白 靜

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 73000)

1 研究背景

近年來，隨著全球氣候的不斷變化，人們的生活也隨著氣候的變化而變化著。各種極端氣候使得人們的生活越來越受到限制，這就表明氣候的變化不僅僅會(huì)威脅生態(tài)安全，同時(shí)也會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活形成極大地影響[1]。黑河流域位于我國北方地區(qū)，流域的水文變化、氣候要素等成為社會(huì)學(xué)者研究的重點(diǎn)區(qū)域，黑河流域的水文氣候變化主要表現(xiàn)在流域的徑流變化，氣溫的變化，以及當(dāng)?shù)亟邓康淖兓?。研究黑河流域水文特征和近些年來的氣象特征?duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活、土地的開發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著極大地現(xiàn)實(shí)意義。隨著研究的逐步展開，我們發(fā)現(xiàn)黑河流域徑流的變化及氣象特征的演變發(fā)展研究只是停留在理論分析階段，還需要不斷的深入研究，通過單一的數(shù)理統(tǒng)計(jì)不可能全面的分析得出結(jié)論，還需要進(jìn)行多種原因的具體情況具體分析，才能更深入，更切合實(shí)際的得到相應(yīng)的研究成果，近年來研究成果也逐步得到體現(xiàn)，例如韓舜濱通過相關(guān)科學(xué)方法的測(cè)定，得出黑河流域徑流的變化與氣溫程正相關(guān)關(guān)系[2]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黑河位于甘肅省南部，是甘肅省內(nèi)的一條內(nèi)陸河。黑河的源頭為祁連山冰川形成的，海拔約為5 000 m，因此黑河的形成與冰川的融化有著一定的相關(guān)關(guān)系，也就與當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓兄欢ǖ穆?lián)系[3]。黑河全長(zhǎng)900多 km，流域涉及甘肅西南部，面積約為4萬多 km2。黑河由青海省匯入甘肅，其在青海省的集水面積約為1萬多 km2，由黃藏寺入甘肅境內(nèi)，流量約為100多億 m3，在甘肅省境內(nèi)長(zhǎng)近100 km，由數(shù)支支流匯合而成。流域面積內(nèi)各種野生動(dòng)物匯集，是野生動(dòng)物遷徙的重要水源補(bǔ)給站，同時(shí)下游的一些工業(yè)城市，也需要提取黑河河水進(jìn)行工業(yè)和生活用水補(bǔ)給。因此，黑河流域水文特征和近些年來的氣象特征對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活、土地的開發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著極大地現(xiàn)實(shí)意義[4]。黑河是張掖市、臨澤縣、高臺(tái)縣、下游金塔以東和額濟(jì)納旗綠洲工業(yè)和生活用水的主要來源。

2.2 數(shù)據(jù)來源

通過對(duì)近五十年黑河流域的正義峽水文站的徑流情況進(jìn)行分析和研究，能夠直觀、準(zhǔn)確的得到黑河流域徑流的變化情況，從而對(duì)黑河流域徑流變化對(duì)當(dāng)?shù)厮奶卣鳌庀筇卣餍纬傻挠绊戇M(jìn)行有效的分析判斷。正義峽水文站是檢測(cè)黑河流域徑流變化的主要觀測(cè)點(diǎn)，其位置及概況如圖1所示，通過正義峽水文站的檢測(cè)，為下一步的深入研究提供了堅(jiān)實(shí)可靠的理論依據(jù)。隨著全球氣候的不斷變化，人們的生活也隨著氣候的變化而變化著。各種極端氣候使得人們的生活越來越受到限制，這就表明氣候的變化不僅僅會(huì)威脅生態(tài)安全，同時(shí)也會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活形成極大地影響[5]。通過對(duì)1964-2016年該流域年徑流數(shù)據(jù)及各種科學(xué)資料進(jìn)行有效分析，運(yùn)用累積距平法等幾種精確地研究方法對(duì)流域近些年來的變化特征進(jìn)行科學(xué)、有效的分析，結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)黑河流域徑流特征與當(dāng)?shù)貧鉁丶敖邓g的聯(lián)系進(jìn)行判定，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，分析得到相應(yīng)的理論結(jié)果，并通過雙累計(jì)曲線法對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 正義峽水文站概況圖

2.3 研究方法

本文采用的理論分析法為：累積距平法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法及R/S法。通過以上理論統(tǒng)計(jì)方法，能夠直接、精準(zhǔn)的對(duì)黑河流域徑流的變化，氣溫的變化，降水的變化所形成的影響進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，然后結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)流域內(nèi)的氣象變化形成的影響進(jìn)行有效的分析[6]。隨著研究的逐步展開，黑河流域徑流的變化所收到的影響或干擾因素逐步發(fā)掘，但也僅限于理論階段，還需要不斷的深入研究，通過單一的數(shù)理統(tǒng)計(jì)不可能全面的分析得出結(jié)論，還需要多要素組合的水文氣象研究，才能更深入，更切合實(shí)際的得到相應(yīng)的研究成果，同時(shí)要多結(jié)果進(jìn)行合理的驗(yàn)證分析，我們引進(jìn)雙累積曲線法對(duì)黑河流域徑流變化與氣溫的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，得出相應(yīng)的驗(yàn)證結(jié)果。

2.3.1 累積距平法

累積距平法是利用累積的方法將數(shù)據(jù)分析為曲線形式，從而對(duì)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行更加有效的分析。將變化形式進(jìn)行分析得到如下計(jì)算公式：

(1)

2.3.2 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，該方法是通過參數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)水文氣象的變化趨勢(shì)進(jìn)行有效的判斷，根據(jù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)判斷結(jié)合數(shù)據(jù)理論分析，總結(jié)出以下計(jì)算公式：

(2)

式中:U為一種系數(shù)，標(biāo)明的一種相互關(guān)系；τ為通過數(shù)據(jù)得到的統(tǒng)計(jì);k為一種在觀測(cè)過程中得到的數(shù)值;n為序列長(zhǎng)度;Var(τ)為系列樣本方差。隨著U值得不斷變化，標(biāo)明數(shù)列的相對(duì)值越大，也就說明因變量變化的幅度也就越大。

2.3.3 R/S分析法

R/S分析法也是利用時(shí)間序列的變化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷的一種方法。結(jié)合數(shù)據(jù)理論得出下列計(jì)算公式：

(3)

用X(t，τ)表示累積離差:

(4)

極差R定義為:

(5)

標(biāo)準(zhǔn)差S定義為:

(6)

將上述公示進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算得到如下公示：

R(τ)/S(τ)=(bτ)H

(7)

2.3.4 基于滑動(dòng)偏相關(guān)系數(shù)的徑流-氣象要素關(guān)系變異診斷

根據(jù)黑河流域與氣溫的相關(guān)關(guān)系，分析得出如下計(jì)算式：

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 黑河水文氣象要素特征分析

3.1.1 降水要素序列趨勢(shì)變化特征

隨著近年來氣候的逐漸變化，黑河流域近五十年來流域內(nèi)的降水量逐步上升，通過數(shù)據(jù)分析我們可以得到，黑河流域年降水量最大值和最小值分別為1987年和1978年，降水量分別為539 mm和 294 mm，同時(shí)通過數(shù)據(jù)還可以得到該流域年平均降水量為387 mm。通過累計(jì)距平法，從曲線上可以觀察到，隨著時(shí)間的推移，黑河流域降水量在不斷減小。非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法Mann-Kendall用于檢驗(yàn)?zāi)杲邓啃蛄?見表1),年降水量的統(tǒng)計(jì)量,滿足顯著性水平要求,這種情況反映了黑河流域降水量逐漸增加。依據(jù)R/S法分析得出(見表1),1964-2016年降水長(zhǎng)系列Hurst指數(shù),說明隨著時(shí)間的推移，黑河流域降水量可能會(huì)不斷的增加。將數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析，我們得到正義峽水文氣象要素序列變化趨勢(shì)如表1所示。

3.1.2 氣溫要素序列趨勢(shì)變化特征

通過進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[7]，我們可以得到黑河流域正義峽水文站從1964年開始到2016年的年平均氣溫累積距平曲線，如圖2所示。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，從1964年開始到2016年，年變化率為0.27℃/10a，黑河流域的年平均氣溫呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，同時(shí)從正義峽水文站年平均氣溫及累積距平變化過程線可以得到，該流域年平均氣溫為5.6℃，年均最高氣溫和最低氣溫分別發(fā)生于2015年和1984年，年平均氣溫分別為7.01℃和4.12℃。從正義峽水文站年均氣溫及累積距平變化過程線中可以清晰的發(fā)現(xiàn)，黑河流域的氣溫變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化，即1996年之前，年份越靠前，氣溫越低，而在1996年之后，該區(qū)域氣溫逐年升高。用非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)?zāi)昶骄鶜鉁匦蛄械内厔?shì)(見表1),年均氣溫的統(tǒng)計(jì)量U=4.33>Uα/2=2.56>0,滿足α=0.001顯著水平要求,說明黑河流域年均氣溫增加趨勢(shì)極顯著依據(jù)R/S法分析得出(見表1),1964-2016年年均氣溫長(zhǎng)系列Hurst指數(shù)H=0.78>0.5,指示年均氣溫序列呈現(xiàn)出正持續(xù)性,說明在未來氣溫將呈現(xiàn)出明顯的持續(xù)增加趨勢(shì)。

圖2 正義峽水文站年均氣溫及累積距平變化過程線

3.1.3 徑流要素序列趨勢(shì)變化特征

通過進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)正義峽水文站的徑流變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出相關(guān)曲線，如圖3所示。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，從1964年開始到2016年，黑河流域的年平均徑流呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，該流域年平均徑流為3.2×108m3，年均最大徑流和最小徑流分別發(fā)生于1999年和1992年，年平均徑流分別為4.4×108m3和2.4×108m3。從正義峽水文站年均徑流及累積距平變化過程線中可以清晰的發(fā)現(xiàn)，黑河流域的徑流變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化，即1994年之前，時(shí)間越往前推移，徑流越小，而在1994年之后，時(shí)間推移，徑流變大。運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn),年徑流統(tǒng)計(jì)量U=1.00,不滿足α=0.05顯著水平,徑流不增加。采用R/S法分析年徑流的持續(xù)特征,結(jié)果表明年徑流的Hurst指數(shù)為H=0.68>0.5,徑流序列呈現(xiàn)出正持續(xù)性,說明在未來徑流將呈現(xiàn)出明顯的持續(xù)增加趨勢(shì)。

圖3 正義峽水文站年徑流量及累積距平變化過程線

3.2 黑河水文氣象要素序列變化相關(guān)性分析

在對(duì)黑河水文氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，我們使用Pearson相關(guān)分析法。對(duì)黑河流域徑流變化與氣溫變化及降水變化之間的互相關(guān)關(guān)系進(jìn)行一定程度的判斷和分析。通過將黑河流域徑流的變化與春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的平均氣溫變化所形成的的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，可以得到氣溫逐年升高，伴隨著徑流也在逐步提升；同時(shí)將黑河流域春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的降水情況與徑流情況進(jìn)行分析得出，降水的增加，其徑流逐步減小。而從影響程度上分析的話，顯然氣溫對(duì)徑流的影響更大一些，降水對(duì)徑流的影響較小。

3.3 黑河徑流-氣溫關(guān)系變異診斷分析

根據(jù)上述相關(guān)性分析可以得出：黑河流域徑流變化與氣溫的關(guān)系更為緊密，也就表明，黑河流域氣溫的逐漸升高，流域的徑流也在逐步提升，氣溫降低，其徑流逐步減小。因此我們選取了從1964年到2016年黑河流域徑流與降水的相關(guān)性進(jìn)行分析，按月為單位進(jìn)行細(xì)致研究。通過圖4可以看到，1985年之前，氣溫增加，年徑流變化程度相對(duì)較小，1985年之后，氣溫增加，年徑流變化程度較大，因此我們可以得出如下結(jié)論：1985年是黑河流域徑流與氣溫的相關(guān)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變的一年。

圖4 1964-2016年正義峽水文站不同滑動(dòng)窗口下徑流-氣溫偏相關(guān)系數(shù)圖

我們將上述研究成果進(jìn)行一定程度的驗(yàn)證。如圖5所示，我們可以從圖中發(fā)現(xiàn)，曲線的變化最大處發(fā)生在1985年，即表明黑河流域1985年之前，黑河流域徑流和氣溫之間的相關(guān)關(guān)系較低，而1985年之后這種相關(guān)關(guān)系逐步增強(qiáng)，這就說明1985年是黑河流域徑流和氣溫的關(guān)系在1985年發(fā)生比較大的轉(zhuǎn)變。

圖5 正義峽水文站徑流-氣溫聯(lián)合序列雙累積曲線圖

4 結(jié)語

通過對(duì)1964-2016年該流域年徑流數(shù)據(jù)及各種科學(xué)資料進(jìn)行有效分析，運(yùn)用累積距平法等幾種精確地研究方法對(duì)流域近些年來的變化特征進(jìn)行科學(xué)、有效的分析，結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)黑河流域徑流特征與當(dāng)?shù)貧鉁丶敖邓g的聯(lián)系進(jìn)行判定，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，分析得到相應(yīng)的理論結(jié)果，并通過雙累計(jì)曲線法對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過分析得出，氣溫是對(duì)黑河流域氣象變化影響最大的因素，同時(shí)理論數(shù)據(jù)分析得出變化的轉(zhuǎn)折年限為1985年，也就表明1985年是黑河流域氣候水文變化轉(zhuǎn)折最大的一年。