性部分和随机部分。研究水文时间序列趋势是揭示其内在规律的关键，具有重要意义。

石羊河流域位于甘肃省河西走廊的东段，兰州以北。它是中国这一地区最早被开发的盆地之一，被认为是中国西北地区被过度开发的内陆盆地之一。由于认识到流域水资源压力的不断增加和环境的不断恶化，该流域最近成为人们关注的焦点。为此，采用计算距平及累计距平、Mann-Kendall非参数检验法(简称M-K检验法)相结合的方法对石羊河流域1968—2017年的降水变化趋势进行具体分析进，以期探讨石羊河流域降水量变化的历史演变规律，为该流域地区的水文研究提供参考。

2 数据与方法

2.1 研究流域概况

石羊河流域全长达300km，流域总面积为4.16万 km2。

流域上、中、下游的气候特征差异显著。石羊河的源头发源于海拔2000～5000m的寒冷潮湿、半干旱的祁连山区，在武威盆地流入海拔1400～2000m的中游温带地段，然后在民勤盆地继续流入海拔1000～1400m的下游暖温带。夏季，流域常年干旱少雨、炎热，降雨集中在夏季；冬季，流域呈现极度干燥和寒冷的气候条件，风沙危害严重。流域内年均降水量变化十分显著，从上游至下游总体呈递减趋势，山区为200～700mm，武威盆地为150～300mm，民勤盆地不到100mm。相比之下，潜在的蒸发范围从山区的700mm到沙漠平原的2600mm以上，从上游至流域下游干旱程度愈显著。

2.2 数据来源及处理

本文为更加客观、科学地反映石羊河流域降水变化特征，既结合区域具体河流水系分布，又尽可能保证较长观测资料序列具有一致性，故选取研究流域内8个代表雨量站点1968—2017年逐日降水数据作为研究数据。利用这8个站点降水量资料计算石羊河流域面雨量，并分析其演变特征。流域概况及站点分布如图1所示。

图1 石羊河流域数字高程及雨量站点分布图

本次研究数据来源于中国气象网中地面气候资料日值数据集(包含全国824个气象站点数据)。为了方便数据分析计算，需进行数据预处理，利用Python在原数据文件中提取所需8个站点20-20时逐日降水数据序列，并对提取的流域气象资料缺测数据进行插补。

2.3 研究方法

在时间序列分析方面，采用滑动t平均法分析其变化规律，以10a滑动区间来统计计算流域内站点数据的日平均降水量、雨日平均降水量、月平均降水日数、最大日降水量等指标，通过距平累计法、M-K非参数检验法相结合的方法对石羊河流域降水变化趋势进行具体分析。在空间尺度分析方面，利用地理信息处理系统(Arcgis)，采用样条函数插值法进行空间插值，通过石羊河流域日平均降水量空间分布图来分析其降水空间分布特征。

滑动平均法是一种通过时间序列的平滑值来表达时间序列变化趋势的基础趋势拟合方法。时间序列数据在经过滑动平均计算后，消除时间序列数据的偶然突变值，使其显示出更加显著的变化趋势。

距平趋势分析法是利用曲线变化比较直观分析河流演变过程的科学方法。流域内的降水量变化特征也常利用年降水量的距平累积曲线来表征。

M-K非参数检验法是一种对于样本分布要求低且对少数异常值不敏感的非参数统计检验法。利用检验计算结果统计量Z值用来判断序列的变化趋势，Z>0表示序列呈增加趋势，Z<0表示序列呈减少趋势。若|Z|>= 1.64、1.96、2.58，则数据序列通过置信度为90、95%、99%的显著性水平检验。

样条函数空间插值法是一种主要基于最小曲率面的控制点进行拟合的数据处理方法。常用于水文气象数据的空间插值处理。

3 降水变化特征分析

3.1 降水空间分布特征

根据样条插值法所得雨季月平均降水量空间分布如图2所示，雨季流域降水量自西南向东北方向逐渐减少，即自上游向下游出现减少的趋势，降水集中于门源和乌鞘岭地区，武威、民勤地区降水量相对较少。

图2 石羊河流域6—7月份实测降水空间分布图

3.2 降水时间趋势变化

从1968—2017年石羊河流域武威站年降水量的10a滑动平均曲线如图3所示，可以看出，武威站雨季降水量有明显的上升趋势，雨季降水日则表现为下降趋势，说明更多的降水量集中到了较少的降水日数里，降水强度增大。由于文章篇幅问题，本文仅给出武威站10a滑动雨季降水变化趋势图，根据计算结果，民勤、门源、乌鞘岭和景泰四站点雨季降水量均呈现不显著的下降趋势，永昌、武威和西宁则表现为明显的上升趋势，且基本整个流域站点都呈现出下降趋势，说明石羊河流域雨季连续降雨日数呈现减少趋势，这在侧面也反映石羊河流域雨季降水强度有增大趋势。

图3 1968—2017年武威站10年滑动雨季降水变化趋势

根据石羊河流域乌鞘岭站的雨季降水量及降水日数距平趋势图，如图4所示，乌鞘岭站20世纪80年代及之前的雨季降水量及降水日数都处于正距平阶段，此时间段降水量值较多；20世纪80年代至21世纪初，处于负距平阶段，此时间段降水量较少。20世纪初至今，基本处于正距平阶段，说明站点实测降水量有上升趋势。研究区域内其他代表站点数据的距平趋势与乌鞘岭站类似，说明该流域降水量整体呈增长趋势。

图4 1968—2017年乌鞘岭雨季降水量及降水日数距平趋势

M-K趋势检验计算结果见表1，由表1可知， 1968—2017年石羊河流域内民勤、门源、景泰和靖远雨季多年平均降水量呈下降趋势，靖远站|Z|>1.96，呈显著下降；永昌、武威、乌鞘岭和西宁雨季多年平均降水量呈上升趋势，靖远站|Z|>1.96，呈显著上升。同时，武威、民勤、门源、景泰和靖远站的雨季降水日数的|Z|>1.96，故呈现显著下降趋势。综合分析，石羊河流域内大部分地区降水更加集中，增加了洪涝干旱风险。

表1 M-K趋势检验计算结果(Z值)

4 结论与讨论

本文分析了石羊河流域的降水趋势和变化特征，有利于了解该地区年降水量序列的总体变化趋势及其雨季降水分布特征和变化规律，为该流域的中长期水文变化趋势估算和预报提供可靠的依据。依据1968—2017年石羊河流域日降水数据，流域降水分布特征及变化趋势有以下特点：

(1)从石羊河流域降水空间分布情况可以发现，流域面上降水自上游至下游呈减少，雨量主要集中在门源及乌鞘岭，武威、民勤地区相对较少，呈现出自西南方向向东北逐渐减少的变化趋势。

(2)根据石羊河流域降水时间序列分布情况显示各站点变化情况有明显的阶段分布特征。雨季的降水量主要分为三个阶段：多-少-多；永昌、武威和西宁地区雨季降水量有较为明显的上升，而靖远地区则呈现相反趋势;武威、民勤、门源、景泰和靖远地区的雨季降水总日数显著减少，降雨强度变大。总体上，石羊河流域降水有更集中的发展趋势。