抚河流域降水序列趋势和突变特征分析_水资源综合调控与管理（江西水问题研究与实践丛书）-QQ阅读男生玄幻网

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抚河流域降水序列趋势和突变特征分析

刘聚涛，杨永生，许新发

江西省水利科学研究所

采用一元线性回归分析、累积距平、Spearman秩次相关系数和Mann-Kendall方法对抚河流域1979—2008年春季、夏季、秋季、冬季以及年均降水序列特征和趋势进行分析，应用Mann-Kendall突变分析法分析其时间序列突变点。结果表明：①抚河流域降水年内主要集中于3—6月，10—12月较少；年际变化上，降水较多年份主要集中在20世纪90年代后期，降水较少的年份主要集中在本世纪初，尤其是2003年前后②抚河流域春季、夏季和年均降水均存在减少趋势，在冬季存在增加趋势，但趋势不显著，在秋季基本无趋势变化；③抚河流域四季和年均降水大致经历增加—减少增加—减少4个阶段；④春季降水序列突变点为1992年和1995年；夏季降水序列突点为1986年、1997年和2007年；秋季降水序列存在1997年一个突变点；冬季降水列突变点发生在1988年和1991年；年均降水序列突变时间分别发生在1985年、1998年和2005年。就整体来说，抚河流域降水突变时间发生在20世纪80年代后期和90代后期。

关键词:Mann-Kendall-降水特征-趋势分析-突变分析-抚河流域

1 引言

随着全球气候变暖，降水格局变化及其区域分异增加了不确定性，并且区域性降水对局地旱涝的发生发展具有重要影响。目前，关于降水特征的研究，已经进行了大量的研究 ^［1-4］，并取得了众多研究成果。抚河位于江西省东部，为江西省五大河流之一，抚河流域面积16493km²，约占江西省面积的10%，流域内水系发达，降水丰沛，抚河下游控制站李家渡水文站多年平均流量400m³·s^-1^［5］。抚河流域是鄱阳湖重要的来水水源，输入鄱阳湖的水量仅次于赣江（占40.4%）和信江（占12.0%）^［6］。本研究通过对1979—2008年间抚河流域各雨量水文站点降水统计，进行流域春季、夏季、秋季、冬季和年均降水趋势和突变分析，认识抚河流域降水特征，为进一步研究抚河流域水资源变化特征打下基础，以期为流域水资源分配及其调度提供基本依据。

2 材料与方法

趋势分析法通常有线性拟合、滑动平均、累积距平、Spearman秩次相关系数法、二次平滑、3次样条函数，Kendall秩次相关法、Mann-Kendall秩次相关法等^［7］。常用的有线性拟合、滑动平均、累积距平和Mann-Kendall法，其中Mann-Kendall非参数秩次相关检验法在各领域中已得到广泛应用 ^［8-9］，并成为世界气象组织推荐的非参数检验方法 ^［10-11］。同时Mann-Kendall法也被用于时间序列的突变，其作为一种非参数统计检验方法，具有不需要样本遵从一定分布，也不受少数异常值的干扰，计算方便的优点^［12］。本研究分别采用一元线性回归法、累积距平法 ^［12-13］、滑动平均法^［6］、Spearman秩次相关系数法^［14］和mann-Kendall法 ^［11-16］分别进行抚河流域丰平枯和年均降水的序列趋势检验。同时，通过累积距平法与Mann-Kendall法^［¹¹^，¹⁷^］相结合来进行抚河流域降水序列突变分析。

抚河流域降水数据来源于江西省水文局，根据抚河流域雨量水文站点（图1），分别对1979—2008年间春季（1—3月）、夏季（4—6月）、秋季（7—9月）、冬季（10—12月）和年均（1—12月）降水量进行统计分析。

图1 抚河流域雨量站点分布示意图

图2 抚河流域历年降水量对比分析

本文发表于2011年。

3 结果与分析

3.1 降水特征分析

通过对抚河流域各站点1979—2008年间降水统计，分别计算抚河流域历年各月、春季、夏季、秋季和冬季平均降水量。

表1 抚河流域不同阶段四季降水对比分析 mm

根据图2（a）可知，抚河流域平均各月降水量为147.56mm，其中，3—6月降水量分别为208.23mm、246.87mm、244.05mm和306.58mm，月均降水量超过年均降水量的10%，其他月份降水所占比重较少，尤其是12月，降水量占全年的不到3%。总体上来看，流域降水主要集中在3—6月，其他月份降水相对较少；其中12月降水最少，12月至次年6月，降水逐渐增加，6月到达最大值，6—12月，降水逐渐减少。分别对抚河流域四季降水进行统计，如图2（b）所示，流域降水主要集中在夏季，夏季降水797.50mm，占全年的45.04%，其次为春季和秋季，降水分别为422.46mm和365.55mm，分别占全年降水总量的23.86%和20.64%，冬季降水最少，历年平均为185.24mm，仅占全年降水总量的10.46%。

通过对抚河流域四季和年均降水时间序列变化分析，1979—2008年间，抚河流域多年平均降水量为1770.75mm，其降水主要集中在20世纪90年代后期，尤其是1997和1998年，为2252.48mm和2379.15mm，超过多年平均降水的27%和34%；最少的年份主要为1986年和2003年，降水分为1290.78mm和1272.78mm，仅为历年平均降水的73%和72%。

1980—2008年间，把抚河流域降水分为20世纪80年代、90年代和本世纪初3个阶段，春季和秋季趋势基本相同，先增加后减少，整体表现为减少；夏季降水量则持续减少；冬季在20世纪80年代至90年代处于相对稳定状态，自90年代以来处于增加趋势，整体上处于增加；年均降水则表现与春季和秋季降水变化相同趋势，先增加，后减少，整体表现为减少。

3.2 降水序列趋势分析

3.2.1 一元线性回归趋势分析

通过对抚河流域四季和年均降水特征分析，秋季降水相对稳定，其他季节相对有一定变化趋势。通过对1979—2008年间抚河流域春季、夏季、冬季和年均降水的年际变化进行对比，并对其进行一元线性回归趋势分析，如图3所示。抚河流域丰春季和夏季降水随着时间序列呈递减趋势，其中春季平均降水变化率为-26.42mm/10a，其减少趋势相对明显；夏季平均降水变化率分别为-6.0mm/10a呈逐渐减小趋势，但减小趋势并不显著；冬季降水变化率为18.71mm/10a，增加趋势相对较大；总体上来说，年均降水变化率为-11.54mm/10a，表明年降水量呈减少趋势。

图3 抚河流域降水趋势分析图

3.2.2 累积距平法趋势分析

累积距平是一种常用的、由线性直观判断变化趋势的方法。从曲线明显的上下起伏可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至可以诊断出发生突变的大致时间。当距平值增加时，累积距平曲线呈上升趋势；反之，则呈下降趋势。并且从曲线小的波动变化可以考察期短期的距平值变化 ^［18-19］。

根据抚河流域7年滑动平均曲线（图3）和降水累积距平曲线（图4）可知，1979—1991年，春季降水略有上升，自20世纪90年代初开始，春季降水持续下降。夏季降水大致经历4个阶段：①1979—1984年，降水呈增加趋势，是相对多雨年份；②1985—1992年，降水呈减少趋势，为少雨年份，其间，1988—1989年出现小幅度小升；③1993—2002年间，降水呈增加趋势，降水相对较多，1996—1997年出现一定幅度的下降，并且在1998—2001年呈现一定的稳定期；④2003—2008年，降水减少，其间，2003—2006年出现一定程度的波动，在2007年开始减少。冬季降水主要经历4个阶段，1980—1982年间，降水增加；1983—1996年，降水在波动中下降；2000—2002年，降水量急剧上升；2003年较2002年略有下降，并且在2003—2008年间保持相对稳定状态。

图4 抚河流域降水量累积距平分析

年均降水累积距平曲线与夏季降水曲线相似，大致经历4个阶段：①1979—1984年，降水呈增加趋势，是相对多雨年份；②1985—1990年，降水呈减少趋势，为少雨年份；③1996—2002年间，降水呈增加趋势，降水相对较多，2001年略有下降；④2002—2008年，降水减少，其间，2005—2006年出现一定幅度的增加。

3.2.3 Spearman秩次相关系数法

分析降水序列与时间的相关关系，分别计算时间序列T和降水序列R的秩次，采用Spearman秩次相关系数法分别计算春季、夏季、秋季、冬季和年均值的秩次相关系数r。并通过查临界值表查得α=0.05和α=0.01临界值c，若|r|＞c_0.01，则认为其在0.01水平上变化趋势明显，若|r|＞c_0.05，则认为其在0.05水平上变化趋势明显。当降水序列N=30时，α=0.01的临界值c_0.01为0.467，α=0.05的临界值c_0.05为0.362，根据SPSS计算结果，春季、夏季、秋季、冬季和年均值的秩次相关系数r分别为-0.346、-0.063、-0.016、+0.129和-0.079。由于四季和年均降水Spearman秩次相关系数绝对值均小于c=0.362，因此抚河流域四季和年均降水在0.01和0.05水平上均不存在显著性变化趋势，冬季降水有增加趋势，春季、夏季、秋季和年均降水有减小趋势，其中是春季下降较为明显。

3.2.4 Mann-Kendall法趋势分析

根据Mann-Kendall法，当统计值z的绝对值大于等于1.28、1.64和2.33时，分别通过了置信度为90%、95%和99%的显著性检验。

1979—2008年间，春季、夏季、秋季、冬季和年均降水Mann-Kendall统计值z分别为-1.606、-0.178、-0.036、+0.642和-0.393，相关系数的正负表明趋势是增加或减小，则抚河流域春季、夏季、秋季和年均降水均存在减小趋势，其中春季z的绝对值大于1.28，表明春季降水在置信度为90%水平上存在显著减小趋势，夏季、秋季和年均降水减小趋势不明显；冬季降水z值为+0.642，表明冬季降水有增加趋势，但其增加趋势不显著。

综上，抚河流域春季、夏季和年均降水均有减少趋势，其中春季降水减少较为明显，夏季和年均降水减少较小；秋季基本无变化趋势；冬季降水相对增加，但增加趋势并不显著。

3.3 降不序列突变特征分析

根据Mann-Kendall突变检验分析方法，若UF和UB曲线超过临界线，且在临界线之间有交点，将交点所对应的年份作为突变点，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域，如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间 ^［19-20］。采用Mann-Kendall法分别绘制抚河流域丰水期、平水期、枯水期和年均降水正向统计量（UF）和反向统计量（UB）曲线，并给出显著性水平α=0.05时临界值z=±1.96，如图5所示。根据Mann-Kendall突变检验分析方法，可确定出现交叉点的时间是该降水序列发生突变的时间。

图5 抚河流域降雨量UF-UB突变点检验分析

根据UF和UB曲线交点位置以及是否超出显著性水平α=0.05的临界值时间区域对春季、夏季、秋季、冬季和年均降水序列进行突变分析，其中春季降水在1984年和2003年减少趋势达到显著性，其UF-UB曲线在1981年、1985年、1988年、1989年、1992年、1993年和1995年存在交点；结合累积距平曲线（图4），突变点为1992年和1995年，1992年表现为降水明显增加，1995年表现为发生突变后，降水持续减少。夏季降水突变时间区域为1984年；同时UF-UB曲线在1986年、1997年和2004—2007年存在多个交点，结合累积距平曲线（图4），夏季降水序列突变点为1986年，1997年和2007年，其中在1986年后降水基本处于持续减少阶段，1997年发生突变后在1998年显著增加，在2007年急剧下降。秋季降水UF曲线未突破显著性α=0.05的临界值区域，并且与UB曲线在临界值区间之间存在1997年和2008年两个交点，结合累积距平曲线（图4）和秋季降水趋势分析（图3），仅存在1997年一个突变点，表现为1997年后秋季降水大幅度上升，之后从2000年开始持续下降。冬季降水UF曲线在1982年超出显著性α=0.05的临界值区域，1986年、1991年、1996年和1997年存在4个交点，但其主要表现为1988年降雨大幅度减少和1991年后，降雨在波动中增加，其他交点是由于水的波动造成的。

结合年均降水累积距平曲线（图4），年均降水突变时间分别发生在1985年、1998年和2005年，具体表现为1985年降水大幅度减少，并在1991年减少达到显著水平，1998年年均降水最多，之后持续下降，2005年之后在2007年降水大幅度下降。

4 结论

抚河流域降水年内主要集中于3—6月，10—12月较少；年际变化上，降水较多年份主要集中在20世纪90年代，降水较少的年份主要集中在本世纪初，尤其是2003年前后。

抚河流域春季、夏季和年均降水均存在减少趋势，冬季降水增加，但增加或减少趋势并不显著，秋季降水基本无趋势变化。春季、夏季、冬季和年均降水变化率分别为：-26.42mm／10年、-6.0mm／10年、18.71mm/10年和-11.54mm/10年。

1979—2008年间，抚河流域春季、夏季、秋季、冬季和年均降水大致经历增加—减少—增加—减少4个阶段。

春季降水序列突变点为1992年和1995年；夏季降水序列突变点为1986年、1997年和2007年；秋季降水序列存在1997年一个突变点；冬季降水突变点发生在1988年和1991年；年均降水突变时间分别发生在1985年、1998年和2005年。就整体来说，抚河流域季节性和年均降水突变点发生在20世纪80年代后期和90年代后期。

抚河流域主要为农业用水，并且用水高峰集中在秋季（7—9月）。根据研究结果，抚河流域年均降水和夏季（4—6月）降水呈减少趋势，由于流域水库多为年调节水库，表明抚河流域在用水高峰期（7—9月）可利用水资源量相对减少，加剧供水用水矛盾，因此有必要开展非汛期流域水量期调度。通过实施水量调度，合理配置流域水资源空间和时间分布，提高水资源利用率，基本上解决非汛期、尤其是农业用水高峰（7—9月）供水需水矛盾。