疏勒河流域降水变化特征研究

季宗虎， 孙栋元， 牛最荣， 王兴繁， 武兰珍，马亚丽， 陈彩苹， 崔艳强

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

降水作为重要的水文要素，同时也是水循环的基本环节，降水变化对气象学和水文学有着至关重要的作用，分析降水变化特征对水资源的高效利用有重要影响，同时为自然灾害预报系统的发展提供了科学依据。疏勒河流域地处河西走廊西端，承担着整个地区的工农业用水，由于特殊的地理位置降水主要受西风带环流控制，受东亚夏季风影响较弱［1］，雨季较短且降水量极少，降水持续时间短，年降水量呈现出由北向南逐渐增加。因此，降水对该地区的气候变化影响极为敏感，降水特征变化的研究为气候变化、水文预报和水资源区域分布提供了重要依据，对此流域夏季暴雨预报、防灾减灾工作和短期气候研究具有重要作用，为生态建设、经济发展、农业生产奠定了良好基础［2-7］。

目前，关于降水变化特征的研究主要利用实测数据、卫星遥感空间数据和影像资料来进行降水变化趋势、突变及周期规律分析。齐天杰等［8］利用1960—2020 年的实时降水监测数据，用Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析法对研究区多年降水突变、周期变化规律以及降水集中期和集中度进行了研究；杨俊等［4］采用累积距平法等方法分析了黄土高原典型小流域降水量年际变化、年内变化、年代变化和突变特征；张静雯等［9］以武汉市1951—2017 年的逐日降水资料为分析基础，利用了Mann-Kendall 检验法等方法对区域降水进行分析。疏勒河流域作为河西地区重要的水源地之一，该流域的降水量对于整个河西地区尤为重要，关系到河西地区的经济和生态发展。学者们对疏勒河流域的降水变化进行了广泛研究，孙栋元等［3］利用疏勒河干流3 个水文站1956—2016 年逐月、逐年降水数据，对该地区降水量年内变化、年代际变化、季节变化和突变特征等进行了分析；王静［10］收集了疏勒河区域内6个雨量测站的数据，采用时序累积法、模比系数差积曲线探究了系列资料的合理性。本文基于前人的分析方法，综合分析了疏勒河流域近60 a 降水变化特征，目的在于了解疏勒河流域降水规律，为有效应对汛期和旱期降水提供参考。

1 研究区概况

疏勒河流域位于河西走廊西端，是甘肃省三大内陆河流域之一。地理位置介于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N（图1），海拔800～5730 m 之间，基本呈现东南高西北低，干流长670 km，流域面积为4.13×104km2。流域属典型内陆干旱半干旱性气候，降水集中在6—9 月，年降水量40.2～57.5 mm，年蒸发量2577.4～2653.2 mm，山地对水汽的阻挡与抬升使山区降水相对较多［3,11-12］。其中，昌马堡站位于疏勒河上游，潘家庄站和双塔堡水库站位于疏勒河干流中下游，党城湾站位于疏勒河流域党河上游，党河水库站位于疏勒河流域党河中游。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 数据与方法

2.1 资料来源与处理

所有数据来源于甘肃省水文站，选用疏勒河流域昌马堡、潘家庄、双塔堡水库、党城湾和党河水库5个水文站1960—2020年逐月降水数据作为基础资料，进行流域降水变化特征的分析。

2.2 研究方法

采用线性倾向拟合与滑动平均来描述降水变化趋势与特征［13-16］；利用累计距平法分析年际变化趋势，同时利用累计距平最大绝对值可判断出大致的突变时间［13-17］；Mann-Kendall检验法是一种非参数检验法，能够很好的进行突变和趋势性分析［14-15,18］；小波分析是降水与时间关系转化为降水频数和时间关系的一种方法，通过分析周期和频数之间的变化关系来确定时间序列的周期性［13-15,19］。利用降水量分配的向量法推演出不均匀性和集中度，可以很好的反应该流域降水的非均匀性分布特征［20-22］，基于重标极差分析法（R/S）的Hurst指数可以定量描述长时间序列数据相关性，其数据大小可作为预测未来变化趋势的依据［23-25］。

3 结果与分析

3.1 降水年变化特征

近60 a 疏勒河流域5 个水文站降水量总体呈现上升趋势，各特征值见表1。由图2 可以看出，5 个水文站均呈现增长趋势，其中，昌马堡站降水量线性倾向率为0.505 mm·a-1，年均降水量以5.05 mm·(10a)-1的速率增加，65 a 内增加了32.83 mm；潘家庄站降水量线性倾向率为0.069 mm·a-1，年均降水量以0.69 mm·(10a)-1的速率增加，62 a内增加了4.28 mm；双塔堡水库站降水量线性倾向率为0.111 mm·a-1，年均降水量以1.11 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 内增加了6.78 mm；党城湾站降水量线性倾向率为0.923 mm·a-1，年均降水量以9.23 mm·(10a)-1的速率增加，61 a内增加了56.29 mm；党河水库站降水量线性倾向率为0.056 mm·a-1，年均降水量以0.56 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 内增加了3.42 mm。其中，1956—1972年和1985—2001年（昌马堡站）、1959—1973 年和1985—2011 年（潘家庄站）、1960—1969年和1984—2011年（双塔堡水库站）、1960—2014年（党城湾站）、1985—2003 年和2008—2011 年（党河水库站）时间段曲线呈下降趋势，该时间段该流域处于少雨期，1973—1984 年和2002—2020 年（昌马堡站）、1974—1984年和2012—2020年（潘家庄站）、1970—1983 年和2012—2020 年（双塔堡水库站）、2015—2020 年（党城湾站）、1970—1984 年、2004—2007 年和2012—2020 年（党河水库站）时间段曲线呈上升趋势，该时间段该流域处于多雨期。从疏勒河流域5个站的5 a滑动平均曲线可以看出，除党城湾站年均降水量1964—2014年较为稳定，2014年以后快速上升，其余4 个站年均降水量均呈现缓慢增加-减小-增加波动变化趋势。

表1 疏勒河流域各站降水量特征值Tab.1 Characteristic values of precipitation at each station in the Shule River Basin

图2 疏勒河流域年降水量和降水量累积距平变化Fig.2 Changes in annual precipitation and cumulative distance level of precipitation in the Shule River Basin

总体上，疏勒河流域各水文站降水量均以不同程度增长，年降水量各站倾向排序为：党城湾站9.23 mm·(10a)-1>昌马堡站5.05 mm·(10a)-1>双塔堡水库站1.11 mm·(10a)-1>潘家庄站0.69 mm·(10a)-1>党河水库站0.56 mm·(10a)-1。

3.2 降水突变性特征

由图3a 可知，UFk和UBk主要相交于1966 年和2000 年，并且均位于临界线±1.96 之间，因此，昌马堡站平均降水突变发生在1966 年和2000 年，由图可知，该站自20 世纪50 年代以后UFk均>0，降水呈现上升趋势，尤其在20 世纪70 年代前期至90 年代前期和21 世纪10 年代以后，突变曲线通过0.05 显著性检验（U0.05=1.96），表明在此段时间内该站平均降水量上升趋势显著。

图3 疏勒河流域年平均降水突变检验Fig.3 Test of sudden change of annual average precipitation in the Shule River Basin

由图3b 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2015 年，并且均位于临界线±1.96 之间，因此，潘家庄站平均降水突变发生在1990 年和2015 年，由图可知，该站自20世纪60年代前期至90年代前期、21世纪10 年代中期以后UFk>0，表明平均降水量呈上升趋势，尤其在20世纪70年代后期至80年代中期，突变曲线通过0.05 显著性检验（U0.05=1.96），表明在此段时间内该站平均降水量上升趋势显著。

由图3c 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2012 年，并且均位于临界线±1.96 之间，因此，双塔堡水库站平均降水突变发生在1990 年和2012 年，由图可知，该站自20 世纪60 年代以后UFk均>0，降水呈现上升趋势，尤其在20 世纪70 年代后期至80年代前期，突变曲线通过0.05 显著性检验（U0.05=1.96），表明在此段时间内该站平均降水量上升趋势显著。

由图3d 可知，UFk和UBk主要相交于1972 年、1980 年和2015 年，只有1980 年不在临界线±1.96 之间，因此，党城湾站平均降水突变发生在1972 年左右和2015年左右，由图可知，该站自20世纪60年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趋势，尤其在20世纪80年代前期，突变曲线通过0.05显著性检验（U0.05=1.96），表明在此段时间内该站平均降水量上升趋势显著。

由图3e 可知，UFk和UBk无明显交点，说明党河水库站近60 a 降水无突变现象，由图可知，该站自20 世纪60 年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趋势，尤其在20 世纪80 年代前期，突变曲线通过0.05 显著性检验（U0.05=1.96），表明在此段时间内该站平均降水量上升趋势显著。

3.3 降水趋势性特征

疏勒河流域各水文站降水趋势系数如表2 所示，从表中可以看出，5 个水文站降水量Sen’s 指标均为正值，有增加趋势，其中，昌马堡站和党城湾站分别以5.05 mm·(10a)-1和9.23 mm·(10a)-1速率增长，根据M-K 趋势检验计算得Z值分别为2.75 和2.24，采用信度为95%的显著性检验发现|Z|>1.96，通过了显著性检验，增长趋势明显；而潘家庄站、双塔堡水库站、党河水库站分别以0.69 mm·(10a)-1、1.11 mm·(10a)-1和0.56 mm·(10a)-1速率增长，通过MK 趋势检验计算得|Z|<1.96，均未通过显著性检验，增长趋势不明显。

表2 疏勒河流域各站降水量变化趋势分析Tab.2 Trend analysis of precipitation changes at each station in the Shule River Basin

3.4 降水周期性特征

采用小波分析法计算疏勒河流域近60 a全年降水小波分析变换系数和小波方差，并做出相应实部时频图和方差图。由图4a可知，昌马堡站全年降水的小波实部图主要存在55～60 a、5～10 a 和2～5 a 3个特征时间尺度，从小波方差图可以看出，存在56 a、8 a、4 a 3 个明显的波峰，所以该站全年降水的第一主周期为56 a，第二主周期为8 a，第三主周期为4 a；由图4b 可知，潘家庄站全年降水主要存在52～60 a 和28～34 a 2 个特征时间尺度，存在58 a、32 a、4 a 3个明显的波峰，所以该站全年降水的第一主周期为58 a，第二主周期为32 a，第3 主周期为4 a；由图4c 可知，双塔堡水库站全年降水主要存在53～58 a 1个特征时间尺度，存在55 a、12 a、5 a 3 个明显的波峰，所以该站全年降水的第1 主周期为55 a，第二主周期为12 a，第三主周期为5 a；由图4d可知，党城湾站全年降水主要存在30～35 a 1个特征时间尺度，存在33 a 1 个明显的波峰，所以该站全年降水的第一主周期为33 a；由图4e 可知，党河水库站全年降水主要存在3～8 a 和50～60 a 2 个特征时间尺度，存在55 a、8 a、4 a 3 个明显的波峰，所以该站全年降水的第一主周期为55 a，第二主周期为8 a，第三主周期为4 a。

3.5 降水持续性分析

结合图5和表3分析结果可知，疏勒河流域5个水文站降水量的Hurst 指数分别为：昌马堡站（0.7169）、潘 家 庄 站（0.7489）、双 塔 堡 水 库 站（0.6980）、党城湾站（0.7259）、党河水库站（0.6984），均>0.5，表明未来降水量将与过去60 a 左右的变化趋势相同，即表现出正持续性特征，故可预测未来一段时间该站降水量将出现增长趋势。其中，潘家庄站Hurst 指数最大为0.7489，表现为较强的正持续性。

3.6 降水不均匀性与集中度变化分析

由图6 和表4 可知，疏勒河流域各站降水集中度波动范围，多年平均值为0.58。昌马堡站降水量集中度（PCD）呈现微弱下降趋势，倾向率为0.007·(10a)-1，近60 a 集中度（PCD）有32 a 大于均值，说明降水分配较集中；潘家庄站集中度（PCD）呈现下降趋势，倾向率为0.017·(10a)-1，有32 a大于均值，说明降水分配较集中；双塔堡水库站集中度（PCD）呈现微弱下降趋势，倾向率为0.015·(10a)-1，有29 a 大于均值，说明降水分配较集中；党城湾站集中度（PCD）呈现微弱下降趋势，倾向率为0.003·(10a)-1，有29 a大于均值，说明降水分配较集中；党河水库站集中度（PCD）呈现下降趋势，倾向率为0.01·(10a)-1，有28 a大于均值，说明降水分配较集中。

表4 疏勒河流域各站降水量集中度和分配不均匀系数分析结果Tab.4 Analysis results of precipitation concentration and distribution inhomogeneity coefficient of each station in Shule River Basin

图6 疏勒河流域集中度年际变化Fig.6 Interannual variation curve of concentration in the Shule River Basin

从图7 和表4 可以看出，疏勒河流域各站降水年内分配不均匀系数（Cv）变化范围和多年平均值。其中，流域年内降水多年平均值均为0.53，表现出多年降水量分配较不均匀。该流域近60 a以来降水不均匀系数呈递减趋势，昌马堡站倾向率为-0.002·(10a)-1；潘家庄站倾向率为-0.002·(10a)-1。双塔堡水库站倾向率为-0.012·(10a)-1。党城湾站倾向率为-0.007·(10a)-1。党河水库站倾向率为-0.008·(10a)-1。

图7 疏勒河流域不均匀系数年际变化Fig.7 Interannual variation curve of the inhomogeneity coefficient of the Shule River Basin

综上所述，降水量集中度（PCD）和不均匀系数（Cv）呈现微弱的递减趋势，其中，倾向率潘家庄站0.017·(10a)-1>双塔堡水库站0.015·(10a)-1>党河水库站0.01·(10a)-1>潘家庄站0.007·(10a)-1>党城湾站0.003·(10a)-1，流域年降水量较为集中；不均匀系数昌马堡站、潘家庄站-0.002·(10a)-1>党城湾站-0.007·(10a)-1>党河水库站-0.008·(10a)-1>双塔堡水库站-0.012·(10a)-1。

4 降水变化趋势差异性分析

本文从疏勒河流域年降水量变化特征、趋势性、周期性、持续性、不均匀性和集中度进行了分析，区别于以往只对该区域进行常规线性分析或对个别站点进行探讨，对分析整个疏勒河流域存在一定的局限性［3,26-29］。通过趋势性分析和检验表明，过去几十年内该区域降水量呈现上升趋势，已有研究也表明了该结论，与孙栋元等［3］、刘国红［28］研究结果一致性较高；结合该流域5个水文站分析可知，年降水量从东往西降水量依次减少，从南到北也依次减少，与张重花等［30］、郑续等［31］分析得出该流域1958—2018 年从上游到下游降水量衰减，整个流域降水量呈增加趋势。

疏勒河流域由于受全球气候变暖和特殊的地理位置因素，同时受西风带环流和气流扰动作用，西南部山区随着海拔升高降水呈现增长趋势，为此降水和冰雪融水是整个流域水资源的主要来源。由于该流域南高北低，夏季的暖湿气流被阻挡在南部山区，而冬季盛行西北风导致降水少，使得南部山区降水呈现季节性变化，流域北部平原不利于留住暖湿气团，很难形成降水，造成了北边平原干旱少雨的气候特征。此流域与受季风环流影响的河西走廊黑河和石羊河不同，因而其山区气候变化与其余两条河流存在较大差异，为此导致南部山区降水明显多于平原地区的降水，呈现出从东南向西北依次减少的规律［30-32,1］。因此，综合分析降水的形成和变化特征，有助于合理利用该流域的水资源，需要综合考虑多种因素。

虽然，本研究用长序列多要素对降雨进行了分析，但是每种要素仅用一种分析方法具有一定局限性，由于干旱内陆地区的特殊性在今后的研究中需要结合最优降水插值法，并考虑气温、气流运动等多种自然因素的影响对该流域降水特征进行分析，况且以往对该区域的降水趋势性研究已有很多，但未来降水特征如何变化需要更加深入的理解，用多种方法进行分析来降低误差，来探讨未来的时空变化［33-36］。

5 结论

本文利用疏勒河流域5个水文站逐月降水量实测资料，分析了年降水演变特性和变化特征，得出下述主要结论：

（1）昌马堡（1956—2020 年）、潘家庄（1959—2020 年）、双塔堡水库、党城湾和党河水库（1960—2020 年）多年实测年均降雨量分别为96.4 mm、51.4 mm、52.03 mm、61.3 mm、51.8 mm，并且年均降雨量以5.47 mm·(10a)-1、0.69 mm·(10a)-1、1.11 mm·(10a)-1、9.23 mm·(10a)-1和0.57 mm·(10a)-1的速率增加。证实该流域由南向北降水量的增长率和多年平均值均呈现递减。

（2）昌马堡站和党城湾站Z值分别为2.75 和2.24，增长趋势明显，而双塔堡站、潘家庄站和党河水库站Z值分别为0.32、0.67 和0.27，增长趋势不明显。由于疏勒河流域各站年降水线性倾向率和累积距平曲线波动不同，所以年降水量呈现不同程度的增加趋势，降水量均呈现不同时段升降变化过程。

（3）昌马堡在1966 年和2000 年发生突变；潘家庄在1990 年和2015 年左右发生突变；双塔堡水库在1990 年和2012 年左右发生突变；党城湾在1972年和2015年左右发生突变；党河水库无明显突变现象。各站在近代突变后降水递增趋势波动升高，而党河水库站则呈现波动降低，从各站突变特征曲线处于置信水平线之内情况来看，与M-K 趋势分析结果一致。

（4）该流域5 个站点全年降水量的第一主周期除党城湾站为33 a，其余站大概以55 a左右为主，在第一主周期时间尺度上降水量“丰-枯”交替出现，呈准2 次震荡，其中党城湾在2020 年后继续增长，该时段的周期变化较为稳定，具有全域性。

（5）疏勒河流域多年降水量集中度（PCD）和分配不均匀系数（Cv）分别大致在0.19～0.89 和0.32～0.72 之间波动，降水量集中度（PCD）和分配不均匀系数（Cv）呈现微弱的下降趋势，均有趋于均匀化的倾向。该流域5 个站点降水量集中度（PCD）大于均值的分别有32 a、32 a、29 a、29 a、28 a，说明该流域降水分配较集中，其中昌马堡站降水量集中度最大为0.67，该站多年降水最为集中。