海河流域降水量长期变化趋势的时空分布特征

王晓霞 徐宗学 纪一鸣 李运才

(1.海南省水利电力建筑勘测设计院 海口 570203;2.北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室 北京 100875)

海河流域位于东经112°～120°、北纬35°～43°之间,处于干旱半干旱区,西以山西高原及黄河流域为邻,北以蒙古高原及内陆河流域为界,南界黄河,东临渤海。流域属于温带东亚季风气候区。冬季受西伯利亚大陆性气团控制,寒冷少雪;春季受蒙古大陆性气团影响,气温回升快,风速大,气候干燥,蒸发量大,往往形成干旱天气;夏季受海洋性气团影响,比较湿润,气温高,降雨量多,且多暴雨,但因历年夏季太平洋副热带高压的进退时间、强度、影响范围等很不一致,致使降雨量的变差很大,旱涝时有发生;秋季为夏冬的过渡季节,一般年份秋高气爽,降雨量较少。

近些年来,国内外的学者对海河流域水文气象方面进行过相关的研究。孙福宝等 (2007)通过对海河流域的38个子流域及内陆河流域的7个子流域的逐年降水、径流及实际蒸散发和蒸发能力的分析[1],证明了基于Budyko假设的流域水热耦合平衡关系在海河及西北内陆河流域是成立的。刘登伟等 (2006)曾以京津冀地区49个站1961～2000年降水资料为数据源,选用了距离平方反比法、梯度距离平方比和普通克里格法进行插值方法比较[2],交叉验证结果表明:在海河流域进行降水插值分析时月降水的插值K riging方法更加优越,因此本文在进行插值的过程中,采用常用的K riging方法。夏军等 (2007)结合信息熵理论提出一种基于差异信息测度与GIS技术的时空变化分析方法,并成功应用于海河流域的31个测站1960～2001年降水、蒸发和气温的分析,直观表达海河流域降水、蒸发和气温等水文气象要素的时空变化规律,结果显示,海河流域的降水在时间上的变化相对比较大,蒸发量在时间上的变化相对比较小,气温在时间上的变化相对比较小[3]。袁飞等 (2005)曾应用大尺度陆面水文模型-可变下渗能力模型V IC(Variable Infiltration Capacity)与区域气候变化影响研究模型PRECIS(Providing Regional Climate for Im pacts Studies)耦合,对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行预测[4],结果表明:未来气候情景下,海河流域的水资源将十分短缺。刘春蓁等用M-K方法对海河流域山区20个子流域径流的变化趋势进行了分析,提出了影响径流变化的三种类型[5],该文对海河流域有代表性的8个分区中的20个子流域进行显著性检验,其主要研究内容是结合径流对气候变化的敏感性研究结果,估算近50年海河流域径流的变化趋势,从气候因素与人类活动因素两个方面探讨近20余年海河流域天然径流量锐减的原因,提出影响径流变化的三种类型。

这些研究中,对海河流域降水量变化趋势的时空分布特征的研究成果不多见,根据夏军等(2007)对海河流域近50年的统计资料分析,降水量减少趋势十分显著,与二十世纪50年代中期相比,目前海河流域年降水量减少在4×1010m3左右[3]。因此,对海河流域降水量长期变化趋势的时空分布特征进行研究对于分析其水资源问题具有重要意义。本文试图以非线性的M ann-Kendall方法结合线性分析,来研究海河流域降水量的变化趋势,以期为该地区水资源长期变化趋势的分析提供一定的依据。

1 研究区概况及数据

海河流域总面积为31.8万km2,由海河和滦河两大水系组成,根据其水系特点,将其划分为4个流域二级区 (Ⅰ区-滦河及冀东沿海;Ⅱ区-海河北系;Ⅲ区-海河南系;Ⅳ区-徒骇马颊河系)。根据1957～2004年降水系列,全流域多年平均降水量543.52mm,是我国东部沿海降水最少的地区。降水时空分布呈明显的地带性、季节性和年际差异,河流源短流急,水量集中,连续枯水年延续时间长[6]。

图1 所选气象站分布示意图

文中所用数据来源于中国气象局气象中心,选用海河流域32个水文站点的数据,考虑到序列的一致性,取各站点1957～2004年的月降水量数据(部分站点由日数据转化而来),个别年份数据有所缺失,采用临近站点进行插值,以保证序列的完整性。所选的具体站点如图1所示。为了更好地分析季节性变化,将其进行季节性划分,3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季,12～次年2月为冬季。站点的年降水量数据采用月数据累加的方法,季节性的数据也以相同的方法生成。

2 降水量的时空变化趋势

研究应用非参数M ann-Kendall检验法和线性趋势统计检验法,在M-K检验中,一个重要的指标就是表示单位时间内变化量的Kendall倾斜度值,即β值,用它来量化单调趋势,当β为正时,表示上升趋势;当β为负时,表示下降趋势。根据海河流域32个站点的数据进行插值,对其春夏秋冬四个季节及总降水序列进行变化趋势的显著性检验,并以此分析其时间变化趋势;同时,根据计算出的32个站点的β值,用Surfer7.0将其绘制成等值线图,对其空间变化趋势进行分析。

2.1 降水量的时间分析

根据海河流域12个月份的统计特征值,从线性趋势统计结果可以看出,3个月的降水量呈现下降的趋势,尤其是7、8两个月份下降幅度较大,8月份的b值达到-1.146mm/a,而且该月的结果拒绝原假设,即存在下降的趋势;而M ann-Kendall统计检验结果稍有不同,4个月的β值为负,但与线性结果发生的月份基本相同;下降趋势明显的同样出现在7、8月份,尤其是8月份的数据,β值为-0.992mm/a,与线性结果相差不大。因此,汛期的7、8月份出现了降水量减少的趋势,而且减少明显。

表1 海河流域四个季节及年降水量统计值

表1显示了四个季节及年值的统计特征值,从表中可以看出,两种方法的统计检验结果基本相同,夏季和秋季的降水量均出现了减少的趋势,其中夏季最为明显 ,b值和β值分别达到-1.918mm/a和-1.982mm/a,海河流域的夏季降水量每年约减少1.9mm,春季有微弱的上升趋势,但程度不大,这造成了海河流域年降水量出现了明显的下降趋势,b值和β值分别达到-2.727mm/a和-2.634mm/a。这种强下降趋势与夏军等(2007)分析结果相似[3]。

图2 年降水量的b值及β等值线图

2.2 降水量的空间变化趋势分析

针对海河流域32个站点的线性结果的b值及β值 ,对计算结果用Surfer7.0进行作图,其结果如图2及图3所示。图2给出了流域年降水量b及β值的等值线图,从图中可以看出,两者的分析结果基本上是相同的,流域各站点几乎均处于负等值线区,形成了以五台山为中心的强下降趋势区,其b值达到-8.581mm/a,而β值达到-7.754mm/a,下降趋势非常明显。北京、天津两大城市处于-1mm/a到-2mm/a的等值线之间。

图3给出了流域4个季节的β等值线图,从图中可以看出:

(1)春季:从图中可以看出,春季流域西部出现了以五台山站为中心的下降趋势区,北部地区均处于微弱上升趋势区;

(2)夏季:夏季降水量的空间变化情况比较复杂,流域所有区域均处于负等值线区,即该季节全流域出现了降水量减少的趋势,以五台山站、丰宁站、青龙站、廊坊站及石家庄站为中心形成了不同程度的下降趋势区;

(3)秋季:与春季相似,除了以五台山站为中心的下降趋势区外,流域上其他站点基本呈现微弱的上升趋势;

(4)冬季:该季节的上升或下降情况均不明显,同样形成了以五台山站为中心的微弱下降趋势区,其他区域无明显分布特征。

3 结论与讨论

通过对海河流域年降水量、季节性降水量及逐月降水量的长期变化趋势的分析,根据流域年降水量b值及β值等值线图、32个站点的β值等值线图,可以初步得出以下几点结论:

(1)海河流域12个月份降水量的统计特征值中,线性及M ann-Kendall趋势统计结果相似,7、8两个月份的下降幅度较大,尤其是8月份,b值达到-1.146mm/a,β值为-0.992mm/a。M ann-Kendall统计检验结果中,4个月的β值为负,与线性结果发生的月份基本相同。

(2)关于四个季节及年降水量的统计检验结果显示出,夏季和秋季的降水量均出现了明显减少的趋势,以夏季最为明显,b值和β值分别达到-1.918mm/a和-1.982mm/a;年降水量同样出现了明显的下降趋势,b值和β值分别达到-2.727mm/a和-2.634mm/a。

(3)根据海河流域年降水量b及β值的等值线图可以看出,两者的分析结果的空间分布趋势基本相同,流域各站点几乎均处于负等值线区域,形成了以五台山站为中心的强下降趋势区,其b及β值达到-8.581mm/a和-7.754mm/a,下降趋势非常明显。

(4)从四个季节的β值等值线图可以看出:春季与秋季降水量的空间分布情况相似,流域西部出现了以五台山站为中心的下降趋势区,北部地区均处于微弱上升趋势区;夏季流域所有区域均处于负等值线区,即该季节全流域出现了降水量减少的趋势,以五台山站、丰宁站、青龙站、廊坊站及石家庄站为中心形成了不同程度的下降趋势区,其中以五台山站为中心的下降趋势区最为显著;冬季同样形成了以五台山站为中心的微弱下降趋势区,其他区域无明显分布特征。

图3 季节降水量的β等值线图示意

由以上的分析可以看出:

海河流域的年降水量及夏季降水量出现了明显的减少趋势,作为全年降水量贡献超过50%的7、8月份,下降趋势最大;同时,降水时空分布不均,中部以五台山站为中心的地区变化剧烈,流域的北面山区变化不大。

对48年的数据分析可以看出:

年降水量的减少是造成海河流域水资源危机的主要原因之一,该下降趋势短期内若不能改变,势必会进一步加剧海河流域水资源短缺的局面。

针对这种情况,加紧实施南水北调,加大非传统水资源的利用,建立节约型社会,将成为海河流域乃至华北地区解决水资源问题的重要出路。

1 孙福宝,杨大文,刘志雨等.海河及西北内陆河流域的水热平衡研究[J].水文,2007,4(2):7-10.

2 刘登伟,封志明,杨艳昭.海河流域降水空间插值方法的选取[J].地球信息科学,2006,12(4):75-80.

3 夏军,欧春平,HUANG G.H等.基于GIS和差异信息测度的海河流域水文气象要素时空变异性分析[J].自然资源学报,2007,5(3):409-415.

4 袁飞,谢正辉,任立良等.气候变化对海河流域水文特性的影响[J].水利学报,2005,3(3):274-279.

5 刘春蓁,刘志雨,谢正辉.近50年海河流域径流的变化趋势研究[J].应用气象学报,2004,8(4):385-393.

6 范荣生,王大齐.水资源水文学[M].北京:中国水利水电出版社.1996.