大凌河流域降水量时空分布规律研究

王 凯

(朝阳县水政监察大队，辽宁 朝阳 122000)

全球气候的变暖，使得降水量时空分布也发生极大的改变，降水量变化与各种自然灾害以及极端气候的出现密切相关，研究流域尺度上的降水时空分布规律逐渐引起学术界的高度重视[1]。流域内降水量的变化是反映气候变化特征的重要参数，对不同地区、不同时间降水要素变化国内外诸多专家学者开展了不同程度的探究，对不同尺度及流域的降水变化取得了一些研究成果[2]。如龙柯吉等[3]以四川省为例，运用Mann-Kendall突变检验法、线性趋势法统计分析了时间及空间上雨雪转换情况和不同相态降水的月平均、年平均日数变化特征，并认为总体上四川地区年发生雪、雨夹雪、雨3类降水相态的日数正逐渐减少；刘原峰等[4]从时间与空间上揭示了不同降水相态的变化特征，并指出黄土高原区的雨雪分界线，发现该区域的降雪波动不明显而年际降雨有明显的波动，两者均表现出减少趋势，雾(露、霜)和雨夹雪降水相态有增加的趋势且年际波动不明显；孙燕等[5]以华东地区为例，利用逐月环流特征指数、NCEP再分析资料、气象站逐日降水观测资料统计分析了5种降水相态的冬季时空演变特征，并认为华东地区的冬季不同降水相态及雨、雪地理分界线年际波动变化明显。

近年来，受全球变暖影响大凌河流域洪涝灾害频发，并逐渐成为制约流域内经济发展的瓶颈。文章以大凌河流域为例，从时空分布上揭示了流域降水量变化规律，为提前作出更加合理的应对自然气候灾害对策和促进水资源合理配置提供理论指导。

1 研究方法

1.1 流域概况

大凌河流域位于辽宁省西部，地处E118°53′-121°52′、N40°28′-42°38′，走向呈西向东，总面积23253km2。上游分南、北两支，两支于喀左县大城子汇合后流经朝阳、北票、义县、凌海等地并注入渤海，大凌河东与柳河、饶阳河相邻，南有小凌河和六股河，西接青龙河，北与教来河、老哈河相邻。流域内山地丘陵占89%，平原区占11%，其中辽宁段19998 km2，占全流域的86%，干流(含源头区)长522km。大凌河左侧支流众多，较大支流有凉水河、老虎山河、细河、第二牤牛河等，干流上建有三座控制性水库，从上而下依次为宫山咀水库、阎王鼻子水库和白石水库。大凌河流域水系图，见图1。

图1 大凌河流域水系图

根据不同河段的河流特点，可以把大凌河划分为河源段、上游段、中游段和下游段。其中，河源段位于宫山咀水库以上，地势较陡，占地面积为656km2，主要支流有魏家岭河、新开岭河、贺杖子河等；上游段为宫山咀水库坝下至阎王鼻子水库段，河道比降趋向平缓，河长156.8km，汇入的主要支流有渗津河、大凌河西支、第二牤牛河、老虎山河等。中游段为阎王鼻子水库坝下至细河入汇口为大凌河中游段，该段仍为山区性河流，河长150.8km，汇入的主要支流有十家子河、顾洞河、凉水河、牤牛河、细河等。下游段为细河入汇口以下至河口为大凌河下游段，河道逐渐从山区性河道转变为平原性河流，河长94.3km，汇入的主要支流有大定河、大业河等。

大凌河流域属温带季风气候，属于严重干旱地区之一，素有“十年九旱”之称。流域内多年平均降水量为400-600mm，降水量年际变化较大，年内分配极不均匀，主要集中在7、8月份。河水陡涨陡落，洪水灾害频繁，主要洪水来源于下游左侧支流及干流上窝堡站以上。流域内多风化沙土和石山，植被条件差，土壤侵蚀严重，大凌河站和迷力营子站平均含沙量为18.08kg/m3、41.09kg/m3，大凌河站年输沙量达到2143.43万t。

1.2 研究方法

文章利用大凌河流域凌源站、哈巴气站、上窝堡站、建昌站、朝阳站、北漂站、铁岭站、米力营子站、义县站、复兴堡站、凌海站等气象站点的降水量资料，对该流域1963-2020年的降水分布特征以及强弱时间周期，运用Mann-Kendall法从年际和季节尺度上进行全面的分析。该方法是一种基于秩的非参数分析方法，简称M-K法，对于非线性趋势检测具有较好的适用性，由于无需对特定的概率分布预先拟合非常适于长时间序列的水文学和气象学研究。

2 降水量时空变化特征

2.1 年际降水量变化

文章结合大凌河流域1963-2020年的逐月降水量数据，利用线性回归法及M-K法分析流域年际降水量变化趋势。大凌河流域年降水量变化特征，见图2。

由图2可知，1963-2020年大凌河流域的多年均降水量为500.1mm，总体表现出减少的趋势，年均降水量趋势方程y=-0.3871+427.25，变化倾斜率为-3.87mm/10a，经显著性检验未达到α=0.05的置信水平，这表明年均降水量减少趋势不显著，按照趋势方程可以确定大凌河流域58a内减少22.45mm的降水量。研究期间大凌河流域降水量存在较大的波动区间，58a观测期内最大降水量为1974年的615.5mm，最小降水量为1996年的344mm，两者相差达到266mm。通过5a滑动平均可知，大凌河流域年均降水量在1963-1986年具有较大的波动范围，1987-1998年呈明显波动下降的变化趋势，1999-2017年呈小幅波动上升的变化趋势，2018年以来呈缓慢减少的变化特征。

图2 大凌河流域年降水量变化特征

2.2 季节降水量变化

不同季节大凌河流域降水量变化特征，见图3。从图3可以看出，1963-2020年大凌河流域的春秋季节降水量总体呈现出下降趋势，而夏冬季节降水量呈上升趋势。通过5a滑动平均可知，不同季节的降水量变化特征存在明显的阶段性。其中，春季降水量最大和最小值为1965年的175mm、1996年的53mm，故春季降水量变化振幅最大为122mm；另外，1963-1978年和1993-2003年具有较大的降水波动，其余时段的降水量偏少，总体呈窄幅波动缓慢下降的变化特征。夏季降水量最大和最小值为1982年的365.5mm、2005年的115mm，故夏季降水变化振幅最大为250.5mm；此外，1963-1983年和1998-2008年具有较大的降水波动，并且表现出多次丰枯降水交替的现象，其余时段的降水量偏少，总体呈窄幅波动上升的变化特征。秋季降水量最大和最小值为1970年的211mm、1996年的74mm，故秋季降水变化振幅最大为137mm；同时，研究期间秋季降水总体呈下降趋势，并且具有较大的波动幅度。冬季降水量最大和最小值为1983年的87mm、2000年的6.1mm，故冬季降水变化振幅最大为80.9mm，并且总体表现出缓慢增大的变化特征。

(a)春季降水量变化特征 (b)夏季降水量变化特征

(c)秋季降水量变化特征 (d)冬季降水量变化特征

2.3 降水突变分析

文章利用M-K方法检验1963-2020年大凌河流域年均降水量显著性，年均降水量突变检验，见图4。从图4可知，在α=0.05的置信水平下降水量的UB与UF曲线出现多个交点，即1963年、1965年、1968年、1977年、1983年、1984年、2010年和2020年存在交叉点且都处于置信区间内，由此可见研究期间大凌河流域降水量震荡剧烈，拥有多个突变点。

图4 年均降水量突变检验

结合图4中UB与UF变化特征，年降水量从多向少转变的突变点有1965年、1977年、1983年和2010年，而年降水量从少向多转变的突变点有1963年、1968年、1984年和2020年，其中变化趋势最明显的突变点有1968年和1984年，从1984年流域内年均降水量逐渐减少，此后长期处于相对干旱的时期。

2.4 降水量空间分布规律

在空间分布上，大凌河流域西北部降水量明显低于东南部，总体表现出梯度变化的特征。其中，最低和最高降水量站点为铁岭站的216.5mm、凌海站的677.1mm，两者相差460.6mm，表明大凌河流域年均降水量具有较大的地域性差异，在空间分布上不均匀，其中降水量最为充沛的地区为凌海、义县、复兴堡站，降水量处于506.2-672.3mm之间，属于洪涝多发区；朝阳、北票、迷力营子站的年均降水量为420.4-506.2mm之间，而流域西北部降水量最低，总体处于248.2-420.4mm之间，并且以辽西凌源站最小。

降水量变化倾斜率，见表1。从表1可以看出，大凌河流域年均降水量变化倾斜率为正值的只有迷力营子站、凌海站，其它站点均为负值，这表明流域内大部分站点降水量呈下降趋势，只有个别站点的站点呈上升趋势。另外，上窝堡站、建昌站、朝阳站、北漂站、铁岭站的年均降水变化倾斜率减少最快，依次为-12.8mm/10a、-15.7mm/10a、-15.0mm/10a、、-16.2mm/10a、-16.0mm/10a，气候变化对这些地区的影响最大。凌源站、义县站、复兴堡站的年均降水变化倾斜率变化幅度较小，依次为-0.2mm/10a、-2.6mm/10a和-3.0mm/10a。

表1 降水量变化倾斜率

3 结 论

文章以大凌河流域为例，结合1963-2020年11个气象站逐月降水数据，利用M-K方法从年际和季节尺度上分析了降水变化趋势，在此基础上突变检验了流域内多年平均降水量，并对大凌河流域降水量时空分布特征从年降水量和变化倾斜率的角度进行分析，揭示了不同时间尺度上大凌河流域11个站点降水时空分布。研究成果可为提前作出更加合理的应对自然气候灾害对策和促进水资源合理配置提供理论依据。