流域夏季降水变化及其影响因子研究

(延边大学 吉林 延吉 133002)

降水是一个地区气候变化的关键因素，也是气候因子中重要的一环。地区内降水量决定区域水资源的分布，甚至会影响生态环境演变；而且降水量的多寡也决定着农业生产的情况。水资源在维持区域范围内的社会、经济和自然可持续性方面发挥着至关重要的作用。区域的降水很大程度受到气候变化的影响，所以由于气候的多变导致降水量变化，使地区内出现不同程度的旱涝问题，增加灾害的发生频率。气候的改变会直接影响到降水的变化，气候的重要性不容忽视，各种因素对降水产生的影响程度也是不同的。从国家气象水文数据中看出，目前海河流域缺水非常严重，甚至平均每人、每亩土地的水资源占有量远远低于国际中对严重资源型缺水地区所公认的降水警戒线[1]，由于海河流域大部分地处河北，其水资源的短缺不仅对京津冀生态环境造成了很大的威胁，而且也成为了制约京津冀经济发展的一个非常重要的因素。为缓解水资源短缺的威胁，进行流域内夏季降水变化一起影响因子就尤为重要。

海河流域的位于110°E-120°E，跨越河北、山西、山东、河南等地，年径流量228亿立方米[1]。海河流域包括潮白河，永定河，子牙河，南运河以及大清河等河流，另外北运河也是其中一条小的支流。海河流域地理位置非常重要，西靠太行山，东临渤海，南接黄河，北侧接蒙古高原，属于华北的中部，政区划涉及8个省、市、区。其所途经的区域，人口较为密集，它供应了华北地区的工农业，是重要的供水渠道。流域位于暖温带大陆性季风区，属于暖温带半干旱半湿润季风气候。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。海河各支流的主要依靠降雨补给(占年径流量的80%以上)，流域内河流也受到季节性融雪的补给，例如潮白河和永定河，导致春季洪水不明显。在1952-2011年，因为海河流域年降水量少，流域内年径流量也大幅度减少，水供应不足，伴随着京津地区的经济高速发展和人口规模的扩大，形成了日益紧张的水资源供需矛盾。

选取我国在1952-2011年的气象水文数据进行研究，其中选取的数据分别是降水、径流和气温。从数据来看，海河流域的年降水量逐年下降，但变化幅度不大，流域内每年6月到8月，是流域内降水最集中的月份，占比全年总降雨量的67%；每年12月到次年2月，降雨量微乎其微，仅仅只有3%。海河流域年降雨量分布不均匀，呈现由南向北递减的空间分布特征。在6月至8月东亚平均季风强度指数，即EASMI值的计算中，采用郭其蕴[3]等所给出的计算方法来得出，此外EASMI还涵盖了1952～2000年期间的相关数据，并借助此方法将指数延伸到2011年。以北师大李建平教授所提供的南亚在1948年至2012年所得出的南亚夏季风强度指数在6月～8月的平均值，Li和Zeng[[4、5]]对此数据集的驱动数据进行了详细说明，并对结果的可靠性进行了阐述，通过网址可以下载此数据。并参考NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)于1950-2014年处于6-8月的厄尔尼诺-南方涛动指数(ENSO)和平均太平洋年代际振荡指数(PDO)。

影响海河流域夏季降水的因素众多，尚未对各个因素的影响权重做出具体的计算前，采用传统的多元回归分析很有可能导致大量的误差积累。此流域夏季的降水变化情况的相关因素主要包括PDO、EASM、ENSO和SASM四类，因此对影响海河流域夏季降水变化因素和时空变化情况进行探究。

Mann-Kendall检验，又称Kendall's tau检验，由Mann(1945)和Kendall(1975)提出，是评价趋势意义的基于秩的非参数检验，少量异常值的干扰对之造不成影响，机上样本并非一定遵循设定好的分布，由此在水文气象的分析和研究过程中具有较为广泛的应用。相关的计算公式有[6]：

τau=2S/n(n-1)

式中τau为相关性系数，S为统计变量，公式为：

其中xj是顺序数据值，n是数据集的长度。

Mann(1945)和Kendall(1975)已经证明，当n≥8时，统计值S近似正态分布，平均值和方差如下：

E(S)=0

其中，tm是范围m的条数。标准化试验统计Z的计算公式如下：

标准化的Mann-Kendall统计量Z服从标准正态分布，均值为零，方差为1。

利用正态累积分布函数，可以估计样本数据的Mann-Kendall统计量S的概率值P,公式如下：

对于没有趋势的独立样本数据，P值应等于0.5，对于具有较大正趋势的样本数据，P值应接近1.0，而较大负趋势应产生P值接近0.0[6]。

研究选取1952年-2011年夏季降水量、1952-2015年东亚夏季的风强度指数数值、1948-2012年的南亚地区夏季风强度指数数值、1950-2014年的太平洋年代际震荡指数数值、1950-2014年的厄尔尼诺与南方涛动指数数值，然后将1952年-2011年海河流域夏季降水量分别与上述4类进行相关性分析，通过Arc GIS绘制海河流域相关系数的分布图，最后基于所得出的分布图，得出海河流域降水变化与之相应关系。

图1 海河流域夏季降水变化与EASMI的相关性分布图

由图1可以看出：处于海河流域范围中的中部和南部的众多地区在夏季的降水量和东亚夏季的季风强度二者呈正相关关系；针对处于北部和西北部的众多地区、流域南端最底部与流域东南部边缘位置的少量地区来看，它们的夏季降水和东南亚夏季风强度属于负相关关系。根据上述内容，可以看出：以夏季风强度为研究对象，东亚区域和海河流域相关性最高，通过t检验的区域主要集中在海河流域的中部和南部地区，所达到的相关系数Tau值均高于0.3，对相关系数进行置信度检测，流域内地区均达到95%。

图2 海河流域夏季降水变化与SASMI的相关性分布图

由图2可以看出：处于海河流域范围中的北部、东部和南部的众多地区在夏季的降水量和南亚夏季风强度二者呈正相关关系；其他的大部分地区的夏季降水和东南亚夏季的季风强度属于负相关关系。海河流域的夏季降水情况和南亚的夏季风强度指数之间的相关性不强，通过t检验的区域主要集中在流域的北部、东部和南部地区，其中相关系数Tau值高于0.2，并且通过置信度检测，此流域中处于北部、东部和南部的部分区域相关系数的通过率高达95%和99%。

图3 海河流域夏季降水变化与PDO的相关性分布图

根据图3可以看出：处于海河流域范围中的北部和中部的众多地区的夏季降水和太平洋年代际震荡指数呈正相关关系，但只有西北部的小部分地区通过了95%的置信度检验；处于南部的地区的夏季降水和太平洋年代际震荡指数属于负相关关系。海河流域的夏季降水情况和太平洋年代际震荡指数之间的相关性不强，通过t检验的地区主要是流域北部和中部的众多地区，相关系数Tau值高于0.1，并且在对相关系数进行置信度也通过了检测。

图4 海河流域夏季降水变化与ENSO的相关性分布图

从图4中看出：处于海河流域范围中的北部和中部的大多数地区的夏季降水和厄尔尼诺-南方涛动指数呈正相关关系，此流域中南部和东南部的地区的夏季降水和厄尔尼诺-南方涛动指数属于负相关关系。所以海河流域的夏季降水情况和厄尔尼诺与南方涛动指数之间的相关性较强，主要对流域范围北部的众多地区进行t检验，得出相关系数Tau值高于0.1，并且对相关系数达到95%的置信度。

最后，海河流域夏季降水和它的影响分子之间关联性较强，对相关系数进行置信度检验得出：大部分都达到了95%以上。在海河流域夏季降水相关的众多因素中，关联性最强的为东亚夏季风强度；与海河流域夏季降水相关性最弱的是南亚夏季风强度。处于流域范围中的北部、东部和南部的众多地区的夏季降水量与南亚夏季风指数强度呈正相关关系；与夏季降水量之间呈现负相关的地区主要处于流域中部；最后是海河流域夏季降水和太平洋年代际震荡指数之间以及厄尔尼诺-南方涛动指数之间相关性良好。所以在考虑夏季降水情况变化时，多关注东亚夏季风强度所带来的影响。

自20世纪70年代末，华北地区降水量呈大致下降趋势，年径流量逐年减少，水资源短缺，并且区域内经济发展较快，水需求量迅速增长。目前，海河流域已经成为了我国较为严重的缺水区域，水资源短缺制约了京津冀地区的社会经济发展。在全球的气候背景下，根据海河流域夏季的降水特征，讨论出流域内夏季降水与4类因素的相关性分析，为预测海河流域夏季降水变化过程及降水系统的理解提供参考[1]。研究区域的降水变化与影响因子之间的关系，有利于水资源的合理利用和水资源相关政策的制定和完善，有利于华北地区降水的临近预报，有利于城市排水系统的规划，有利于对该流域的社会、经济、生态的可持续发展起促进作用[1]。