李 德

（遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113000）

全球氣候變化大背景下，氣候變化一直是學(xué)科研究的熱點[1]。降水是氣候變化影響的重要指標之一，近些年來對降水演變的研究日益增多，對降水變化趨勢的分析也逐漸成為水文氣象研究領(lǐng)域的重要組成部分[2]。徐宗學(xué)[3]等研究了黃河流域降水趨勢并對比了線性回歸方法與Mann-Kendall法估算結(jié)果的區(qū)別；王大鈞[4]等利用1961年～2000年中國境內(nèi)561個氣象站的逐日降水資料，研究了中國降雨強度和降雨日數(shù)的變化趨勢。劉勤[5]等通過各月氣溫降水數(shù)據(jù)探討了50 a來黃河流域氣溫和降水量變化趨勢特征；楊霞[6]等利用1971年～2006年新疆地區(qū)98個氣象站的逐日降水資料，分析得出新疆多年降水量和雨日均為北疆多余南疆。姚宛艷[7]等采用算術(shù)平均等方法對黃河流域溫度和降水的變化特點和趨勢進行了分析，表明黃河流域年降水量呈顯著減少趨勢，流域季節(jié)降水量變化趨勢不明顯。陳冬冬[8]等研究了我國西北地區(qū)近五十年降水變化特征，表明西北地區(qū)以強降雨為主，降水比重呈增加趨勢。

本文根據(jù)觀音閣水庫流域1995年～2017年逐月降水量資料，利用降水集中度（期）、不均勻系數(shù)和滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法、R/S分析法從降水特征變化趨勢及未來趨勢等方面著手，研究觀音閣水庫流域降水變化特征，為分析流域內(nèi)水資源變化特征奠定基礎(chǔ)，同時為流域內(nèi)相關(guān)氣象和水文研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

觀音閣水庫位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面積2795 km2，總庫容21.68億m3。洪水主要發(fā)生在6至8月份，洪水成因主要是此期間的大暴雨，壩址以上流域多年平均降水量822.6 mm。本文選取觀音閣水庫流域內(nèi)8個雨量站1995年～2017年的實測降水量數(shù)據(jù)進行分析研究。

1.2 研究方法

本文以年降水量為研究對象，對觀音閣水庫流域年降水量特征進行分析，采用降水集中度、集中期和年內(nèi)降水不均勻系數(shù)，來分析觀音閣水庫年內(nèi)降水的特征。并運用滑動平均法、線性趨勢法、Mann-Kendall趨勢分析法和R/S分析法對降水量變化趨勢進行分析。

a)集中度與集中期

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）[9]是描述流域降水量年內(nèi)分配特征的參數(shù)，其中PCD反映年內(nèi)降水的集中程度，PCP則刻畫一年中的最大降水出現(xiàn)的時段，具體計算如下：

式中：Pi為第i年年平均降水量；Pxi為第i年各個月降水量之和在x軸方向上的分量；Pyi為第i年各個月降水量之和在y軸方向上的分量；pij為第i年第j月的降水量；θj為研究時段內(nèi)第j各月所對應(yīng)的方位角；i為年份；j為研究時間域內(nèi)的月序。

b）不均勻系數(shù)

式中：P0為年內(nèi)月平均降水量；n為月降水量大于年內(nèi)月平均降水量P0的個數(shù)；Pi為月降水量大于年內(nèi)月平均降水量起第i月的月降水量。

c)Mann-Kendall趨勢分析法

Mann-Kendall法是非參數(shù)統(tǒng)計檢驗的方法，目前，Mann-Kendall趨勢及突變檢驗法對水文站實測徑流時間序列趨勢變化及突變點的分析已被廣泛應(yīng)用于檢驗氣候與降雨的時間序列變化中，Mann-Kendall法能很好地揭示時間序列的趨勢變化。

d)R/S分析法

R/S(Re-scaled Range)是一種時間序列統(tǒng)計法。利用R/S分析法可以計算得Hurst指數(shù)H，該指數(shù)可以反映具有統(tǒng)計特性的非線性數(shù)據(jù)系列的持續(xù)性，適用于降水序列。通過Hurst指數(shù)，可判定降水時序的狀態(tài)持續(xù)性及其記憶長度。

2 降水量變化特征

2.1 年際變化特征

根據(jù)觀音閣水庫流域雨量站點實測降水量資料，統(tǒng)計觀音閣水庫流域年降水極值情況（見表1）。根據(jù)雨量站資料，通過算術(shù)平均法計算觀音閣水庫流域各年降水量，并繪制流域年降水量序列（見圖1）。由表1和圖1可知，觀音閣水庫流域平均年降水量為822.6 mm，其中2010年降水量最大（1410.2 mm），2014年降水量最?。?45.4 mm）。觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)年際變化大，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍，最大年降水值大于平均值71.4%，最小年降水值小于平均值33.7%。1996年到2004年間降水量均較少，2005年至2013年出現(xiàn)了降水高峰降水較多的年份有2005年（1017.7 mm），2010年（1410.2 mm），2012年（1090.1 mm），2013年（927.5 mm),2013年以后降水開始減少，處于低水平狀態(tài)。

表1 觀音閣水庫流域最大最小年降水量極值比和超平均值比例

圖1 觀音閣水庫流域年降水量序列

2.2 年內(nèi)變化特征

從觀音閣水庫流域1995年～2017年間平均降水量年內(nèi)分配（圖2）可以看出，降水量在各月的分配不均勻，降水主要集中在6月～9月，降水量最大值主要出現(xiàn)在8月，最大月降水量占 年降水量的25.4%；最小降水量均出現(xiàn)在1月，最小月降水量占年降水量的0.94%。

圖2 觀音閣水庫流域降水年內(nèi)分配圖

從表2可以看出，降水量也表現(xiàn)為較大的季節(jié)差異，全年降水主要集中在夏季（6月～8月），占全年降水量的64.5%；春季和秋季降水量相近，兩季降水量分別占全年降水量的16.6%、14.8%；冬季降水量較小，占全年降水量的4.1%。為深入分析臨水流域降水年內(nèi)分配特征變化規(guī)律，采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度（期）對臨水流域降水量年內(nèi)分配進行進一步分析。

表2 觀音閣水庫流域降水量特征值

利用集中度、集中期和不均勻系數(shù)計算方法，分別計算觀音閣水庫流域降雨集中度、集中期和不均勻系數(shù)。統(tǒng)計降水集中度、集中期和不均勻系數(shù)特征值（見表3），降雨集中度的多年平均值為59.7%，最大值為74.1%，最小值為46.5%；降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)多年平均值為42.0%，最大值為53.4%，最小值為32.4%，降雨集中度和不均勻系數(shù)高；降水集中期的平均值為183°，范圍為172°～196°。

表3 觀音閣水庫流域降水集中度（期）和不均勻系數(shù)特征值

繪制降水集中度（期）和不均勻系數(shù)年際變化曲線（見圖3）。由圖3 a可看出，降水集中度和降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化趨勢高度一致，二者均表明流域降水集中度高、不均勻。由圖3 b及圖2可看出，多年平均的降雨集中期是主要集中在6月～8月，這與觀音閣水庫流域所處氣候環(huán)境相吻合，此段時間正值西南系統(tǒng)、西北系統(tǒng)、東北系統(tǒng)活躍期，降雨量比較豐裕。

圖3 降水集中度（期）和不均勻系數(shù)年際變化曲線

3 降水量趨勢性與持續(xù)性分析

根據(jù)流域降水量數(shù)據(jù)，繪制出觀音閣水庫流域多年降水量時間序列圖（見圖4）。滑動平均法可以使序列高頻震蕩對變化趨勢分析的影響得以弱化[10]，本文降水量以5 a進行滑動平均，觀察圖4，觀音閣水庫流域降水量在1995年～2017年期間呈現(xiàn)階段性，在1996年～2004年曲線起伏平緩，且降水量較少，2005年～2013年降水量增多，曲線起伏較大，2013年以后降水量有逐漸減少，總體上，年降水量變化趨勢呈不明顯的微弱下降。

圖4 觀音閣水庫流域多年降水量時間序列

觀察圖5，春季降水量序列呈不明顯微弱上升趨勢，夏季降水量序列呈下降趨勢，秋季降水量序列呈上升趨勢，冬季降水量序列呈上升趨勢。

圖5 觀音閣水庫流域季節(jié)降水量時間序列

利用Mann-Kendall趨勢分析法，計算統(tǒng)計量U值，如果U＞0，表明有上升趨勢，如果U＜0，表明有下降趨勢，當U＞U0.05/2=1.96,表示序列趨勢變化顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列統(tǒng)計量U值的計算結(jié)果見表4，年降水量呈下降趨勢，春、夏季降水量呈下降趨勢，秋、冬季降水量呈上升趨勢。

表4 降水量Mann-Kendall統(tǒng)計值成果

利用Mann-Kendall法揭示序列的趨勢特征，R/S分析法揭示序列的持續(xù)性[11]，結(jié)合兩種方法綜合得出未來的趨勢特征[12]。Hurst系數(shù)H的取值范圍為（0,1），當H=0.5時，降水量序列為隨機序列，目前的強度不會影響未來趨勢；當H＞0.5時，降水序列具有持續(xù)性，存在長期記憶性，即下一個狀態(tài)將持續(xù)上一個狀態(tài)的態(tài)勢，且其記憶性不隨時間標度而變化，當H＜0.5時，系統(tǒng)是一逆持續(xù)性的，即下一個狀態(tài)與上一個狀態(tài)的態(tài)勢相反，這種逆持續(xù)性行為的強度取決于距離零的遠近，H距離零值越近，負相關(guān)性越顯著。

對觀音閣水庫流域降水量序列的未來趨勢進行預(yù)測，計算結(jié)果見表5。在2017年后的一定時間內(nèi)，觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，春、夏季降水量呈不顯著下降趨勢，秋、冬季降水量呈不顯著上升趨勢。

表5 降水量未來趨勢變化特征

4 結(jié)論

本文基于對觀音閣水庫流域內(nèi)8個雨量站降雨資料的分析，得出以下幾個重要結(jié)論：

a）觀音閣水庫流域年平均降雨量為822.6 mm，最大年降水值是最小年降水值的2.6倍,降雨量年際變化大；

b)利用集中度、集中期和不均勻系數(shù)分析了降水年內(nèi)分布情況，降雨集中度和降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)高，降水年內(nèi)分布不均勻、集中度高；6月～8月是全年降雨的集中期，要注意當?shù)氐某擎?zhèn)防洪和鄉(xiāng)村的山洪地質(zhì)災(zāi)害，做好相關(guān)預(yù)防工作；

c)采用非參數(shù)Mann-Kendall檢驗方法分析了觀音閣水庫流域降雨量的變化趨勢，結(jié)果表明觀音閣水庫流域春季、夏季降雨量均存在減小趨勢，秋季和冬季降雨量有增加趨勢；年均降雨量總體呈現(xiàn)弱下降趨勢，以上變化趨勢均不顯著；

d)2017年后的一定時間內(nèi)，觀音閣水庫流域年降水量呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢，春季、夏季降水量呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢，秋季、冬季降水量呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢。