凡炳文，姚代順

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅臨洮730500)

黃河甘肅境域地處黃河上游(100°46'～108°54'E，33°12'～37°43'N)，總面積 145 895 km2，多年平均降水量 463.4 mm，自產(chǎn)地表水資源量125.16億 m3，占黃河流域地表水資源量的22.4%。區(qū)域內(nèi)集中了甘肅省70%的耕地和人口，是甘肅經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的主要區(qū)域，也是黃河流域重要的水源涵養(yǎng)補(bǔ)給調(diào)蓄區(qū)，其水資源對(duì)甘肅和整個(gè)黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。因此，研究該區(qū)域的降水變化具有實(shí)際意義。以往有關(guān)對(duì)黃河流域甘肅境內(nèi)降水特征的研究多集中在某一特定的河流或區(qū)域［1－7］，而對(duì)于整個(gè)區(qū)域降水時(shí)間尺度變化特征的研究較少。近年來，在全球氣候變暖大背景下，極端氣候事件導(dǎo)致的諸如2012年5月10日岷縣特大冰雹山洪泥石流災(zāi)害，2012年7月21日環(huán)縣、華池縣暴雨洪水災(zāi)害，2013年7月29日天水暴雨洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。因此有必要對(duì)該區(qū)域降水的多時(shí)間尺度特征進(jìn)行詳細(xì)地研究和分析，以期為預(yù)估未來降水演變趨勢(shì)和極端氣候事件提供參考。

黃河甘肅境域因水文氣象特征和自然地理?xiàng)l件的差異，劃分為龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮(zhèn)和龍門至三門峽四個(gè)水資源二級(jí)區(qū)。因此，本文以黃河甘肅境域及周邊氣象、雨量站點(diǎn)1956～2013年降水資料為依據(jù)，利用線性傾向估計(jì)分析1956年以來黃河甘肅境域及各分區(qū)降水變化趨勢(shì)，并在Matlab平臺(tái)下，借助Morlet小波對(duì)各分區(qū)的年降水量序列進(jìn)行Morlet小波變換，分析不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)變化規(guī)律，以揭示年降水的周期特征和變化趨勢(shì)，并對(duì)未來變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取黃河甘肅境域及其周邊194個(gè)雨量和氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，基于水文比擬方法，按氣候和下墊面相似性對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)序列缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)展延，利用泰森多邊形法計(jì)算流域平均降水量，構(gòu)建1956～2013年各分區(qū)年平均降水量時(shí)間序列分析數(shù)據(jù)集，資料系列年限58 a。年降水量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自《甘肅省水文統(tǒng)計(jì)》及歷年《水文年鑒》。各分區(qū)及雨量站點(diǎn)分布示意圖如圖1所示。

圖1 黃河甘肅境域水資源二級(jí)分區(qū)及雨量站點(diǎn)分布示意圖

1.2 分析方法

小波分析是20世紀(jì)80年代初在Fourier變換基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種信號(hào)分析方法，可以從頻域和時(shí)域兩方面分析信號(hào)的變化特征，充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)，并能對(duì)系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行定性估計(jì)。近些年來，小波分析在水文系統(tǒng)多時(shí)間尺度分析、水文時(shí)間序列變化特性分析等方面在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用［8－12］。

本文利用Morlet小波變換方法，通過小波系數(shù)圖來分析降水時(shí)間序列的時(shí)頻變化特征;采用小波方差圖反映降水時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況和存在的主要時(shí)間尺度;在小波分析的基礎(chǔ)上，通過主周期隨時(shí)間的變化過程，分析降水豐—枯周期變化并進(jìn)行預(yù)測(cè)。

通過計(jì)算年降水量隨時(shí)間變化的線性傾向率來分析各區(qū)域年降水量增減的定量程度，并進(jìn)一步采用非參數(shù)Mann Kendall(以下簡(jiǎn)稱MK)分析方法檢測(cè)各區(qū)域年降水量的變化趨勢(shì)的顯著性［13］。

2 結(jié)果分析

2.1 年降水量的變化趨勢(shì)分析

黃河甘肅境域地處我國(guó)內(nèi)陸腹地，地貌類型多樣，氣候差異及變化較大，降水主要受東南季風(fēng)的影響，各地區(qū)表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)變化特征?？偟膩砜?，1956－2013年年降水量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，變化傾向率為－5.1 mm/10a;從各年代際的變化來看，20世紀(jì)60年代降水最多，90年代降水最少。表1給出了各區(qū)域年降水量線性趨勢(shì)的傾向率和MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，表2給出了各區(qū)域分年代平均年降水量的距平。

表1 1956－2013年黃河甘肅境域年降水量的趨勢(shì)系數(shù)和傾向率

表2 黃河甘肅境域年降水量的年代際距平 mm

(1)龍羊峽以上

該區(qū)域位于甘南西部高山草原區(qū)，高寒陰濕，年平均降水量622.6 mm，為黃河上游主要產(chǎn)水區(qū)。1956～2013年年降水量總體呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，增加傾向率為3.7 mm/10a。該區(qū)域年代際變化較大，20世紀(jì)50年代后期和90年代是降水最少的時(shí)期，距平值分別為 －66.6 mm和 －40.0 mm;60年代是降水最多的時(shí)期，距平值為24.0 mm;2000年以后降水明顯增加，距平值為19.2 mm。

(2)龍羊峽至蘭州

該區(qū)域主要位于甘南西部高山草原區(qū)和東部高山森林區(qū)以及太子山區(qū)、甘肅中部干旱黃土山丘區(qū)，部分區(qū)域草原、森林覆蓋，植被較好，年平均降水量494.5 mm，黃河上游主要支流洮河、大夏河、莊浪河均位于此。從1956～2013年年降水量變化過程來看，總體表現(xiàn)為微弱的減少趨勢(shì)，變化傾向率為－3.5 mm/10a。從年代際變化來看，20世紀(jì)60年代和70年代降水相對(duì)較多，距平值分別為17.6 mm和20.1 mm;其余年代際降水較少，90年代最少，距平值為 －15.3 mm;2000年以后降水有所回升，距平值為－6.7 mm。

(3)蘭州至河口鎮(zhèn)

該區(qū)域主要位于甘肅中部干旱黃土山丘區(qū)和蘭州北部干旱區(qū)，氣候干燥，植被較差，年平均降水量291.8 mm。1956～2013年年降水量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，變化傾向率為－8.0 mm/10a。該區(qū)域年代際的變化較為明顯，20世紀(jì)80年代以前降水較多，其中60年代降水最多，距平值為25.8 mm;90年代略多于多年均值，80年代和2000年以后偏小較多，特別是2000年以后減少明顯，距平值達(dá)－23.0 mm。

(4)龍門至三門峽

該區(qū)域主要位于隴東黃土丘陵區(qū)、溝壑區(qū)以及天水黃土山(林)區(qū)，暖溫帶半濕潤(rùn)、半干旱氣候，植被較好，年平均降水量501.8 mm，黃河主要支流渭河、涇河發(fā)源并流經(jīng)于此。1956～2013年年降水量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，變化傾向率為－6.4 mm/10a。該區(qū)域年代際變化較大，20世紀(jì)70年代以前降水較多，其中60年代降水最多，距平值為44.4 mm;70年代至90年代降水較少，尤其是90年代降水偏少較多，距平值為－40.0 mm;2000年以后降水有所增加，距平值為7.0 mm。

2.2 年降水量的空間變化格局

黃河甘肅境域的水汽主要來自孟加拉灣及周邊海域、南海和東海海域，由于氣流強(qiáng)弱和輸送距離不同，與西北方向來的冷氣團(tuán)遭遇的天氣形勢(shì)、成雨條件等差異，使該境域降水在空間上表現(xiàn)出南部和東南部多、北部和西北部少的分布格局。黃河甘肅境域多年平均降水量為350.4～637.9 mm之間，各區(qū)域分布相差懸殊，龍羊峽以上區(qū)域降水最多，平均降水量在467.4～836.3 mm之間;蘭州至河口鎮(zhèn)降水最少，平均降水量在187.4～462.8 mm之間，區(qū)域性差異明顯。從各站點(diǎn)的降水分布來看，表現(xiàn)出3個(gè)降水高值區(qū)和1個(gè)降水低值區(qū)，受地形影響較大的六盤山區(qū)、太子山區(qū)和岷山山地，年平均降水量在750 mm左右，最多的為太子山區(qū)的新發(fā)站達(dá)966.4 mm;白銀市北部地區(qū)為降水低值區(qū)，年平均降水量只有250 mm左右，特別是景泰縣沿黃一帶，年平均降水量不足200 mm，如萬家臺(tái)站年最少僅為161.8 mm;其余大部分地區(qū)年降水量在300～600 mm之間。年降水最多最少之比達(dá)到6.0倍，在空間上同樣表現(xiàn)出分布極不均勻的特征。

2.3 年降水量的多時(shí)間尺度分析

考慮到黃河甘肅境域年降水存在著較大的地區(qū)性差異，因此為了全面掌握不同區(qū)域年降水的時(shí)間尺度變化特征，本文以水資源二級(jí)分區(qū)為單元來進(jìn)行探討分析。圖2給出了各分區(qū)1956～2013年年降水序列的小波變換實(shí)部圖。

圖2 黃河甘肅境域年降水序列小波系數(shù)實(shí)部值圖像

(1)龍羊峽以上

從圖2(a)中看出，該區(qū)域降水的年代際尺度特征明顯，18～26a年代際變化的最強(qiáng)信號(hào)發(fā)生在20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)00年代中前期;9～14 a的年代際變化主要出現(xiàn)在50年代后期、60年代后期和21世紀(jì)10年代前期;4～6 a的年代際變化表現(xiàn)穩(wěn)定，具有全域性，70年代后期至90年代中期表現(xiàn)非常明顯。目前該區(qū)域處在10a尺度正值區(qū)邊緣，預(yù)示著未來幾年降水可能開始偏少。

(2)龍羊峽至蘭州

從圖2(b)看出，該區(qū)域降水的年代際尺度特征非常明顯，18～23 a的年代際變化具有全域性，60年代中期和21世紀(jì)00年代中后期年代際變化的信號(hào)較強(qiáng);9～14 a年代際變化的周期中心從60年代至70年代的13 a左右為主變?yōu)?0年代以后的10 a左右為主;4～6 a的年際變化在60年代至80年代前期表現(xiàn)明顯。目前該區(qū)域處在10 a尺度正值區(qū)，未來幾年降水可能持續(xù)在偏多或正常的階段。

(3)蘭州至河口鎮(zhèn)

從圖2(c)可以明顯的看出，該區(qū)域降水主要以年際變化為主，60年代中期20 a左右的信號(hào)最強(qiáng);90年代中期以前主要表現(xiàn)為7～14 a的周期，同時(shí)60年代至70年代初4～6 a的年際變化明顯;90年代后期以來主要表現(xiàn)為7～10 a的年際變化特征。該區(qū)域具有較強(qiáng)的時(shí)頻局部特征，目前處在8 a尺度正值區(qū)，預(yù)計(jì)最近2～3 a降水可能偏多或正常，以后將轉(zhuǎn)變?yōu)槠匐A段。

(4)龍門至三門峽

從圖2(d)看出，該區(qū)域降水的年代際尺度特征非常明顯，17～23 a年代際變化具有全域性，最強(qiáng)信號(hào)出現(xiàn)在60年代中期和21世紀(jì)00年代中期;10～14 a的年代際變化在80年代以前有較強(qiáng)的信號(hào);3～5 a的年代際變化在70年代中期以前表現(xiàn)明顯。該區(qū)域目前處在9 a尺度正值區(qū)，預(yù)計(jì)未來幾年降水可能偏多或正常。

圖3 黃河甘肅境域年降水序列小波方差圖

2.4 年降水量的周期特征分析

圖3給出了黃河甘肅境域水資源二級(jí)分區(qū)年降水量的小波方差圖，從中可以看出不同區(qū)域不同尺度的變化周期有所差異。年降水量序列變化的主周期龍羊峽以上區(qū)域?yàn)?5 a、12 a和5 a，龍羊峽至蘭州區(qū)域?yàn)?0 a、13 a和5 a，蘭州至河口鎮(zhèn)為 20 a、13 a 和 9 a，龍門至三門峽為 20 a、12 a 和 4 a，其中25 a或20 a尺度周期最為顯著。各區(qū)域年降水變化的主周期略有不同，但整體上表現(xiàn)為20 a或25 a、12～13 a和4～5 a的主周期特征，說明這3個(gè)尺度的準(zhǔn)周期在近58 a降水量序列中起主導(dǎo)作用，這一結(jié)果與上述分析一致。

根據(jù)各區(qū)域近58a降水序列的小波分析，進(jìn)一步分析實(shí)部值過程來判斷降水的豐枯變化。第一和第二主周期的震蕩信號(hào)較強(qiáng)，他們代表了年降水量的年代際和年際變化情況;而更小尺度的降水過程則反映了大尺度背景下的詳細(xì)變化過程［14］，由于受到多種環(huán)境因素的影響，豐枯變化頻繁，在此不做分析。圖4給出了各區(qū)域第一和第二主周期的小波系數(shù)變化過程，小波系數(shù)為正時(shí)表示多雨期，為負(fù)時(shí)表示少雨期，從圖中可以明顯的看出年降水存在的平均周期及豐枯變化特征。

圖4 黃河甘肅境域年降水量不同尺度小波系數(shù)實(shí)部變化過程

從圖4中看出，龍羊峽以上區(qū)域在25 a尺度上年降水變化的平均周期為15 a左右，主要經(jīng)歷了8個(gè)豐枯交替，1965、1979、1996、2013 年是由枯轉(zhuǎn)豐的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1957、1972、1988和2004年是由豐轉(zhuǎn)枯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);在12 a尺度上變化的平均周期為8 a左右，主要經(jīng)歷了15個(gè)豐枯交替變化。其它3個(gè)區(qū)域在20 a尺度上年降水變化的平均周期為13 a左右，主要經(jīng)歷了9個(gè)豐枯交替，1962、1975、1988和2000年左右是由枯轉(zhuǎn)豐的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1969、1982、1995和2008年左右是由豐轉(zhuǎn)枯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);在12 a或13 a尺度上變化的平均周期為8 a左右，主要經(jīng)歷了13個(gè)豐枯交替變化?？梢钥闯觯鲄^(qū)域年降水序列在不同尺度下豐枯變化過程不完全相同，根據(jù)振蕩周期最為顯著的20 a主尺度分析，目前黃河甘肅境域年降水正處于由枯到豐的轉(zhuǎn)換期，預(yù)計(jì)2014年將接近正常水平，2014年以后將會(huì)逐漸進(jìn)入一個(gè)多雨期。

3 結(jié)語

(1)采用線性趨勢(shì)法和Mann－Kendall檢驗(yàn)法分析了黃河甘肅境域年降水量的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明:1956～2013年期間，只有龍羊峽以上區(qū)域呈弱增加趨勢(shì)，增加傾向率為3.7 mm/10a，其余3個(gè)區(qū)域呈弱減少趨勢(shì)，減少傾向率在3.5～8.0 mm/10a之間;2000年以來，龍羊峽以上和龍門至三門峽區(qū)域降水有所增加，其中龍羊峽以上區(qū)間增加明顯，其余2個(gè)區(qū)域降水均小于多年均值，其中蘭州至河口鎮(zhèn)減少明顯。

(2)運(yùn)用小波變換的方法對(duì)黃河甘肅境域年降水序列進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:不同區(qū)域的多時(shí)間尺度特征具有差異，整體上主要存在3個(gè)尺度的周期，分別是20 a或25 a、12～13 a和4～5 a，其中25 a或20 a尺度周期最為顯著;龍羊峽以上區(qū)域5 a尺度、龍羊峽至蘭州和龍門至三門峽區(qū)域20 a尺度貫穿整個(gè)時(shí)域，蘭州至河口鎮(zhèn)區(qū)域60年代中期20 a左右的信號(hào)最強(qiáng)，90年代后期以來7～10 a的年際變化明顯，具有較強(qiáng)的時(shí)頻局部特征。

(3)不同區(qū)域在不同時(shí)間尺度下豐枯轉(zhuǎn)折點(diǎn)不完全一致。在20 a尺度上年降水變化的平均周期為13 a左右，主要經(jīng)歷了9個(gè)豐枯交替;在12～13 a尺度上變化的平均周期為8 a左右，則經(jīng)歷了13個(gè)豐枯交替變化。目前黃河甘肅境域年降水正處于由枯到豐的轉(zhuǎn)換期，預(yù)計(jì)2013年以后降水將會(huì)處于正?；蚱嚯A段。

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