白石水库流域集水区年降水量及气象干旱时空分布规律研究

宋 飞

（辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000）

大型水库一般具有发电、灌溉、防洪和供水等功能效益，而流域集水区气候干湿状况与水库效益的发挥密切相关，气象干旱程度直接决定了年降水量以及入库水量的多少[1]。研究水库流域集水区年降水量及气象干旱时空分布规律，揭示地表径流深度和降水量变化趋势及时空分布特点，对投资计划的科学制定和水库调度运行等具有重要意义。

大型水库上游通常存在大范围的流域或集水区，其降水集中度、干湿情况变化具有很好的指示作用，可以反映区域受气候变化的影响[2-4]。近年来，针对水文水资源受气候变化的影响评价广大学者进行了广泛研究，如姚玉碧等以洮河流域为例，结合水资源定位和流域气象观测数据建立水资源气候模式；谷黄河等以柘林水库为例，通过合理性论证及分析历史洪水资料、洪水调度及频率计算校核了水库讯限水位设计值；许有鹏等模拟研究了下垫面特征和气候变化情况下的暴雨洪水过程，并动态模拟验证与分析了南苕溪流域降水径流过程及特征；史玉品等结合历史气象数据提出天径流流量公式，分析了龙羊峡入库径流量受气候变化的影响作用[5-8]。白石水库始建于1995 年，每年向锦州、阜新等城市以及辽河三角洲地区提供2.2 亿m3城市用水和2.67 亿m3农业用水，对缓解辽西地区用水压力具有重要战略意义。以往关于白石水库流域集水区的研究数据大多来源于地面观测站实测资料，由于缺乏数据资料和地面站点，计算结果难以全面系统真实地反映上游集水区水文特征变化规律及时空分布特征，无法为生态水文模型提供准确的数据支持。因此，为揭示该区域1985—2018 年间的气象干旱及降水时空分布规律研究利用卫星遥感重建的追溯性降水数据序列进行分析，旨在为白石水库水源地保护和流域植被恢复政策的科学制定提供参考依据。

1 研究区概况

白石水库建于大凌河干流上，水面面积约80km2，控制流域17649km2。流域集水区属温带季风气候，春冬干燥少雨，夏季多雨炎热，多年平均气温在8℃左右，年均降水量在400～600mm 之间，降水大多集中于6～9 月，河流的补给主要来源于降水形成的地表径流。流域内土壤为亚砂土性的黄白土，山地大部分为生草棕色森林土，森林覆被以油松林、蒙古栎林、油松人工林、刺槐人工林及沿河小叶杨、小青杨林为主，还有辽东栎林、山杏矮林等；灌丛以荆条、酸枣、榛子灌丛为主，灌草丛以白羊草灌草丛最多，还有黄背草灌草丛、野谷草灌草丛等，分布在漫滩和低阶地上的代表植物主要有杨树、刺槐、油松、柳树、沙棘和山杏等人工林。

2 研究方法

2.1 降水数据

由于其时空分辨率较高，通过神经网络模型估算降水-气候数据记录(PERSIANN CDR)已成为众多卫星遥感追溯性重建的降水数据序列中应用较为广泛的数据序列[13]。其时间和空间特征区间为1985 年1 月1 日—现在(分辨率逐日)及60°S～60°N（分辨率为0.25°）。采用PERSIANN 算法和Grid Sat-B1 红外数据生成的数据序列，其目的是为分析自然条件和气候环境变化产生的日降水改变特别是极端变化趋势提供一套高精度全球降水数据，为了维持在2.5°尺度上2 个数据序列月数据一致性用全球降水气象项目(GPCP)中的逐月产品加以调整。在研究全球和区域尺度上长期水文-气候关系上该数据序列具有很大的潜力，并且被应用于我国一些集水区和流域的评价分析，本研究截取白石水库上游集水区的60 个栅格数据。

2.2 降水指数标准化

干旱是一个自然正常的气候变化现象，总体上可以将其分为农业、水文、社会经济和气象4 大类型，其中气象干旱被认为是易于计量、简单且最为直观的干旱类型，一般被定义成平均或正常降水量相比于一段时间内降水出现亏缺的干燥程度。标准化降水指数(SPI)一经提出就被广泛应用于不同学科领域研究，加之白石水库缺少长期气象观测资料，所以考虑选用PERSIANN CDR 序列中的降水数据计算SPI 干旱指数以反映白石水库流域的干旱时空状况。

全年、半年、季度和月尺度发生的干旱状况分别采用12、6、3、1 个月历史记录数据与相同时间尺度降水的亏缺值来衡量。在计算过程中的时间序列越长则精准度越高，研究需要完整月值的时间序列长度至少20～30a。通过拟合分析历史降水数据服从伽马分布，最大相似估计其β、γ 参数，采用长期季节降水均值与正态化的季节降水之差，再除以标准离差计算SPI 值。依据SPI 计算结果确定干旱程度，系统分类标准如下：极度干旱(SPI ≤-2.0)、中度干旱(-2.0 ＜SPI ≤-1.5)、干旱(-1.5＜SPI ≤-1.0)、正常状况(-1.0 ＜SPI ＜1.0)、湿润(1.0 ≤SPI ＜1.5)、中度湿润(1.5 ≤SPI ＜2.0)、极端湿润(SPI ≥2.0)。

2.3 统计分析

首先分析白石水库流域年际和季节降水变化过程，基于栅格计算1986—2019年间流域内每个月降水量平均值，以时间序列上的平均值分析季节降水变化特征，之后基于所有栅格计算每一年降水平均值，以空间上的平均值分析年际降水变化特征。其次利用已经计算确定的SPI12、SPI06、SPI03和SPI01，整个流域的SPI值取空间上的平均值，从而在流域尺度上判断干旱变化特征。最后，利用关联M-K检验4个时间尺度上的SPI和流域内基于栅格的月降水时空变化显著性，这是一种基于空间栅格数据和M-K方法开发的非参数检验法，关联M-K法相比于参数方法无太多要求。通过预白化处理过程和调整邻域像元间的方差，该方法可以去除时间序列上的数据自相关性以及实现空间交叉相关矫正，从而避免假性趋势探测更好地保证一致性趋势判别可靠度，对序列中是否存在一定趋势给出更加准确高效低分析。0.05显著水平下，若关联M-K法计算值＞1.96则呈正向显著变化，若关联M-K法计算值＜-1.96则呈负向显著变化，详细分析见文献[14]。在R语言环境下完成以上所有运算及数据的处理，采用Origin10.0软件完成相应的图形处理。

3 结果与分析

3.1 降水量时空变化

从图1 可以看出，1985—2019 年间白石水库集水区年均降水量为486.63mm，其中1997 年降水量达到最大值为605mm，1991 年降水量达到最小值为357mm。总体上，可以将年降水量变化划分成1985—2000 年、2001—2011 年、2012—2019 年三个阶段，其中第1 个阶段年降水量总体上围绕多年平均值上下波动，未表现出明显变化趋势；第2 阶段降水量持续偏低，除2005 年和2010 年外其它年份降水量都小于多年平均值；第3 阶段年降水量总体围绕多年平均值上下欧东，其变化趋势与第1 阶段相似但振幅较小。

图1 白石水库集水区年均降水量变化趋势

从月尺度上，白石水库流域集水区降水量多发生于6～9 月，其中降水量最大值出现在7 月，从空间上集水区东南部及南部降水量较大，而西北部降水量较小，这种时空分布规律可以作为森林经营管理和植被恢复的重要参考依据。

通过关联M-K 检验1985—2019 年月降水量发现，在时间尺度上集水区内各栅格月降水量均表现出上升趋势，从空间上则表现出东南高而西北低的分布特征，在统计学上这种变化趋势并不显著，说明研究时段内流域集水区月降水量变化不显著。

3.2 干旱时空变化

根据1985—2019 年4 种时间尺度上白石水库集水区所有格栅逐月时间序列上标准化降水指数变化过程可知，在研究期间流域内干旱事件时有发生，但大部分为一般性干旱，极少数属于中度干旱，未发生极端干旱状况。在1986 年5 月—1988 年6 月、1991 年1 月—1993 年2 月和2002 年10 月—2011年6 月出现了3 次明显连续干旱状况，在2002—2011 年约9 年时间内发生最后1 次连续干旱，该变化趋势与降水变化保持较好一致性。

关联M-K检验SPI12、SPI06、SPI03和SPI01标准化降水指数表明，SPI06、SPI03和SPI01值均呈现出上升趋势，并以SPI04的增幅最为明显，但上升趋势并不显著；SPI12值总体呈现出下降趋势，在统计学上该变化趋势也不显著。总体而言，从月尺度上干旱状况呈增大趋势，从季节尺度上达到最大并在半年尺度上有所下降，年尺度上达到最低，白石水库集水区内人工植被的正常生长在很大程度上会受到季节尺度上干旱增加趋势的影响。

4 结 论

1）1985—2019 年白石水库流域集水区降水量基本围绕多年平均值上下波动，变化趋势不显著，但在2002-2011 年出现明显下降趋势；在时间尺度上集水区内各栅格月降水量均表现出上升趋势，从空间上则表现出东南高而西北低的分布特征，研究时段内流域集水区月降水量变化不显著。

2）各尺度上SPI 至表明，在2002—2011 年内发生长时间持续干旱，该时段正好是白石水库流域生态建设的关键时期，所以流域生态服务及生态工程效果受干旱影响较大，今后应重点研究干旱对白石水库水质及水量的影响。