莫崇勛，莫桂燕，阮俞理，王大洋，朱新榮，林怡彤(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

以氣溫升高為特征的氣候變化將加快水文循環(huán)過程，引起區(qū)域水量平衡和水資源重新分配；而改變產(chǎn)匯流形成條件的人類活動，使區(qū)域水循環(huán)的物理成因發(fā)生變化，導(dǎo)致水文序列變異；二者綜合影響下，會出現(xiàn)水資源系列的防洪、供水、水生態(tài)環(huán)境和水工程方面的水安全問題[1-4]。變化環(huán)境下，全國平均年降水量整體略有減少(-2.23 mm/a)的變化趨勢，并其變化趨勢對所取時(shí)間段和區(qū)域范圍有一定的敏感性；同時(shí)，不同區(qū)域的氣候變化特征不盡相同，有其特殊性。目前，國內(nèi)關(guān)于不同區(qū)域變化環(huán)境下降雨演變特征分析已有許多的研究成果[5-9]，而關(guān)于澄碧河水庫流域氣候變化特征的相關(guān)研究較少，僅朱勝等[10]對澄碧河水庫上游流域氣候變化特征及其影響進(jìn)行分析。而水庫作為重要的供水水源，其運(yùn)行調(diào)度在緩解水資源矛盾中發(fā)揮舉足輕重的作用，故深入研究變化環(huán)境下澄碧河水庫流域降雨特征演變，對于探討氣候變化引起的水文水資源響應(yīng)及進(jìn)一步制定水庫流域水資源更合理高效利用的對策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。鑒此，本文利用線性趨勢法、滑動平均法、距平百分比、變異分析法和Arcgis空間插值法等對澄碧河水庫流域降雨變化趨勢和變異性進(jìn)行分析，并結(jié)合氣溫和蒸發(fā)氣候資料進(jìn)一步了解流域內(nèi)氣候要素受全球氣候變化的影響程度及變化趨勢，為流域生態(tài)建設(shè)和水土保持規(guī)劃提供指導(dǎo)與幫助。

1 研究區(qū)概況

澄碧河水庫流域位于106°21′E～106°48′E，23°50′N～24°45′N，地處喀斯特山區(qū)，屬于亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫和多雨，地勢自西北向東南傾斜(如圖1所示)。水庫壩址坐落于中國東南部廣西壯族自治區(qū)百色市凌云縣境內(nèi)。澄碧河屬于珠江流域西江水系右江干流左岸一級支流，發(fā)源于凌云縣青龍山北麓他以村，河流總長127 km，流域總面積2 087 km2，其中2 000 km2為水庫集雨面積。流域內(nèi)各地多年平均降雨量在1 100～1 600 mm之間，汛期(4-10月)占全年水量的87%，多年平均月降雨量最大值出現(xiàn)在6月，占多年平均降雨量的23%，其次是7月、8月和5月，流域內(nèi)各地區(qū)多年平均氣溫在12.3～21.3 ℃之間。

圖1 研究區(qū)域及雨量站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象資料通過澄碧河水庫實(shí)測系列獲取，選取水庫流域內(nèi)8個(gè)雨量站(1966-2015年)50 a的降雨數(shù)據(jù)，對部分站點(diǎn)缺測數(shù)據(jù)利用Arcgis克里金插值以及多元回歸插值進(jìn)行補(bǔ)全，構(gòu)建澄碧河水庫流域1966-2015年的降雨數(shù)據(jù)時(shí)間序列。

2.2 分析方法

本文對澄碧河水庫流域內(nèi)8個(gè)雨量站的降雨進(jìn)行趨勢及變異研究，進(jìn)而結(jié)合流域蒸發(fā)和氣溫因素進(jìn)行相關(guān)性分析。文中采用線性趨勢分析[11]和滑動平均[12]分析氣溫、降雨及蒸發(fā)時(shí)間序列的趨勢性變化；應(yīng)用變異分析法識別和診斷降雨趨勢變異程度；運(yùn)用累計(jì)距平法[13]辨析降雨趨勢年際變化的階段性。

序列的持續(xù)性破壞了序列的隨機(jī)性，使得序列產(chǎn)生了變異。Hurst系數(shù)h能夠反映其持續(xù)性。同時(shí)，R/S分析法中的關(guān)系函數(shù)C(t)是分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動參數(shù)H的外在體現(xiàn)[C(t)=22H-1-1][14]，其假設(shè)檢驗(yàn)所通過的顯著性水平能表征變異程度大小，并且運(yùn)動參數(shù)H和Hurst系數(shù)h是一致的，因而從相關(guān)函數(shù)Ct的角度結(jié)合其與系數(shù)h的轉(zhuǎn)換可直觀有效地進(jìn)行變異度劃分。Hurst系數(shù)h的計(jì)算[15]及變異度分級情況(見表1)如下[16]。

表1 變異度分級

在給定n個(gè)樣本量的時(shí)間序列xi，i=1,2,…,n，定義均值序列：

(1)

計(jì)算累積離差：

(2)

定義極差序列和標(biāo)準(zhǔn)差序列：

(4)

建立無量綱比率R/S：

(5)

式中：C為常數(shù)；h為Hurst系數(shù)，取值范圍為[0,1]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨趨勢分析

采用線性趨勢和5 a滑動平均法研究澄碧河水庫流域8個(gè)雨量站降雨時(shí)間序列趨勢性(見表2)，只呈現(xiàn)百煉站和凌云站的變化趨勢圖(見圖2)，并利用Arcgis空間插值方法進(jìn)行流域降雨及其傾向率空間變化探討(見圖3)。由表2和圖2可知：澄碧河水庫流域8個(gè)雨量站點(diǎn)的多年平均降雨量在1 009.2 mm(百煉站)～1 536 mm(凌云站)之間；雨量站多年平均降雨發(fā)生不同程度波動，但均呈現(xiàn)減少趨勢，百煉站降雨減少尤為明顯，降雨傾向率達(dá)-3.53 mm/a，其次為林河站(-3.25 mm/a)與下塘站(-3.05 mm/a)，與全國平均年降水量波動略有減少(-2.23 mm/a)的整體趨勢相同[17]。由圖3可知，澄碧河水庫流域降雨及其傾向率在空間上呈大致相反的分布趨勢，流域降雨主要集中于遠(yuǎn)離庫區(qū)的西北地區(qū)，且向東南方向減少(由凌云站1 536 mm減少至百煉站的1 009.2 mm)；而降雨傾向率則相反，靠近庫區(qū)的東南地區(qū)出現(xiàn)較大變化，且從東南向西北逐漸減少(由百煉站-3.53 mm/a減少至凌云站的-2.35 mm/a)。

表2 澄碧河水庫流域降雨趨勢

圖2 澄碧河水庫流域變化趨勢(百煉站和凌云站)

3.2 降雨變異分析

(1)年變異。在顯著性水平α=0.05，β=0.01的條件下，借助Matlab編程對降雨序列變異進(jìn)行探討(見表3和圖4)。由表3和圖4可知：澄碧河水庫流域百煉站降雨變異最顯著，Hurst系數(shù) 高達(dá)0.956(巨變異)，凌云站相對變異程度最小，h為0.665(弱變異)；降雨變異與其傾向率有相似的空間分布趨勢：靠近庫區(qū)的東南地區(qū)最為顯著，遠(yuǎn)離庫區(qū)的西北地區(qū)相較不明顯。

圖3 澄碧河水庫流域降雨及其傾向率空間變化

表3 澄碧河水庫流域降雨變異分析

(2)年際變異。運(yùn)用累計(jì)距平法和變異分析法研究降雨趨勢年際變化的階段性(見圖5)和變異性(見表4和圖6)。由圖5可知：澄碧河水庫流域降雨距平大致呈增大(20世紀(jì)六七十年代)-減小(80年代)-增大(90年代)-減小(21世紀(jì))趨勢，20世紀(jì)八九十年代降雨變化較顯著，距平百分比達(dá)-10.81%(林河，80年代)～11.79%(朝里，90年代)，流域降雨呈現(xiàn)較強(qiáng)波動性；由表4和圖6：流域降雨系列Hurst系數(shù) 處于0.591 2～0.953 2之間，降雨趨勢年代間出現(xiàn)不同程度變異，總體上呈弱度(20世紀(jì)六七十年代)-強(qiáng)度(20世紀(jì)八九十年代)-弱度(21世紀(jì))的變化尺度，與降雨年代距平有相似變化趨勢，且變異強(qiáng)度中心空間上大致呈集中庫區(qū)(20世紀(jì)60年代、80年代和21世紀(jì))-分散庫區(qū)(20世紀(jì)70年代和90年代)往復(fù)變化趨勢。

圖4 澄碧河水庫流域降雨變異空間變化

圖5 澄碧河水庫流域降雨年代距平變化

3.3 降雨變化氣候分析

采用線性趨勢和5 a滑動平均法研究澄碧河水庫流域氣溫和蒸發(fā)時(shí)間序列趨勢性(見圖7和圖8)。由圖7和圖8可知：澄碧河水庫流域年平均氣溫為17.5℃，最高和最低氣溫分別為18.9℃(2009年)和15.8℃(1978年)，流域近50 a來氣溫增加趨勢明顯，氣溫傾向率為0.013 6 ℃/a左右，相較于全國近50 a的氣候傾向率(0.022℃/a)[18]以及整個(gè)廣西氣溫傾向率(0.0148℃/a)[19]略低，而相比全球近50a(1956-2005年)的氣候傾向率0.013℃/a則略高，表明流域與全球氣候變暖的趨勢一致，氣溫變幅較其他地區(qū)有一定的地區(qū)差異；澄碧河水庫流域水面年平均蒸發(fā)量為1190.89 mm，細(xì)節(jié)上與降雨呈大致相同的增加(20世紀(jì)六七十年代和90年代)-減少(20世紀(jì)80年代和21世紀(jì))波動形式，總體上呈明顯的與降雨相似的減少趨勢，蒸發(fā)傾向率為-2.42 mm/a，相較于全國近45 a(1956-2000年)的平均水面蒸發(fā)量變化速率-3.45 mm/a[20]則略低，表明流域蒸發(fā)與全國變化趨勢一致。

表4 澄碧河水庫流域降雨年代變異

圖6 澄碧河水庫流域降雨年代變異空間變化

圖7 澄碧河水庫流域氣溫變化趨勢

圖8 澄碧河水庫流域蒸發(fā)變化趨勢

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1)澄碧河水庫流域蒸發(fā)和降雨總體上均呈減少趨勢，且年代間降雨與蒸發(fā)亦大致呈同一增加0(20世紀(jì)六七十年代和90年代)-減少(20世紀(jì)80年代和21世紀(jì))的循環(huán)變化趨勢。流域降雨60%～70%通過蒸散發(fā)返回大氣形成水循環(huán)，從而降雨與蒸發(fā)變化步調(diào)大致相同，與全國降水與蒸發(fā)量區(qū)域變化趨勢關(guān)系相吻合[21]。而降雨空間上在遠(yuǎn)離庫區(qū)分布多，靠近庫區(qū)分布少。可能由于水庫庫區(qū)，水面溫度低，氣團(tuán)上冷下熱，對流變?nèi)酰祷卮髿庵械恼羯l(fā)變少，形成的降雨相對變少；而遠(yuǎn)離庫區(qū)地區(qū)，植被覆蓋率高，植物蒸騰作用增強(qiáng)形成的蒸散發(fā)多，形成的降雨相對增加[22]。另一方面，結(jié)合流域氣溫整體上升趨勢，則會出現(xiàn)靠近庫區(qū)的東南地區(qū)降雨下降趨勢比遠(yuǎn)離庫區(qū)的西北地區(qū)要明顯，其所反映降雨減少的持續(xù)性大小進(jìn)一步表現(xiàn)為降雨變異性在東南地區(qū)較西北地區(qū)顯著。

(2)澄碧河水庫流域氣溫呈明顯增加趨勢，而蒸發(fā)卻呈減少趨勢，存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。結(jié)合降雨分布情形，靠近庫區(qū)蒸散發(fā)相對減少，而遠(yuǎn)離庫區(qū)則相對增加，在氣溫變暖的背景下，降雨傾向率與降雨空間分布上出現(xiàn)大致互逆現(xiàn)象。

4.2 結(jié) 論

(1)澄碧河水庫流域近50 a來降雨整體呈減少趨勢，流域雨量站點(diǎn)降雨傾向率波動范圍為-2.35～-3.53 mm/a，均比全國平均年降水量波動略有減少(-2.23 mm/a)的整體趨勢要明顯；流域降雨自西北向東南遞減(由凌云站1 536 mm減少至百煉站的1 009.2 mm)，降雨傾向率則與其大致呈互逆變化趨勢(由凌云站的-2.35 mm/a增加至百煉站-3.53 mm/a)。

(2)澄碧河水庫流域降雨在年尺度上發(fā)生弱變異～巨變異不同程度的變異，其中百煉站最顯著，Hurst系數(shù)h高達(dá)0.956(巨變異)，凌云站變異最小，h為0.665(弱變異)，且其與降雨傾向率有相似空間分布趨勢，東南地區(qū)最為顯著；年代尺度上變異強(qiáng)度中心大致呈集中于庫區(qū)(20世紀(jì)60年代、80年代和21世紀(jì))-分散于庫區(qū)(20世紀(jì)70年代和90年代)往復(fù)變化趨勢。

(3)澄碧河水庫流域降雨與蒸發(fā)變化基本一致，降雨-蒸發(fā)關(guān)系沒有發(fā)生明顯變化，而氣溫-蒸發(fā)關(guān)系呈現(xiàn)一定的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象；流域蒸發(fā)與降雨有相同減少趨勢(蒸發(fā)傾向率為-2.42 mm/a)，同時(shí)，流域氣溫呈增加趨勢(氣溫傾向率為0.013 6 ℃/a)?？梢?，流域呈現(xiàn)暖干趨勢。

(4)本文基于變異分析和Arcgis空間插值等方法研究流域降雨特征時(shí)空變化，后續(xù)有望結(jié)合徑流等水文資料綜合分析預(yù)測水文序列對氣候變化與人類活動的響應(yīng)，以資更進(jìn)一步指導(dǎo)水庫流域管理工作。

[1] 張建云，王國慶.氣候變化對水文水資源影響研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 夏 軍，石 衛(wèi)，張利平，等. 氣候變化對防洪安全影響研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2016,48(2):7-13.

[3] 張建云，王國慶，楊 揚(yáng)，等. 氣候變化對中國水安全的影響研究[J].氣候變化研究進(jìn)展，2008,4(5):290-295.

[4] 王紹武，蔡靜寧，朱錦紅，等. 中國氣候變化的研究[J].氣候與環(huán)境研究，2002,7(2):137-145.

[5] 李小雁，史正濤，彭海英. 滇中地區(qū)極端降水時(shí)空變化趨勢及其成因分析[J].節(jié)水灌溉，2010,(6):26-29,33.

[6] 葛彩蓮，蔡煥杰，王 健，等. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨量預(yù)測研究[J].節(jié)水灌溉，2010,(11):7-10.

[7] 李 娟，張維江. 基于壩系水資源高效利用的寧南山區(qū)降雨徑流響應(yīng)研究[J].節(jié)水灌溉，2015,(12):69-72.

[8] 張凱凱，馬娟娟，孫西歡，等. 太原市高校不同下墊面條件下降雨徑流系數(shù)試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉，2014,(12):29-32.

[9] 王少波，楊紹金，王建東. 舞水河流域降水變化特征及趨勢分析[J].節(jié)水灌溉，2015,(9):79-82.

[10] 朱 勝，黃梅麗，朱 英. 澄碧河水庫上游流域氣候變化特征及其影響分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2011,32(1):25-28.

[11] 黃嘉佑. 氣候狀態(tài)變化趨勢與突變分析[J].氣象，1995,(7):54-57.

[12] Zhang Q, Xu C Y, Zhang Z, et al. Spatial and temporal variability of precipitation over China, 1951-2005[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2009,95(1-2):53-68.

[13] 賀 偉，布仁倉，熊在平，等. 1961-2005 年西北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013,33(2):519-531.

[14] 徐緒松，馬莉莉，陳彥斌.R/S分析的理論基礎(chǔ)：分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,50(5):547-550.

[15] 張少文，王文圣，丁 晶，等.分形理論在水文水資源中的應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展，2005,16(1):141-146.

[16] 謝 平，許 斌，章樹安，等.變化環(huán)境下區(qū)域水資源變異問題研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[17] 施 能，陳家其，屠其璞，等. 中國近100年來4個(gè)年代際的氣候變化特征[J].氣象學(xué)報(bào)，1995,53(4):431-439.

[18] 王遵婭，丁一匯，何金海，等. 近50年來中國氣候變化特征的再分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2004,62(2):228-236.

[19] 王 瑩，蘇永秀，李 政. 1961-2010年廣西氣溫變化對全球變暖的響應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào)，2013,(10):1 707-1 717.

[20] 郭 軍，徐銘志，初子瑩，等.近50年中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學(xué)報(bào)，2005,63(1):942-956.

[21] 叢振濤，倪廣恒，楊大文，等.“蒸發(fā)悖論”在中國的規(guī)律分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2008,19(2):147-152.

[22] 芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京:高等教育出版社，2013.