松花江流域极端气象水文要素分析

章晓梦，郝 洁，鞠 琴*，萧峻琼,次旦多杰，陈 玺

(1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098;2. 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210000;3. 西藏水文水资源勘测局林芝水文水资源分局, 西藏 林芝 860000;4. 长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010)

松花江流域内各地区有显著的气候差异，且降水空间分布不均匀[1]。任国玉等[2]的研究指出，东北偏高纬度地区的降水量呈增加或者不明显变化趋势。曹小磊等[3]研究结果表明气温呈显著升高趋势，降水量和径流量呈不显著下降趋势，影响天然径流的主要气象要素是降水量。袁杰等[4]研究结果表明松花江各流域年径流量均有下降的趋势。已有学者针对极端气候事件定义方法、极端降水事件规律特点进行研究[5-8]。目前针对松花江流域气候变化的研究大部分集中在单个气象、水文要素，如降水、气温或径流的研究，缺少对极端气象水文要素变化的分析以及其成因的研究。

本文拟以1961—2018年间松花江流域39个气象站点的逐日降水观测资料，以及1961—2018年间松花江流域佳木斯、大赉、扶余3个水文站点的日径流量资料为研究对象，采用趋势分析法、Mann-kendall非参数检验方法、Mann-kendall突变检验法、克里金插值法、皮尔逊相关系数等方法进行松花江流域极端降水和极端径流的时空变化规律和变异点诊断，分析松花江流域及各子流域极端气象水文特征以及极端降水与极端径流事件的关联性，为该流域极端气象水文事件的预测及防灾减灾规划提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况及数据来源

松花江流域位于中国东北的北部地区，其经纬度范围为北纬41°42′至51°38′、东经119°52′至132°31′，流域内有内蒙古、黑龙江、吉林三个省份，总流域面积为55.68×104km2。将松花江流域分为松花江干流流域、二松流域、嫩江流域三个子流域进行分析，选择流域内39个气象站点及3个具有代表性的水文站点，3个水文站分别为嫩江的大赉站、第二松花江的扶余站以及松花江干流的佳木斯站。松花江流域站点分布图见图1。

注：Ⅰ：松花江干流流域，Ⅱ：第二松花江流域，Ⅲ：嫩江流域。图1 松花江流域站点分布图Fig.1 Site distribution map in Songhua River Basin

所用降水数据为中国气象数据网提供的1961—2018年的逐日降水实测资料。对数据资料进行筛选和质控处理，并对存在降水数据缺失的日期进行了剔除，最终提取出所选39个站点的相关信息，得到了完整连续的逐日降水实测数据。径流实测数据为佳木斯、扶余、大赉水文站1961年1月1日—2018年12月31日的逐日径流数据。

1.2 研究方法

世界气象组织气候委员会等组织成立了气候变化监测和指标专家组，并定义了27个典型气候指数，包括16个气温指数和11个降水指数[9]，目前这些指数已被广泛应用于极端气候研究。本文选取其中11个降水指数(表1)进行研究。极端径流事件采用洪量作为标准，用最大1日洪量、最大3日洪量、最大7日洪量、最大15日洪量、最大30日洪量作为标准[10](表2)。

运用趋势分析法、Mann-kendall非参数检验方法[11]对极端降水指数和极端径流指数进行趋势分析，采用克里金插值绘制极端降水指数的空间分布图，采用Mann-kendall突变检验法[11]得到各极端指数的突变点，利用皮尔逊相关系数分析极端降水与极端径流的关联性。

2 结果分析

2.1 极端降水要素

2.1.1 极端降水要素的空间分布特征

松花江流域的极端降水指数空间分布特征见图2。强度指数中，降水强度(SDII)分布较均匀，最大降水强度9.14 mm/d出现在长春，最小降水强度7.49 mm/d出现在富锦，其余强度指数在松花江干流流域由西向东先增加再减小，第二松花江流域由西南向东北部逐渐减小，嫩江子流域由西南向东北呈先增加后减小趋势，Rx1day、Rx5day这两个强度指数的最大值均出现在流域最南部，分别为67.99 mm和107.69 mm。

表1 极端降水指数定义

表2 极端径流指数定义

绝对指数中，在嫩江子流域，R1和R10指数由东南向西北呈增加趋势，R20指数由东南向西北先增大后减小；在第二松花江和松花江干流附近，三个绝对指数的分布特征相同，呈中南部大，西部、东部小的分布特点。

持续指数中，持续干旱指数和持续湿润指数是长时间内持续降雨情况的反映，其中持续干旱指数反映长时间内无降雨的情况，是研究干旱的方法之一[12]。持续干期(CDD)与持续湿期(CWD)、年总降水量(PRCPTOT)呈完全相反的空间分布，CDD指数在嫩江子流域呈南部大、北部小的趋势，在二松子流域及松花江干流子流域呈南部小、北部大的分布趋势，最大值出现在嫩江流域南部的富锦，约达75.07 d，最小值出现在第二松花江流域南部的东岗，为27.84 d。

相对指数在嫩江流域从东南到西北呈增大趋势，在松花江干流和第二松花江附近从西到东先增大后减小，从南到北先减小后增大。

极端降水指数存在区域性差异，除CDD和SDII外，其余指数的分布特征均呈现出第二松花江流域为高值区，松花江干流流域次之，嫩江流域为低值区。说明在松花江流域，嫩江流域降水量、降水日数、降水强度较小，第二松花江流域极端降水事件强度高且持续性强，应成为重点防护对象。

2.1.2 极端降水要素的空间趋势分布

极端降水要素在不同空间的趋势性反映了其变化趋势的总体规律，可借助M-K趋势检验对松花江流域各极端降水指标的变化趋势进行检验，其空间分布情况如图3所示。松花江流域极端降水事件表现出明显的区域差异性。

强度指数是一个衡量是否发生洪涝灾害的重要指标，23个站点的Rx1day指数表现出上升趋势，其中5个站点通过了α=0.05的显著性检验；有21个站点的Rx5day指数表现出上升趋势，18个站点表现出下降趋势；25个站点的SDII指数表现出上升趋势，14个站点表现出下降趋势。Rx1day、Rx5day、SDII三个强度指数显著增加的站点大多分布在嫩江子流域南部和松花江干流子流域西部，且最大增幅均出现在明水站。

图2 极端降水指数空间分布Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation index

绝对指数中，R10指数趋于增加站点数为27个，仅有安达站变化趋势通过了α=0.05的显著性检验；R20指数趋于增加站点数为25个，仅有安达站和白城站变化趋势通过了α=0.05的显著性检验；有29个站点的R1指数表现出上升趋势，其中5个站点呈显著上升趋势。与下降趋势相比，绝对指数在松花江流域的上升趋势更加明显，但变化趋势并不显著，大多呈微弱上升趋势。

持续指数中，仅有5个站点的CDD指数呈微弱上升趋势，34个站点呈下降趋势，呈显著下降趋势站点主要分布在嫩江流域中部和松花江干流流域北部；有19个站点的CWD指数表现出上升趋势，20个站点表现出下降趋势；年总降水量(PRCPTOT)趋于增加的站点数为32个，仅有7个站点PRCPTOT指数趋于减小，大多集中在嫩江流域南部，代表松花江流域整体降水量有所增加。

相对指数中，19个站点的R95pTOT指数表现出上升趋势，其中4个站点通过了α=0.05的显著性检验，22个站点的R99pTOT指数表现出上升趋势，其中4个站点呈显著上升趋势。由此可见，同一个极端降水指标在不同时间段和不同区域的变化趋势均不同，体现了极端降水事件在时间和空间上的复杂性和差异性。

2.1.3 极端降水要素的突变分析

掌握径流演变规律，除分析其总体趋势外，还必须判断并检验突变发生的时间、次数以及变化幅度[13]。水文学或气候学上的突变是指系统从一种稳定状态跳跃到另一种稳定状态的现象[14]。借助M-K突变检验方法对松花江流域三个子流域1961—2018年的极端降水指数进行突变分析，突变分析结果见表3。

在松花江干流流域，强度指数和绝对指数无突变点，持续指数CDD、CWD、PCRPTOT的突变年份分别为1998年、1972年、1963年，相对指数R95pTOT、R99pTOT的突变年份为1964和1966年左右；二松流域仅有持续干期CDD指数在1967年有明显突变；嫩江流域的强度指数中的Rx1day、Rx5day指数分别在1970年、1963年发生突变；整个松花江流域各极端降水指数中仅有Rx5day和CDD指数分别在1964年和1993年左右开始突变。松花江流域及各子流域在突变点后的指数序列均为突变减小的过程，各指数的突变时间表现出明显的空间差异性。

图3 极端降水指数空间趋势分布Fig.3 Spatial trend distribution of extreme precipitation index

表3 极端降水指数突变检验

2.2 极端径流要素

不同时间尺度下年最大洪量的变化趋势和突变年份相近，见表4，佳木斯站、扶余站、大赉站1961—2018年各极端径流指数M-K检验的临界值|Z|均小于1.96，未通过α=0.05的显著性检验，在佳木斯站和大赉站呈微弱下降趋势，在扶余站Rx1day、Rx3day指数呈微弱下降趋势，Rx7day、Rx15day、Rx30day指数呈微弱上升趋势，各指数总体变化趋势较为稳定。图4以年最大7日洪量(Rx7day)为例分析各水文站变化趋势和突变情况。

三个水文控制站中佳木斯站和大赉站极端径流量较大，扶余站的径流量较小。从图4可以看出，佳木斯站RX7day指数M-K检验图的UF和UB曲线在0.05显著性水平阈值线内有多个交点，其中1967年为突变点，在1976年左右UF曲线超过了置信曲线，指数值有一个突变减小的过程，其余交点可以看出RX7day有突变减小的趋势，但减小趋势尚未达到0.05显著性水平；指数值年际变化较大，在20世纪60年代至80年代初呈下降趋势，20世纪80年代至2000年左右呈上升趋势，21世纪初呈现减少再增加的趋势。

扶余站RX7day指数M-K检验图的UF和UB曲线在0.05显著性水平阈值线内有多个交点，但UF曲线从未超过置信曲线，代表RX7day指数在扶余站无突变点，指数值呈波动性变化，总体变化趋势不明显。

表4 极端径流指数趋势及突变

图4 最大7日降水量(Rx7day)突变分析Fig.4 Mutation test of Rx7day

大赉站RX7day指数M-K检验图的UF和UB曲线在0.05显著性水平阈值线内有多个交点，其中突变点为1964年，在1975年左右UF曲线超过了置信曲线，径流量有一个突变减小的过程。在置信区间外UF曲线和UB曲线交于1983年，说明在该点RX7day指数有增加的趋势，但变化趋势没有达到突变的水平，因此不是突变点；指数值年代际变化幅度较大，20世纪50年代至80年代初、21世纪以后相对减少，20世纪80年代至2000年相对增加。

嫩江流域和松花江全流域的强度指数均在20世纪60年代发生突变，其控制站大赉站和佳木斯站的年最大洪量也于20世纪60年代发生突变。在二松流域，1953年丰满水库开始进行人工调节之后，对大洪水洪峰的削减效果十分显著，对防洪起到了很大作用，因此扶余站极端径流指数的年代际变化不明显，且无突变点。

2.3 极端降水和极端径流事件的关联性

根据极端径流指数所定义的年最大1、3、7、15、30日洪量，取其中相对较长时间尺度，分析松花江流域在时间尺度为7日、15日、30日时极端降水和径流事件两者间的关联性，通过皮尔逊相关系数对松花江流域不同时间尺度下的年最大降水量与年最大洪量进行相关性分析。由表5可知，在松花江流域，各极端降水指数和极端径流指数的相关系数均通过99%置信度检验，表现出显著的正相关关系，表明这两者之间存在一定的关联性，极端降水量的变化必然带来极端径流量的变化。在各控制站所对应流域范围内，年最大30天降水量与年最大30天洪量表现出最为显著的关联性，其相关系数分别为0.678、0.713、0.807。时间尺度为30天的极端降水和极端径流的关联性最为明显，说明松花江流域面积较大，支流较多，汇流时间较长，所以随着时间尺度的增大，其极端降水与极端径流的相关性更加显著。

表5 极端降水与极端径流相关系数

3 结论

本文基于1961—2018年松花江流域39个气象站点逐日降水资料和3个水文站点逐日流量资料，对极端降水要素和极端径流要素的变化趋势、时空分布特征及关联性进行了分析。

1)松花江流域极端降水指数值变化规律呈现出区域差异性，除持续干期CDD和降水强度SDII外，其余指数的分布特征均呈现出第二松花江流域为高值区，松花江干流流域次之，嫩江流域为低值区。各控制水文站极端径流指数变化趋势均未通过95%显著性检验，且仅扶余站极端径流指数未出现突变点。

2)反映强降水量的极端降水指数在大部分地区表现为增加趋势，但极端径流指数却大多表现为减少趋势或不显著上升趋势，未显示出同步变化趋势。降水量与径流量之间关系密切，但复杂的气象活动和大坝、水库等水利工程的修建都是出现该现象的重要影响因素，例如二松流域上的丰满水库会使径流过程逐渐改变，从而影响极端径流事件的演变规律，导致在极端降水增加的情况下，极端径流指数却呈减少趋势。

3)不同时间尺度下各极端降水指数与极端径流指数的相关系数均通过99%显著性检验，由于松花江流域面积较大，支流较多，汇流时间较长，当时间尺度为30天时，极端降水与极端径流表现出最为显著的关联性。