凡河流域降水特性及趋势分析

陈祖辉,杨玉阁

(辽宁省水文水资源勘测局铁岭分局,辽宁 铁岭 112000)

0 引言

降水是水资源的补给源,降水的特性决定了水资源特性。降水量及其时空分布取决于水汽来源、天气系统和地形等条件。水汽入流的方向和地形等因素,对降水量在地区上的分布起着决定性影响。水汽输送量随季节不同而有所差异。降水是形成洪涝灾害的重要原因,还是引起土壤侵蚀引起水土流失的主要动力因素,同时降水对植被覆盖和山坡稳定性也具有一定的影响,因此降水对山区水土流失治理有重要意义。本文对铁岭东部山区凡河流域的降水特性及趋势进行了分析,对该地区开展防洪减灾、生态环境治理和水土保持工作有着重要的意义。

1 凡河区域概况

凡河位于铁岭市境内,是辽河一级支流,发源于铁岭县白旗寨乡东滚马岭,流经白旗寨乡、鸡冠山乡、大甸子镇(以上为山区)、催镇堡乡、市种畜场(以上为丘陵区)、凡河镇(平原区),在凡河镇药王庙村北汇入辽河,全长 102 km,流域面积 1180 km2。 位于东经 123°37′～ 124°31′,北纬 42°03′～42°16′之间,流域多年平均气温 5.8℃,最高气温 36.7℃(2001年 6月 4日),最低气温 -43.1℃(2001年 1月 13日),无霜期 113～151天。凡河洪水主要来自上中游山区的降雨,流量荣枯相差很大,仅三十余年统计,洪峰流量大则可达 2390立方米每秒,而枯水时经常断流。

结合流域降水资料的实际情况,同时考虑雨量站的代表性,选取了水文年鉴已刊印的凡河流域上的 4个雨量站(腰寨子、榛子岭水库、菊花甸子、张家楼子)1964～2008年的实测降水资料,用 4个雨量站降雨量的算术平均值表示流域的降水量。采用 45年日降水量≥0.1mm的资料,通过建立年降水量、四季降水量、降水日数、降水强度序列,以分析降水变化特性和趋势。

2 研究方法

研究表明,水文过程与人类活动和气候等自然特征有关,呈现出一定的变化趋势。人们相继提出了多种时间序列趋势变化的参数和非参数方法,本文采用线性倾向估计法和Mann-Kendall法进行分析。用线性倾向估计法反映降水的多年变化特征,Mann-Kendall法定性地给出变化趋势并对结果进行显著性检验。

2.1 线性倾向估计法

在本文中线性倾向估计采用降水倾向率来计算,其算法为:设某雨量站气象要素时间序列为 y1,y2,…,yi…,yn,可降水倾向率用下式表示:yn∧(t)=a0+a1t+a2t2+… +amtm(m＜n),式中 t为时间,单位为 a。一般来讲,降水气候趋势用一次直线方程和二次曲线方程就能满足。本文用一次直线方程来定量描述,即 y(t)=a0+a1t,则趋势变化率方程为 Dy(t)/dt=a1,把 a1×10称做降水倾向率,其单位为 mm/10a,方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定。

2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall(非参数秩次相关检验)法主要是通过计算统计量 ι,方差 δι和标准化变量 M,来判定序列趋势是否显著。计算公式如下:

式中:s为序列所对偶观测值 (Xι,Xj,i＜j中 ,Xi＜Xj出现的次数);N为序列长度。取α=0.05的显著水平,如果一时间序列有明显的趋势,则|M|＞Mα/2,M值为正,表明具有上升或增加趋势,M值为负,则意味着下降或减少的趋势。

3 降水基本特征

3.1 季节平均降水量及平均降水日数

据 45年资料统计,年最大降水量为菊花甸子站 1986年的1 242.3 mm、最小降水量为张家楼子站 2001年的467.6 mm,日最大降水量为张家楼子站 1969年 8月 11日的235.9 mm。流域年平均降水量为 760.2mm,平均降水天数94.7天。降水集中在 5～9月份,平均降水量为 601.3 mm,占年平均降水量的 79.1%,同期平均降水天数为 57.5天,占年降水日数的 61.1%。见表 1。

表1 各月平均降水量、降水百分率、降水天数(1964～2008年)

3.2 降水的季节分配

降水在季节上分配很不均衡:夏季(6～8月)降水为480.4 mm,占全年降水量的 63.2%;而冬季(12～次年 2月)降水为 29.1mm,仅占全年降水量的 3.8%;春季与秋季相差不大,分别占全年降水量的 15.8%和 17.2%。

3.3 降水日数

降水日数是指日降水量大于 0.1mm的日数。凡河流域多年平均降水日数约 94.7天,最多为 120天(1990年),最少为 81天(2001年)。降水量大于等于 1.0 mm、10.0 mm、25.0mm、50.0 mm的降 水日数分别为 70.2、22.8、7.1、1.9天。

在植物生长期的 5～9月份,日降水量大于等于 1.0mm的日数占全年的 64.4%。大于等于 10.0 mm的降水日数主要集中在 3～11月份,大于 50.0 mm的暴雨则发生在 6～8月。见表 2。

表2 各级别降水天数(1964～2008年)

0.1 ～0.9mm的降水日数春夏秋冬四季相差不大,分别占全年的 24.1%、31.4%、20.4%和 24.1%;1.0～9.9 mm的降水日数夏季最多,占全年的三分之一还多;大于等于 10.0mm、25.0mm和 50.0mm的降水日数集中在夏季,分别占全年的 56.1%、75.0%和 100%。见表 3。

表3 各等级降水日数的季节分配(1964～2008年)

3.4 降水强度

根据资料统计,45年内共有降水量大于等于 10.0mm的中雨天数 682天,大于等于 25.0 mm的天数 230天,大于等于 50.0 mm的大雨天数 82天,最大日降雨量 235.9 mm(1969年 8月 11日)。从日最大降水量的季节分布来看:夏季 10～24.9mm的降雨天数占 59.9%,25～49.9 mm的降雨天数占 75.0%,50.0mm以上的降雨全部在夏季;春秋两季 10～24.9mm的降雨天数占 41.4%,25～49.9 mm的降雨天数占 25.0%。

4 降水分析

4.1 枯季和汛期降水量距平分析

距平值为某一年份降水量与多年平均值之差,能够很好反映降水的多年变化特征,距平值为负,说明降水量小于平均值,反之亦然。对 1964年 ～2008年枯季(10月 ～次年 5月)和汛期(6月 ～9月)雨量资料进行距平分析。参见图 1。

图1 枯季和汛期距平变化图

图中表明,凡河流域汛期平均雨量为 545.3mm,枯季为 214.9mm,即汛期平均降水量是枯季的 2.5倍,从降水距平变幅看,汛期较枯季变幅明显偏大。汛期和枯季降水变化的线性趋势方程为 y=-0.4 009x+796.28和 y=-0.7 933x+1 575.5,表明汛期以 4.0 mm/10a的速度递减,枯季以 7.9mm/10a的速度递减,但是这种递减不是绝对的直线下降。汛期降水量占全年降水量的 71.7%,表明汛期降水量的多少和降水强度的大小,直接影响出现多雨洪涝和少雨干旱等灾情,在汛期要特别加强防汛抗旱工作。

4.2 年降水趋势分析

利用 Mann-Kendall检验法检验其变化趋势。本资料年限 N=45,对偶值 S=25,通过计算 M值为 -9.19,当显著水平取 0.05时,Mα/2=1.96,则|M|＞Mα/2,M值为负,意味着降水呈下降趋势,拟合的线性趋势方程为:y=-1.1 943x+3 132。参见图 2。

图2 凡河流域降水趋势图

4.3 年降水量频率

本流域多数年份降雨量在 600～900mm之间,出现频率为 73.9%,小于 600 mm和大于 900mm的年降水量出现的年份很少。见表 4。

5 结语

通过对凡河流域 45年降水资料分析,得出以下结论:

(1)流域内降水时空分布极不均匀,降雨量主要集中在汛期,约占全年降水量的 72%;大于 25mm以上的降雨主要集中在夏季,天数约占全年的 75%;流域多数年份降雨量在600～900mm之间。

表4 各级别年降水量出现频率(1964～2008年)

(2)流域年降水、枯季降水、汛期降水均呈下降趋势,从枯季和汛期变化的线性趋势方程看,枯季递减速度 7.9mm/10a约为汛期递减速度 4.0 mm/10a的 2倍。

(3)年际降水量分布不均匀,通过 45年的降水量来看,总体呈下降趋势。