1980—2019年小清河感潮河段汛期水文气象要素演变特征

李昱岐, 钱秀红, 徐 华, 渠群英, 潘维艳, 徐征和, 徐 晶

(1. 济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022; 2. 山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心, 山东 济南 250014)

在全球气候变化剧烈, 极端天气发生频率显著增加的背景下, 气候变化对水文过程的影响是不可避免的[1], 直接导致洪涝灾害出现频率有所增加, 因此对水文、 气象要素演变特征的研究具有重要意义。 学者们对不同河流流域的水文、 气象要素演变特征以及水库水文要素变化特征进行了研究。 李文鑫等[2]对哥伦比亚河流域的水文、 气象要素进行了趋势性、 周期性和突变性分析。 侯蕾等[3]在研究永定河上游流域的水文、 气象要素演变特征的基础上, 分析了径流量变化的影响因素并以此提出相关措施。 莫崇勋等[4]对龙滩水库前汛期平均流量和年平均流量的特征进行研究, 并且还分析了流量突变前后的均值、 离势系数以及变差系数的变化。 宁忠瑞等[5]在研究南美洲巴拉那河流域径流量与气象要素的关系时, 采用交叉小波功率谱和交叉小波凝聚谱得到两要素在各时期多时间尺度下的相关性。

本文中以小清河感潮河段汛期水文、 气象要素为研究对象,分析1980—2019年期间汛期水文、 气象要素的趋势性、突变性及周期性,并确定汛期水文要素与气象要素之间的相关性,为小清河感潮河段及周边地区防洪防涝方案决策提供参考。

1 研究区概况

小清河位于山东省中部,起源于济南市南部山区,在潍坊市寿光市注入渤海。研究区域为小清河潮区界至河口处的感潮河段,感潮河段具体位于石村水文站至羊角沟潮位站之间,全长约50 km,主要受到上游径流和下游潮汐的共同影响。研究区属于华北暖温带半湿润季风型大陆性气候,四季分明,夏季高温炎热,冬季寒冷干燥。研究区内多年平均降水量约500～600 mm,年内分配不均,较大暴雨多发生在6—9月初,约占全年的70%,且年际变化较大,最大相差3倍以上。研究区处于平原地区,河床比降为1/600 0～1/800 0。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

水文数据均来源于《淮河流域水文资料》;气温数据来源于国家气象信息中心,降水数据主要来源于水文站点历史实测资料。由于研究区汛期为6—8月,因此,本文中利用小清河石村水文站和羊角沟潮位站在1980—2019年期间汛期(6—8月)平均气温、降水量以及平均水(潮)位数据进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 滑动平均法

为了减小数据中出现的随机性的影响,采用滑动平均法得到多年来水文、 气象要素的变化趋势,表达式为

(1)

式中:n为部分样本,n=2时即为5点滑动平均;i为n的相反数;x为序列值;t为滑动平均后的序列项;yt为经过滑动平均后的序列值[6-7]。

2.2.2 Mann-Kendall法

Mann-Kendall(M-K)法是世界气象组织推荐的非参数检验方法,目前已被广泛用于分析降水、水位和径流等要素时间序列的趋势和跳跃变化。对于非正态分布的气象和水文数据,M-K法的检验仍有较好的效果。在M-K法中,当统计量序列曲线(UF)大于0时,说明时间序列呈现上升趋势,反之则呈下降趋势;当UF位于显著水平范围之外,则说明时间序列有显著变化趋势;若UF和统计量逆序列曲线(UB)在显著水平范围内存在交点,则该交点即为突变点[8-9]。不同研究区不同时间段的特性各不相同,在无法完全确定时需进一步结合其他方法寻求更精确的突变年份。

2.2.3 累积距平法

累积距平表示所有距平的总和,能直观判断变化趋势。累积距平越大,说明其离散数据大于平均值,曲线呈上升趋势;反之说明离散数据小于平均值,曲线呈下降趋势[10]。本文中根据累积距平曲线的起伏,判断汛期水文、 气象要素的变化趋势是否存在突变点[11-12]。累积距平法所得结果可确定大致范围,有利于M-K法与有序聚类法进行进一步精确判断。

2.2.4 有序聚类法

有序聚类法是一种推求序列中突变点的方法。在该方法中,根据时间序列找到分割点,分别计算分割点前、后序列的离差平方和,并得到2个离差平方和之和,最终得到最优分割点,即最小离差平方和之和所对应的分割点;但无法给出其置信度[13],因此适用于在进行统计推估时难以确定非平稳序列干扰点的情况。本文中通过有序聚类法能够得到汛期水文、 气象要素的突变年份。

2.2.5 小波分析

连续小波变换能够得到信号中的周期性, 预测未来的变化趋势, 同样可以应用于对水文、 气象序列的周期性分析[14]。 由于小波分析将时间序列拓展为时间-频率空间, 因此可以多尺度细化分析信号中间歇的局部周期。 目前, 利用小波分析对气象和水文要素的时间序列进行周期分析时, 通常采用复Morlet小波函数作为基函数[15]。 在分析2个时间序列的多尺度相关性时, 可采用交叉小波变换和小波相干谱进行研究, 其中交叉小波分析只能对2个序列的共同高能量区域进行分析, 因此无法分析2个序列的低能量区域, 而相干小波谱恰好能够弥补这一缺点, 可分析2个序列之间低能量区的相关性[16]。

3 结果与分析

3.1 趋势分析

1980—2019年石村水文站和羊角沟潮位站汛期平均气温、汛期降水量以及汛期平均水(潮)位的演变过程如图1—3所示。由图1可知,石村水文站、羊角沟潮位站的汛期平均气温分别为25.92、25.83 ℃。由5 a滑动平均序列可知, 两站汛期平均气温呈波动上升现象; 从线性趋势线来看, 两站汛期平均气温均显著上升, 10 a平均变化速率分别为0.374、 0.479 ℃, 与联合国政府间气候变化专门委员会所提出的全球变暖的观点相符,然而相比全球10 a平均陆地气温变化速率为0.13 ℃,两站近40 a的汛期平均气温增幅偏大[17],这是随着温室效应加剧,全球变暖,气温总体呈上升趋势所致。

由图2可知,1980—2019年两站在汛期平均降水量分别为346.33、325.20 mm,最小汛期降水量均发生在2014年,分别为122.5、137.5 mm。由5 a滑动平均序列可知,均呈波动上升现象;从线性趋势来看,趋势均为显著上升,10 a平均变化速率分别为33.09、25.64 mm。产生这一趋势主要原因是气温的增加使得大气水循环速度加快,最终导致汛期降水量有所增加。

1980—2019年石村水文站汛期的平均水位为2.02m,最低汛期平均水位为1982年的0.71 m。由图3(a)可知,汛期平均水位呈波动上升趋势,10 a平均变化速率为0.54m。1980—2019年羊角沟潮位站汛期的平均高潮位和平均低潮位分别为4.10、2.67 m,最低汛期平均高、 低潮位均发生于1981年,分别为3.85、2.37 m。由图3(b)、(c)可知,汛期平均高潮位和汛期平均低潮位均呈波动上升趋势,10 a平均变化速率分别为0.08、0.18 m。由于汛期降水量呈上升趋势,因此导致水位、 潮位总体呈上升趋势。

3.2 突变分析

3.2.1 气温

采用M-K法、累积距平法以及有序聚类法分别对石村水文站和羊角沟潮位站的汛期平均气温进行突变分析,结果如图4、 5和表1所示,其中M-K法采用的显著水平为0.01。可以看出,不同突变分析方法所得到的突变年份不同。其中,有序聚类法将石村水文站的汛期平均气温序列以1996年为界分为两类,但1993、 2008年的离差平方和均较小,其中任意一点都可作为突变点;累积距平法得到的突变年份为1996、 2008年; M-K法中UF与UB曲线交点对应的年份为2008年。综合考虑3种突变分析方法的结果可以得知,石村水文站汛期平均气温的突变年份为1996、2008年。有序聚类法将羊角沟潮位站汛期平均气温序列以1993年为界分为两类;但1996年的离差平方和与1993年的相近,因此其中任意一点都可作为突变点;累积距平法得到的突变年份为1996、2004年;M-K法中UF与UB曲线交点对应的年份为1996年。综合考虑3种突变分析方法的结果得到羊角沟潮位站汛期平均气温的突变年份为1996年。两站汛期气温发生突变主要原因为: 1997年6—7月西太平洋副热带高压活动异常,造成山东省大部分地区汛期出现罕见高温天气[18];2009年6—8月山东平均气温相比往年偏高,其中在6月底至7月初期间,受大陆暖高压影响,山东省内除东南沿海地区以外均出现大范围异常高温[19]。

表1 1980—2019年小清河感潮河段汛期平均气温突变分析结果

3.2.2 降水

采用M-K法、 累积距平法及有序聚类法分别得到石村水文站和羊角沟潮位站的汛期降水突变分析结果, 如图6、 7和表2所示。 参考汛期平均气温突变点分析过程, 综合考虑3种方法所得结果得到, 石村水文站汛期降水量的突变年份为1986、 2017年, 羊角沟潮位站汛期降水量的突变年份为2015年。

表2 1980—2019年小清河感潮河段汛期降水量突变分析结果

降水量发生突变主要原因为: 1987年8月山东省自西向东发生由典型的西北涡活动引起的强降水过程[20], 导致石村水文站汛期降水量相较1986年显著增加;2016年山东省多数地区受到超强厄尔尼诺现象影响,小清河感潮河段入汛时间提前,大范围降水过程多,暴雨强度大,后期风暴潮灾害频发,汛期发生强降水频率明显增加,因此汛期降水量相对偏多[21-24]。

3.2.3 水位、潮位

采用M-K法、累积距平法及有序聚类法分别对石村水文站和羊角沟潮位站的汛期平均水位和平均高、低潮位进行突变分析,结果如图8、 9和表3所示。由于UF、UB曲线交点均未在显著水平0.01和0.001范围内,因此M-K法无法得到两站汛期水位、潮位突变点。与上述突变分析过程类似,综合考虑3种方法所得结果得出,石村水文站汛期平均水位突变年份为1999年, 羊角沟潮位站汛期平均高、 低潮位突变年份分别为1995、 1997年。相关研究表明,水文要素与气象要素具有一定相关性,但小清河汛期气象要素与汛期平均水(潮)位突变年份相差甚远,主要原因是,上世纪80年代开始陆续对小清河干流进行治理,人类活动对水文要素的影响不容忽视。

表3 1980—2019年小清河感潮河段汛期水位、潮位突变分析结果

3.3 周期性分析

3.3.1 气温

1980—2019年石村水文站和羊角沟潮位站汛期平均气温的周期性分析结果如图10、 11所示。由图10(a)、11(a)可知,两站的汛期平均气温主要有3～16 a尺度的周期性变化。由图10(b)、 11(b)可知,小波方差曲线均未出现极值,说明两站的汛期平均气温变化周期性不明显。

3.3.2 降水量

1980—2019年石村水文站和羊角沟潮位站汛期降水量周期性分析结果如图12、 13所示。 石村水文站汛期降水主要有3～5、 8～12、 12～16 a这3个时间尺度的周期性变化, 且均呈现“丰-枯-丰”交替震荡(见图12(a)), 同时汛期降水变化周期分别为4、 11、 15 a,其中第一主周期为12 a(见图12(b))。羊角沟潮位站汛期降水主要有3～7、 8～12 a这2个时间尺度的周期性变化, 且均呈现“丰-枯-丰”交替震荡(见图13(a), 同时汛期降水变化周期分别为5、 11 a, 其中第一主周期为11 a(见图13(b))。 分析可知, 两站的汛期降水主要在11 a的周期尺度下变化。

3.3.3 水位、潮位

石村水文站汛期平均水位和羊角沟潮位站汛期平均高、 低潮位的周期分析结果如图14—16所示。 石村水文站汛期平均水位主要有4～6、 6～9、 10～12 a这3种时间尺度的周期变化, 且均呈“丰-枯-丰”震荡(见图14(a)), 同时汛期平均水位变化周期主要为5、 7、 11 a, 其中第一主周期为11 a, 说明石村水文站汛期平均水位主要在11 a的周期尺度下变化(见图14(b))。 羊角沟潮位站汛期平均高潮位主要有5～16 a时间尺度的周期变化(见图15(a))。

图15(b)中的小波方差曲线未出现极值,说明汛期平均高潮位变化周期不明显。羊角沟潮位站汛期平均低潮位以9～16 a为时间尺度进行周期变化且呈“丰-枯-丰”震荡(见图16(a)),汛期平均低潮位变化主周期为14 a(见图16(b))。

3.4 水文要素与气象要素相关分析

3.4.1 线性回归分析

由于羊角沟潮位站缺乏长期平均潮位资料,且半潮面与平均潮位通常具有较好的线性相关关系,因此本文中在分析该潮位站水文要素变化的气候响应时主要分析半潮面与气象要素之间的相关关系。 经突变分析可知, 石村水文站汛期平均水位和羊角沟潮位站汛期平均半潮面发生突变的年份分别为1999、 1998年, 本文中根据突变年份对小清河水文要素与气象要素进行阶段性线性回归分析, 结果见图17、 18。 由图17(a)可知, 小清河汛期平均水位总体上随平均气温的升高而上升, 发生突变前平均水位随平均气温的升高而平缓降低, 突变后平均水位与平均气温呈正相关关系。 由图17(b)可知, 小清河汛期平均水位与汛期降水量总体上呈正相关,且在突变前、 后与汛期降水量均呈正相关。

由图18(a)、(b)可知,小清河汛期平均半潮面随着汛期平均气温升高和汛期降水增加总体上均呈增长趋势,且在突变前、 后平均半潮面随平均气温升高和汛期降水增加均呈缓增趋势。

表4所示为小清河气象要素与水文要素的相关系数。 从表中可以看出,在突变前石村水文站汛期平均水位与汛期降水的相关性最强, 相关系数为0.73,汛期平均水位与汛期平均气温间的相关性最弱, 仅为0.06。 总体来看, 小清河各气象要素与水文要素的相关系数大多为0.3～0.7。

表4 小清河感潮河段气象要素与水文要素的相关系数

3.4.2 小波分析

1980—2019年小清河石村水文站、羊角沟潮位站汛期水文要素与气象要素的交叉小波和相干小波图如图19、 20所示,图中不同颜色表示波谱强度,反映能量的相对高低。

由图19(a)可知,1988—1999年石村水文站汛期平均水位与汛期平均气温之间存在1～3 a的共振周期,由相位角可知两者此时主要呈负相关并且均通过置信度为95%的检验。由图19(b)可见: 在相干小波低能量区1984—1993、 2009—2019年分别存在6、 2 a左右呈正相关的共振周期;在1980—1986、 1990—2000、 1993—2005年分别存在3、 1、 9 a左右呈负相关的共振周期。 由图19(c)可知:汛期平均水位与汛期降水在1987—1988、 1993—2000年分别存在2 a左右和1～2 a呈正相关的共振周期,且均通过置信度为95%的检验;在不同置信度下,1980—2019年存在10 a左右的共振周期,相关性呈“正-负”变化,基本覆盖整个小波边界效应影响锥,但相关性相对较弱。由图19(d)可知,在1980—2005、1980—1993、2010—2019分别存在3、 8、 1 a左右呈正相关的共振周期。

由图20(a)可知, 1990—1997年羊角沟潮位站汛期平均半潮面与汛期平均气温存在1～3 a的共振周期, 相关关系呈“正-负”变化, 且通过置信度为95%的检验。 由图20(b)可见: 在1980—1990、 2000—2019、 2011—2019、 2014—2019年分别存在5～8、 10、 5～9、 1～3 a呈正相关的共振周期; 在2003—2008年存在3 a左右呈负相关的共振周期; 1985—2000年存在1～5 a次共振周期, 相关性呈“正-负”变化。 由图20(c)可知, 在2011—2019、2016—2018年分别存在5～8、 2 a呈正相关的震荡周期,且通过置信度为95%的检验。由图20(d)可知:2006—2019年存在5～9 a呈正相关的共振周期,且通过置信度为95%的检验;在1987—2000、2008—2019年分别存在2～5、 1 a呈正相关的次共振周期;在1980—1985年存在6 a左右呈负相关的次共振周期。

4 结论

本文中根据1980—2019年小清河石村水文站与羊角沟潮位站汛期的气温、降水及水位、潮位数据,分别分析了水文气象要素的趋势性、突变年份、周期性以及水文要素与气象要素之间的相关性,得到以下结论:

1)两站汛期水文、 气象要素在1980—2019年期间总体均呈上升趋势,产生这一趋势主要是因为受到温室效应影响,研究区汛期平均气温在近40 a有所增加,进而直接导致大气水循环速度加快,汛期降水量呈上升趋势,最终导致水位总体呈上升趋势。

2)受到各种异常天气影响,各气象要素变化分别存在不同突变点:两站在1980—2019年期间的汛期平均气温的突变年份分别为1996、2008年和1996年,汛期平均降水的突变年份分别为1986、2017年和2015年。由于小清河干流治理工程陆续进行,加上人类活动等外在因素,因此水文要素与气象要素突变点相差较大。

3)两站在1980—2019年期间汛期平均气温与羊角沟潮位站汛期平均高潮位在变化时周期性不显著,其余水文、 气象要素均存在明显周期变化,其中两站汛期降水变化主周期均为11 a,石村水文站汛期平均水位变化主周期为11 a,羊角沟潮位站汛期平均低潮位变化主周期为14 a。

4)小清河感潮河段石村水文站汛期平均水位和羊角沟潮位站汛期平均半潮面均与气象要素具有一定相关性,说明水文要素的变化受到气温与降水的共同作用。

5)小清河石村水文站和羊角沟潮位站的降水量与水位、潮位均呈不同程度的上升趋势,且根据小波周期性分析可知各水文气象要素的丰、枯时期,由此判断未来一定时期内两站的降水量与水位、潮位的变化趋势,可为小清河防洪防涝方案的决策与实施提供参考。