季宗虎， 孫棟元， 牛最榮， 王興繁， 武蘭珍，馬亞麗， 陳彩蘋， 崔艷強(qiáng)

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

降水作為重要的水文要素，同時(shí)也是水循環(huán)的基本環(huán)節(jié)，降水變化對(duì)氣象學(xué)和水文學(xué)有著至關(guān)重要的作用，分析降水變化特征對(duì)水資源的高效利用有重要影響，同時(shí)為自然災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。疏勒河流域地處河西走廊西端，承擔(dān)著整個(gè)地區(qū)的工農(nóng)業(yè)用水，由于特殊的地理位置降水主要受西風(fēng)帶環(huán)流控制，受東亞夏季風(fēng)影響較弱［1］，雨季較短且降水量極少，降水持續(xù)時(shí)間短，年降水量呈現(xiàn)出由北向南逐漸增加。因此，降水對(duì)該地區(qū)的氣候變化影響極為敏感，降水特征變化的研究為氣候變化、水文預(yù)報(bào)和水資源區(qū)域分布提供了重要依據(jù)，對(duì)此流域夏季暴雨預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)工作和短期氣候研究具有重要作用，為生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)［2-7］。

目前，關(guān)于降水變化特征的研究主要利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感空間數(shù)據(jù)和影像資料來進(jìn)行降水變化趨勢(shì)、突變及周期規(guī)律分析。齊天杰等［8］利用1960—2020 年的實(shí)時(shí)降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和Morlet小波分析法對(duì)研究區(qū)多年降水突變、周期變化規(guī)律以及降水集中期和集中度進(jìn)行了研究；楊俊等［4］采用累積距平法等方法分析了黃土高原典型小流域降水量年際變化、年內(nèi)變化、年代變化和突變特征；張靜雯等［9］以武漢市1951—2017 年的逐日降水資料為分析基礎(chǔ)，利用了Mann-Kendall 檢驗(yàn)法等方法對(duì)區(qū)域降水進(jìn)行分析。疏勒河流域作為河西地區(qū)重要的水源地之一，該流域的降水量對(duì)于整個(gè)河西地區(qū)尤為重要，關(guān)系到河西地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展。學(xué)者們對(duì)疏勒河流域的降水變化進(jìn)行了廣泛研究，孫棟元等［3］利用疏勒河干流3 個(gè)水文站1956—2016 年逐月、逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)降水量年內(nèi)變化、年代際變化、季節(jié)變化和突變特征等進(jìn)行了分析；王靜［10］收集了疏勒河區(qū)域內(nèi)6個(gè)雨量測(cè)站的數(shù)據(jù)，采用時(shí)序累積法、模比系數(shù)差積曲線探究了系列資料的合理性。本文基于前人的分析方法，綜合分析了疏勒河流域近60 a 降水變化特征，目的在于了解疏勒河流域降水規(guī)律，為有效應(yīng)對(duì)汛期和旱期降水提供參考。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于河西走廊西端，是甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一。地理位置介于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N（圖1），海拔800～5730 m 之間，基本呈現(xiàn)東南高西北低，干流長(zhǎng)670 km，流域面積為4.13×104km2。流域?qū)俚湫蛢?nèi)陸干旱半干旱性氣候，降水集中在6—9 月，年降水量40.2～57.5 mm，年蒸發(fā)量2577.4～2653.2 mm，山地對(duì)水汽的阻擋與抬升使山區(qū)降水相對(duì)較多［3,11-12］。其中，昌馬堡站位于疏勒河上游，潘家莊站和雙塔堡水庫(kù)站位于疏勒河干流中下游，黨城灣站位于疏勒河流域黨河上游，黨河水庫(kù)站位于疏勒河流域黨河中游。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料來源與處理

所有數(shù)據(jù)來源于甘肅省水文站，選用疏勒河流域昌馬堡、潘家莊、雙塔堡水庫(kù)、黨城灣和黨河水庫(kù)5個(gè)水文站1960—2020年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，進(jìn)行流域降水變化特征的分析。

2.2 研究方法

采用線性傾向擬合與滑動(dòng)平均來描述降水變化趨勢(shì)與特征［13-16］；利用累計(jì)距平法分析年際變化趨勢(shì)，同時(shí)利用累計(jì)距平最大絕對(duì)值可判斷出大致的突變時(shí)間［13-17］；Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，能夠很好的進(jìn)行突變和趨勢(shì)性分析［14-15,18］；小波分析是降水與時(shí)間關(guān)系轉(zhuǎn)化為降水頻數(shù)和時(shí)間關(guān)系的一種方法，通過分析周期和頻數(shù)之間的變化關(guān)系來確定時(shí)間序列的周期性［13-15,19］。利用降水量分配的向量法推演出不均勻性和集中度，可以很好的反應(yīng)該流域降水的非均勻性分布特征［20-22］，基于重標(biāo)極差分析法（R/S）的Hurst指數(shù)可以定量描述長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)相關(guān)性，其數(shù)據(jù)大小可作為預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)的依據(jù)［23-25］。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水年變化特征

近60 a 疏勒河流域5 個(gè)水文站降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，各特征值見表1。由圖2 可以看出，5 個(gè)水文站均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，昌馬堡站降水量線性傾向率為0.505 mm·a-1，年均降水量以5.05 mm·(10a)-1的速率增加，65 a 內(nèi)增加了32.83 mm；潘家莊站降水量線性傾向率為0.069 mm·a-1，年均降水量以0.69 mm·(10a)-1的速率增加，62 a內(nèi)增加了4.28 mm；雙塔堡水庫(kù)站降水量線性傾向率為0.111 mm·a-1，年均降水量以1.11 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 內(nèi)增加了6.78 mm；黨城灣站降水量線性傾向率為0.923 mm·a-1，年均降水量以9.23 mm·(10a)-1的速率增加，61 a內(nèi)增加了56.29 mm；黨河水庫(kù)站降水量線性傾向率為0.056 mm·a-1，年均降水量以0.56 mm·(10a)-1的速率增加，61 a 內(nèi)增加了3.42 mm。其中，1956—1972年和1985—2001年（昌馬堡站）、1959—1973 年和1985—2011 年（潘家莊站）、1960—1969年和1984—2011年（雙塔堡水庫(kù)站）、1960—2014年（黨城灣站）、1985—2003 年和2008—2011 年（黨河水庫(kù)站）時(shí)間段曲線呈下降趨勢(shì)，該時(shí)間段該流域處于少雨期，1973—1984 年和2002—2020 年（昌馬堡站）、1974—1984年和2012—2020年（潘家莊站）、1970—1983 年和2012—2020 年（雙塔堡水庫(kù)站）、2015—2020 年（黨城灣站）、1970—1984 年、2004—2007 年和2012—2020 年（黨河水庫(kù)站）時(shí)間段曲線呈上升趨勢(shì)，該時(shí)間段該流域處于多雨期。從疏勒河流域5個(gè)站的5 a滑動(dòng)平均曲線可以看出，除黨城灣站年均降水量1964—2014年較為穩(wěn)定，2014年以后快速上升，其余4 個(gè)站年均降水量均呈現(xiàn)緩慢增加-減小-增加波動(dòng)變化趨勢(shì)。

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

圖2 疏勒河流域年降水量和降水量累積距平變化Fig.2 Changes in annual precipitation and cumulative distance level of precipitation in the Shule River Basin

總體上，疏勒河流域各水文站降水量均以不同程度增長(zhǎng)，年降水量各站傾向排序?yàn)椋狐h城灣站9.23 mm·(10a)-1>昌馬堡站5.05 mm·(10a)-1>雙塔堡水庫(kù)站1.11 mm·(10a)-1>潘家莊站0.69 mm·(10a)-1>黨河水庫(kù)站0.56 mm·(10a)-1。

3.2 降水突變性特征

由圖3a 可知，UFk和UBk主要相交于1966 年和2000 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，昌馬堡站平均降水突變發(fā)生在1966 年和2000 年，由圖可知，該站自20 世紀(jì)50 年代以后UFk均>0，降水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其在20 世紀(jì)70 年代前期至90 年代前期和21 世紀(jì)10 年代以后，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），表明在此段時(shí)間內(nèi)該站平均降水量上升趨勢(shì)顯著。

圖3 疏勒河流域年平均降水突變檢驗(yàn)Fig.3 Test of sudden change of annual average precipitation in the Shule River Basin

由圖3b 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2015 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，潘家莊站平均降水突變發(fā)生在1990 年和2015 年，由圖可知，該站自20世紀(jì)60年代前期至90年代前期、21世紀(jì)10 年代中期以后UFk>0，表明平均降水量呈上升趨勢(shì)，尤其在20世紀(jì)70年代后期至80年代中期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），表明在此段時(shí)間內(nèi)該站平均降水量上升趨勢(shì)顯著。

由圖3c 可知，UFk和UBk主要相交于1990 年和2012 年，并且均位于臨界線±1.96 之間，因此，雙塔堡水庫(kù)站平均降水突變發(fā)生在1990 年和2012 年，由圖可知，該站自20 世紀(jì)60 年代以后UFk均>0，降水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其在20 世紀(jì)70 年代后期至80年代前期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），表明在此段時(shí)間內(nèi)該站平均降水量上升趨勢(shì)顯著。

由圖3d 可知，UFk和UBk主要相交于1972 年、1980 年和2015 年，只有1980 年不在臨界線±1.96 之間，因此，黨城灣站平均降水突變發(fā)生在1972 年左右和2015年左右，由圖可知，該站自20世紀(jì)60年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趨勢(shì)，尤其在20世紀(jì)80年代前期，突變曲線通過0.05顯著性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），表明在此段時(shí)間內(nèi)該站平均降水量上升趨勢(shì)顯著。

由圖3e 可知，UFk和UBk無明顯交點(diǎn)，說明黨河水庫(kù)站近60 a 降水無突變現(xiàn)象，由圖可知，該站自20 世紀(jì)60 年代以后UFk均>0，表明平均降水量呈上升趨勢(shì)，尤其在20 世紀(jì)80 年代前期，突變曲線通過0.05 顯著性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），表明在此段時(shí)間內(nèi)該站平均降水量上升趨勢(shì)顯著。

3.3 降水趨勢(shì)性特征

疏勒河流域各水文站降水趨勢(shì)系數(shù)如表2 所示，從表中可以看出，5 個(gè)水文站降水量Sen’s 指標(biāo)均為正值，有增加趨勢(shì)，其中，昌馬堡站和黨城灣站分別以5.05 mm·(10a)-1和9.23 mm·(10a)-1速率增長(zhǎng)，根據(jù)M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算得Z值分別為2.75 和2.24，采用信度為95%的顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)|Z|>1.96，通過了顯著性檢驗(yàn)，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；而潘家莊站、雙塔堡水庫(kù)站、黨河水庫(kù)站分別以0.69 mm·(10a)-1、1.11 mm·(10a)-1和0.56 mm·(10a)-1速率增長(zhǎng)，通過MK 趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算得|Z|<1.96，均未通過顯著性檢驗(yàn)，增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。

表2 疏勒河流域各站降水量變化趨勢(shì)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

采用小波分析法計(jì)算疏勒河流域近60 a全年降水小波分析變換系數(shù)和小波方差，并做出相應(yīng)實(shí)部時(shí)頻圖和方差圖。由圖4a可知，昌馬堡站全年降水的小波實(shí)部圖主要存在55～60 a、5～10 a 和2～5 a 3個(gè)特征時(shí)間尺度，從小波方差圖可以看出，存在56 a、8 a、4 a 3 個(gè)明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為56 a，第二主周期為8 a，第三主周期為4 a；由圖4b 可知，潘家莊站全年降水主要存在52～60 a 和28～34 a 2 個(gè)特征時(shí)間尺度，存在58 a、32 a、4 a 3個(gè)明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為58 a，第二主周期為32 a，第3 主周期為4 a；由圖4c 可知，雙塔堡水庫(kù)站全年降水主要存在53～58 a 1個(gè)特征時(shí)間尺度，存在55 a、12 a、5 a 3 個(gè)明顯的波峰，所以該站全年降水的第1 主周期為55 a，第二主周期為12 a，第三主周期為5 a；由圖4d可知，黨城灣站全年降水主要存在30～35 a 1個(gè)特征時(shí)間尺度，存在33 a 1 個(gè)明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為33 a；由圖4e 可知，黨河水庫(kù)站全年降水主要存在3～8 a 和50～60 a 2 個(gè)特征時(shí)間尺度，存在55 a、8 a、4 a 3 個(gè)明顯的波峰，所以該站全年降水的第一主周期為55 a，第二主周期為8 a，第三主周期為4 a。

3.5 降水持續(xù)性分析

結(jié)合圖5和表3分析結(jié)果可知，疏勒河流域5個(gè)水文站降水量的Hurst 指數(shù)分別為：昌馬堡站（0.7169）、潘 家 莊 站（0.7489）、雙 塔 堡 水 庫(kù) 站（0.6980）、黨城灣站（0.7259）、黨河水庫(kù)站（0.6984），均>0.5，表明未來降水量將與過去60 a 左右的變化趨勢(shì)相同，即表現(xiàn)出正持續(xù)性特征，故可預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間該站降水量將出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，潘家莊站Hurst 指數(shù)最大為0.7489，表現(xiàn)為較強(qiáng)的正持續(xù)性。

3.6 降水不均勻性與集中度變化分析

由圖6 和表4 可知，疏勒河流域各站降水集中度波動(dòng)范圍，多年平均值為0.58。昌馬堡站降水量集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，傾向率為0.007·(10a)-1，近60 a 集中度（PCD）有32 a 大于均值，說明降水分配較集中；潘家莊站集中度（PCD）呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，傾向率為0.017·(10a)-1，有32 a大于均值，說明降水分配較集中；雙塔堡水庫(kù)站集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，傾向率為0.015·(10a)-1，有29 a 大于均值，說明降水分配較集中；黨城灣站集中度（PCD）呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，傾向率為0.003·(10a)-1，有29 a大于均值，說明降水分配較集中；黨河水庫(kù)站集中度（PCD）呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，傾向率為0.01·(10a)-1，有28 a大于均值，說明降水分配較集中。

表4 疏勒河流域各站降水量集中度和分配不均勻系數(shù)分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of precipitation concentration and distribution inhomogeneity coefficient of each station in Shule River Basin

圖6 疏勒河流域集中度年際變化Fig.6 Interannual variation curve of concentration in the Shule River Basin

從圖7 和表4 可以看出，疏勒河流域各站降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)（Cv）變化范圍和多年平均值。其中，流域年內(nèi)降水多年平均值均為0.53，表現(xiàn)出多年降水量分配較不均勻。該流域近60 a以來降水不均勻系數(shù)呈遞減趨勢(shì)，昌馬堡站傾向率為-0.002·(10a)-1；潘家莊站傾向率為-0.002·(10a)-1。雙塔堡水庫(kù)站傾向率為-0.012·(10a)-1。黨城灣站傾向率為-0.007·(10a)-1。黨河水庫(kù)站傾向率為-0.008·(10a)-1。

圖7 疏勒河流域不均勻系數(shù)年際變化Fig.7 Interannual variation curve of the inhomogeneity coefficient of the Shule River Basin

綜上所述，降水量集中度（PCD）和不均勻系數(shù)（Cv）呈現(xiàn)微弱的遞減趨勢(shì)，其中，傾向率潘家莊站0.017·(10a)-1>雙塔堡水庫(kù)站0.015·(10a)-1>黨河水庫(kù)站0.01·(10a)-1>潘家莊站0.007·(10a)-1>黨城灣站0.003·(10a)-1，流域年降水量較為集中；不均勻系數(shù)昌馬堡站、潘家莊站-0.002·(10a)-1>黨城灣站-0.007·(10a)-1>黨河水庫(kù)站-0.008·(10a)-1>雙塔堡水庫(kù)站-0.012·(10a)-1。

4 降水變化趨勢(shì)差異性分析

本文從疏勒河流域年降水量變化特征、趨勢(shì)性、周期性、持續(xù)性、不均勻性和集中度進(jìn)行了分析，區(qū)別于以往只對(duì)該區(qū)域進(jìn)行常規(guī)線性分析或?qū)€(gè)別站點(diǎn)進(jìn)行探討，對(duì)分析整個(gè)疏勒河流域存在一定的局限性［3,26-29］。通過趨勢(shì)性分析和檢驗(yàn)表明，過去幾十年內(nèi)該區(qū)域降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，已有研究也表明了該結(jié)論，與孫棟元等［3］、劉國(guó)紅［28］研究結(jié)果一致性較高；結(jié)合該流域5個(gè)水文站分析可知，年降水量從東往西降水量依次減少，從南到北也依次減少，與張重花等［30］、鄭續(xù)等［31］分析得出該流域1958—2018 年從上游到下游降水量衰減，整個(gè)流域降水量呈增加趨勢(shì)。

疏勒河流域由于受全球氣候變暖和特殊的地理位置因素，同時(shí)受西風(fēng)帶環(huán)流和氣流擾動(dòng)作用，西南部山區(qū)隨著海拔升高降水呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，為此降水和冰雪融水是整個(gè)流域水資源的主要來源。由于該流域南高北低，夏季的暖濕氣流被阻擋在南部山區(qū)，而冬季盛行西北風(fēng)導(dǎo)致降水少，使得南部山區(qū)降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，流域北部平原不利于留住暖濕氣團(tuán)，很難形成降水，造成了北邊平原干旱少雨的氣候特征。此流域與受季風(fēng)環(huán)流影響的河西走廊黑河和石羊河不同，因而其山區(qū)氣候變化與其余兩條河流存在較大差異，為此導(dǎo)致南部山區(qū)降水明顯多于平原地區(qū)的降水，呈現(xiàn)出從東南向西北依次減少的規(guī)律［30-32,1］。因此，綜合分析降水的形成和變化特征，有助于合理利用該流域的水資源，需要綜合考慮多種因素。

雖然，本研究用長(zhǎng)序列多要素對(duì)降雨進(jìn)行了分析，但是每種要素僅用一種分析方法具有一定局限性，由于干旱內(nèi)陸地區(qū)的特殊性在今后的研究中需要結(jié)合最優(yōu)降水插值法，并考慮氣溫、氣流運(yùn)動(dòng)等多種自然因素的影響對(duì)該流域降水特征進(jìn)行分析，況且以往對(duì)該區(qū)域的降水趨勢(shì)性研究已有很多，但未來降水特征如何變化需要更加深入的理解，用多種方法進(jìn)行分析來降低誤差，來探討未來的時(shí)空變化［33-36］。

5 結(jié)論

本文利用疏勒河流域5個(gè)水文站逐月降水量實(shí)測(cè)資料，分析了年降水演變特性和變化特征，得出下述主要結(jié)論：

（1）昌馬堡（1956—2020 年）、潘家莊（1959—2020 年）、雙塔堡水庫(kù)、黨城灣和黨河水庫(kù)（1960—2020 年）多年實(shí)測(cè)年均降雨量分別為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。證實(shí)該流域由南向北降水量的增長(zhǎng)率和多年平均值均呈現(xiàn)遞減。

（2）昌馬堡站和黨城灣站Z值分別為2.75 和2.24，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，而雙塔堡站、潘家莊站和黨河水庫(kù)站Z值分別為0.32、0.67 和0.27，增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。由于疏勒河流域各站年降水線性傾向率和累積距平曲線波動(dòng)不同，所以年降水量呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，降水量均呈現(xiàn)不同時(shí)段升降變化過程。

（3）昌馬堡在1966 年和2000 年發(fā)生突變；潘家莊在1990 年和2015 年左右發(fā)生突變；雙塔堡水庫(kù)在1990 年和2012 年左右發(fā)生突變；黨城灣在1972年和2015年左右發(fā)生突變；黨河水庫(kù)無明顯突變現(xiàn)象。各站在近代突變后降水遞增趨勢(shì)波動(dòng)升高，而黨河水庫(kù)站則呈現(xiàn)波動(dòng)降低，從各站突變特征曲線處于置信水平線之內(nèi)情況來看，與M-K 趨勢(shì)分析結(jié)果一致。

（4）該流域5 個(gè)站點(diǎn)全年降水量的第一主周期除黨城灣站為33 a，其余站大概以55 a左右為主，在第一主周期時(shí)間尺度上降水量“豐-枯”交替出現(xiàn)，呈準(zhǔn)2 次震蕩，其中黨城灣在2020 年后繼續(xù)增長(zhǎng)，該時(shí)段的周期變化較為穩(wěn)定，具有全域性。

（5）疏勒河流域多年降水量集中度（PCD）和分配不均勻系數(shù)（Cv）分別大致在0.19～0.89 和0.32～0.72 之間波動(dòng)，降水量集中度（PCD）和分配不均勻系數(shù)（Cv）呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，均有趨于均勻化的傾向。該流域5 個(gè)站點(diǎn)降水量集中度（PCD）大于均值的分別有32 a、32 a、29 a、29 a、28 a，說明該流域降水分配較集中，其中昌馬堡站降水量集中度最大為0.67，該站多年降水最為集中。