嚴(yán)登明，翁白莎，李思諾,3，呂睿喆，曹 引，梅 超,4

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038；3.河北工程大學(xué)，邯鄲 056000，4.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072)

以全球變暖為主要特征的氣候變化對(duì)水循環(huán)過(guò)程影響深遠(yuǎn)。研究表明，氣溫升高一定程度上改變了相對(duì)濕度和地表輻射以及降水的時(shí)空分布特征，進(jìn)而直接或者間接從不同尺度影響蒸發(fā)、降水、徑流等水文過(guò)程，改變流域和地區(qū)水資源時(shí)空分布格局[1-4]。

皖北地區(qū)屬于淮河流域，地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，受到南北氣候的雙重影響，四季氣候特征差異明顯。皖北地區(qū)降水較為豐沛，但時(shí)空間分布不均，因此給該地區(qū)的水資源合理分配和有效利用帶來(lái)挑戰(zhàn)[5,6]。近年來(lái)，我國(guó)水文工作者就淮河流域的水文狀況展開(kāi)了廣泛研究，取得了一系列成果。王珂清等[7]從季節(jié)尺度詳細(xì)分析了淮河流域近50 a氣溫、降水量的變化趨勢(shì)；榮艷淑等[8]分析了淮河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的影響因素；潘扎榮等[9]采用多種分析方法對(duì)淮河流域徑流年際變化的趨勢(shì)性與階段性進(jìn)行定性和定量分析。皖北地區(qū)地理位置較為特殊，異常的氣候條件導(dǎo)致該地區(qū)水資源供需矛盾比較突出，本文以該地區(qū)為研究區(qū)域，對(duì)其水文要素演變特征進(jìn)行分析，研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)皖北地區(qū)歷史水循環(huán)演變規(guī)律和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化趨勢(shì)具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)概況

皖北地區(qū)泛指安徽北部地區(qū)，包括淮河沿岸和淮河以北的蚌埠、淮南、阜陽(yáng)、淮北、宿州、亳州六市，國(guó)土面積約占安徽省的30%，總?cè)丝诩s占安徽省的50%。東部、北部與江蘇、山東接壤，西與河南毗鄰，總面積為64 154 km2，人口為3 100萬(wàn)人。該地區(qū)屬于北溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，降水多，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)強(qiáng)度較大。皖北地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭能源基地和糧食生產(chǎn)基地(見(jiàn)圖1)。

圖1 皖北地區(qū)地理位置及水文氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1. The location of Northern Anhui and the distribution of the hydrological station and meteorology station

2 材料與方法

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心和水文年鑒，包括皖北地區(qū)16個(gè)氣象站點(diǎn)1957-2013年的逐日氣溫、降水、蒸發(fā)資料以及6個(gè)水文站點(diǎn)1960-2006年的逐日徑流數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。采用空間插值的方法將站點(diǎn)資料展布到全地區(qū)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得到皖北地區(qū)57 a的面上年降水量、面上年均氣溫以及53 a面上年蒸發(fā)量。趨勢(shì)性分析采用逐年均值擬合曲線及三次樣條插值法；突變性分析采用Mann-Kendall法；周期性分析采用小波分析法。

(1)IDW插值法。IDW插值法即反距離權(quán)重插值法，是一種基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間插值方法。該方法通過(guò)對(duì)鄰近區(qū)域的每個(gè)單元值平均運(yùn)算來(lái)獲得單元值，較適合應(yīng)用于樣本點(diǎn)較多且分布均勻的情況。該方法不僅能生成一個(gè)預(yù)測(cè)表面，而且還可以給出預(yù)測(cè)結(jié)果的精度或確定性度量[10]。

(2)Mann-Kendall檢驗(yàn)法。M-K檢驗(yàn)屬于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，通過(guò)計(jì)算時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量(M值)來(lái)判斷序列的變化趨勢(shì)，M>0表示增加(上升)，M<0表示減少(下降)。|M|>1.282表示降水時(shí)間序列達(dá)到了90%的顯著性檢驗(yàn)，|M|>1.645表示達(dá)到了95%的顯著性檢驗(yàn)[11,12]。

(3)小波分析法。小波分析具有時(shí)域和頻域多分辨功能，較好地適應(yīng)了水資源系統(tǒng)多時(shí)間尺度的結(jié)構(gòu)特征，能夠反映降水時(shí)間序列的局部變化規(guī)律，展現(xiàn)降水時(shí)間序列的精細(xì)結(jié)構(gòu)，該方法目前已廣泛應(yīng)用于氣象要素變化的研究之中[11,12]。

表1 皖北地區(qū)水文站點(diǎn)概況Tab.1 The situation of the hydrological station in Northern Anhui

3 結(jié)果與討論

3.1 年降水量變化特征

圖2為皖北地區(qū)逐年年降水量的變化擬合曲線和3次樣條插值曲線，對(duì)皖北地區(qū)1957-2013年降水量系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，皖北地區(qū)57 a的平均降水量為970 mm，年降水量系列極大值為2003年的1 515 mm，極小值為1978年的619 mm，系列標(biāo)準(zhǔn)差為13.4 mm。由圖2中的線性趨勢(shì)線可以看出，皖北地區(qū)1957-2013年的年降水量整體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。從三次樣條插值結(jié)果可知，皖北地區(qū)1957-2013年的年降水量呈現(xiàn)出“增-減-增-減”的趨勢(shì)，在2007年的時(shí)候有個(gè)明顯的下降趨勢(shì)。采用Mann-Kendall法對(duì)年降水量進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖3所示，UF和UB曲線大部分在置信區(qū)間之內(nèi)，表明該地區(qū)的年降水量的變化趨勢(shì)不是很明顯，沒(méi)有突變性的增加或者減少，但在2005-2007年，UB曲線超出了置信區(qū)間，且為負(fù)值，說(shuō)明該地區(qū)年降水量在此時(shí)間段有所下降。王珂清等[10]在研究淮河流域時(shí)，也得出過(guò)類(lèi)似結(jié)論。采用小波分析進(jìn)行周期性分析。為消除邊界效應(yīng)，將1957-2013年共57 a的年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行距平處理，同時(shí)采用對(duì)稱(chēng)延伸法將兩端數(shù)據(jù)外延；對(duì)上述數(shù)據(jù)小波變換分析，得出各不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)。從圖4可以看到不同時(shí)段各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱變化分布，其年際變化(小于10 a)尺度局部化特征明顯，年際變化周期在20世紀(jì)80年代以前，以5～6 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)，在20世紀(jì)80年代以后，以2～3 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。

圖2 年降水量變化趨勢(shì)分析Fig.2 The trend of the annual precipitation

圖3 年降水量M-K分析Fig.3 Mann-Kendall analysis of annual precipitation

3.2 年均氣溫變化特征

圖5為皖北地區(qū)逐年年均氣溫的變化擬合曲線以及3次樣條插值曲線，對(duì)皖北地區(qū)1957-2013年氣溫系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，皖北地區(qū)57 a的平均氣溫是15.0 ℃，年均氣溫系列極大值是2006年的16.1 ℃，極小值為1957年的13.7 ℃，系列標(biāo)準(zhǔn)差為0.25 ℃。皖北地區(qū)57 a的年均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，平均每十年上升0.21 ℃。此結(jié)果可以從3次樣條插值結(jié)果的趨勢(shì)線(單調(diào)上升)得到印證，并且與氣候變化背景下氣溫升高的大趨勢(shì)是相吻合的。應(yīng)用Mann-Kendall方法年均氣溫進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析，從M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，UF和UB曲線都超過(guò)了置信區(qū)間，且超出部分都大于1.96，說(shuō)明溫度上升明顯，且在置信區(qū)間于1993年左右UF和UB曲線相交，表明在該時(shí)間點(diǎn)存在突變,氣溫的上升趨勢(shì)有所變緩(見(jiàn)圖6)。從圖7可以看到年均氣溫在不同時(shí)段各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱變化分布，其年際變化尺度局部化特征明顯，周期以4～5 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)，其年代變化(大于10 a)尺度局部化特征也較為明顯，周期以11～12 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。

圖5 年均氣溫變化趨勢(shì)分析Fig.5 The trend of the annual temperature

圖6 年均氣溫M-K分析Fig.6 Mann-Kendall analysis of annual temperature

圖7 年均氣溫小波分析Fig.7 Wavelet analysis of annual temperature

3.3 年蒸發(fā)量變化特征

圖8為皖北地區(qū)逐年蒸發(fā)量的變化擬合曲線和3次樣條插值曲線，對(duì)皖北地區(qū)1961-2013年蒸發(fā)量系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，皖北地區(qū)57 a的平均年蒸發(fā)量是1 547.7 mm，年蒸發(fā)量系列極大值是1966年的2 066.5 mm，極小值為1991年的1 330.9 mm，系列標(biāo)準(zhǔn)差為12.5 mm。皖北地區(qū)57 a年蒸發(fā)量呈明顯下降趨勢(shì)。從3次樣條插值結(jié)果可知，皖北地區(qū)1961-2013年的年蒸發(fā)量呈現(xiàn)出“減-增-減”的變化趨勢(shì)，并在2007年左右的時(shí)候有明顯的下降。應(yīng)用Mann-Kendall方法對(duì)皖北地區(qū)57 a的年均氣溫進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)，從M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，UF和UB曲線都超過(guò)了置信區(qū)間，且大部分在0以下，表明皖北地區(qū)1961-2013年的年蒸發(fā)量下降明顯，與圖8的結(jié)果相吻合(見(jiàn)圖9)。UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)沒(méi)有交點(diǎn)，可以初步判斷皖北地區(qū)超過(guò)50 a的年蒸發(fā)量沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)。從圖10可以看到不同時(shí)段各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱變化分布，20世紀(jì)70年代之前，年際變化周期以5～6 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)，90年代之前，年代變化周期以10～11 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。

圖8 年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)分析Fig.8 The trend of the annual evaporation

圖9 年蒸發(fā)量M-K分析Fig 9 Mann-Kendall analysis of evaporation

圖10 年蒸發(fā)量小波分析Fig.10 Wavelet analysis analysis of evaporation

3.4 年徑流量變化特征

在皖北地區(qū)選取6個(gè)典型水文站點(diǎn)作為該地區(qū)年徑流量的代表站點(diǎn)。各水文站年徑流量的變化過(guò)程如圖11所示，從圖11中可以看出：王家壩和吳家渡水文站年徑流量時(shí)間序列的變化過(guò)程具有較高的吻合度，且一致性較強(qiáng)，都呈現(xiàn)出“減-增-減-增-減”的變化趨勢(shì)。其中，由線性趨勢(shì)分析可知，王家壩站的年徑流量時(shí)間序列呈現(xiàn)微弱的遞增趨勢(shì)，而吳家渡站的年徑流量時(shí)間序列變化趨勢(shì)并不明顯。位于泉河出水口的阜陽(yáng)閘站的年徑流量時(shí)間序列呈現(xiàn)出“增-減”的趨勢(shì)，由線性趨勢(shì)分析可知，該水文站的年徑流量時(shí)間序列呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。位于大沙河出水口的亳縣閘的年徑流量時(shí)間序列呈現(xiàn)出“增- 減- 增-減”的趨勢(shì)，由線性趨勢(shì)分析可知，該水文站年徑流量時(shí)間序列變化趨勢(shì)并不明顯。綜合各個(gè)水文站的年徑流量情況，可以得出初步結(jié)論：皖北地區(qū)的大部分地區(qū)的年徑流量時(shí)間序列的變化趨勢(shì)并不明顯。

圖11 年徑流量3次樣條插值分析Fig.11 Cubic spline interpolation analysis of annul runoff

采用M-K法對(duì)各水文站年徑流量的突變性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示，從圖12中可以看出：王家壩站、吳家渡站、阜陽(yáng)閘站以及亳縣閘站的UF和UB曲線都在置信區(qū)間內(nèi)，且存在多個(gè)交點(diǎn)，表明該4個(gè)水文站的年徑流量變化趨勢(shì)并不明顯，沒(méi)有突變性的增加或者減少?？偨Y(jié)各個(gè)水文站的年徑流量情況，可以得出初步結(jié)論：皖北地區(qū)的大部分地區(qū)的年徑流量時(shí)間序列并無(wú)突變性的增加或者減少。

采用小波分析法對(duì)水文站年徑流量的周期性進(jìn)行分析。

圖12 年徑流量M-K分析 Fig.12 Mann-Kendall analysis of annul runoff

從圖13可以看到不同時(shí)段各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱變化分布，王家壩站年徑流量的年際變化周期以5～6 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)；年代變化周期以16～17 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。吳家渡站年徑流量在20世紀(jì)80年代以前，年際變化周期以2～3 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)；在80年代之后，以6～7 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。在2000年之前，年代變化周期以11～12 a時(shí)間尺度最強(qiáng)。阜陽(yáng)閘站和亳縣閘站年徑流量的年際變化周期以5～6 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)，年代變化周期以15～16 a時(shí)間尺度信號(hào)最強(qiáng)。綜合各個(gè)水文站的基本情況，可以得出初步結(jié)論：皖北地區(qū)年徑流量存在5～6 a的震蕩周期和16 a左右的震蕩周期。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 皖北地區(qū)1957-2013年的年降水量無(wú)明顯的增加或減少趨勢(shì)，且突變性并不顯著，存在著2～3 a的和5～6 a的震蕩周期。

圖13 年徑流量小波分析Fig.13 Wavelet analysis analysis of annul runoff

(2)皖北地區(qū)1957-2013年的年均氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，且在1993出現(xiàn)了突變性的上升，總體上存在4～5 a的震蕩周期。

(3)皖北地區(qū)1961-2013年的年蒸發(fā)量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，但沒(méi)有出現(xiàn)突變性的下降，存在著5～6 a的震蕩周期。

(4)皖北地區(qū)1960-2006的年徑流量無(wú)明顯的增加或減少趨勢(shì)，且突變性并不顯著，存在著5～6 a和16 a左右的震蕩周期。

□

[1] 宋曉猛,張建云,占車(chē)生,等．氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)影響研究進(jìn)展[J]．水利學(xué)報(bào),2013,44(7)：779-790.

[2] Solomon S, Qin D, Manning M, et al. Climate change 2007: the physical science basis[M]. United Kingdom, Cambridge: Cambridge University Press,2007.

[3] 王 英,曹明奎,陶 波,等.全球氣候變化背景下中國(guó)降水量空間格局的變化特征[J].地理研究, 2006,25(6):1 031-1 040.

[4] Gu Ying, Lin Jing. Trend of annual run off for major river in china under climate change[J]. Procedia Engineering, 2012,28:564-568.

[5] 高 超,姜 彤,翟建青,等.過(guò)去(1958-2007)和未來(lái)(2011-2060)50年淮河流域氣候變化趨勢(shì)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2012,33(1):8-17.

[6] 高 歌,陳德亮,徐 影.未來(lái)氣候變化對(duì)淮河流域徑流的可能影響[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2008,19(6)：742-748.

[7] 王珂清,曾 燕,謝志清,等. 1961-2008年淮河流域氣溫和降水變化趨勢(shì)[J].氣象科學(xué),2012,32(6):671-677.

[8] 榮艷淑,周 云,王 文,等.淮河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(1)：15-22.

[9] 潘扎榮,阮曉紅,朱愿福,等. 近50年來(lái)淮河干流徑流演變規(guī)律分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(1)：52-59.

[10] 秦 濤,付宗堂. ArcGIS中幾種空間內(nèi)插方法的比較[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007,29(1):72-75.

[11] 衡 彤,王文圣,丁 晶.降水量時(shí)間序列變化的小波特征[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2002,11(5):466-470.

[12] 袁 喆,楊志勇，鄭曉東，等. 近50年來(lái)淮河流域降水時(shí)空變化特征分析[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(2):98-103.