鄢 波，張 瀟2，夏自強3，郭勉辰4，劉宸希3，羅云英

(1.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所， 武漢 430010； 2.長江水利委員會水文局，武漢 430010; 3.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098; 4.東南大學(xué) 基本建設(shè)處，南京 211189)

1 研究背景

黑龍江是世界著名的國際河流，位于中高緯寒區(qū)，流域氣候?qū)θ驓夂蜃兓绊憳O為敏感。近年來，分析降水變化特征的研究很多，但是，以國際河流為研究對象的相關(guān)文章卻相對較少。很少有學(xué)者就黑龍江流域的氣候變化進行研究。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會[1](Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC) 的相關(guān)報告指出，氣候變暖不僅影響到極端氣溫和極端降水，而且加大了自然災(zāi)害發(fā)生的頻率，比如高溫、洪水、干旱、暴雨等。在全球變暖的大背景下，氣候變化對流域水資源狀況的影響也是特別顯著的。因此，全球變暖條件下的黑龍江流域氣候變化的特征分析研究十分有意義。

黑龍江流域降水變化受區(qū)域氣候和地形地貌等因素的影響，年內(nèi)降水主要發(fā)生在6—9月份，降水量約占年降水量的70%。此外，降水量年際變化較大，年降水量極值比一般為2～3。同時，流域內(nèi)各地區(qū)間的降水分布隨地形條件和距海洋遠近而逐漸變化，通常表現(xiàn)為由平原到山區(qū)，降水隨高程增加而增加；由東向西，降水隨距海洋距離增加而減少[2]。

2 研究數(shù)據(jù)來源

研究國際河流，資料的收集和整理是難題之一。本文收集了1954—2012年的黑龍江流域境內(nèi)外25個氣象站點的日降水資料序列。其中，境內(nèi)數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象局，境外數(shù)據(jù)來源于俄羅斯聯(lián)邦水文氣象局。所用數(shù)據(jù)都通過了RHtestV.3[3-4]軟件的均一性檢驗。該軟件基于懲罰最大F檢驗和懲罰最大T檢驗，并考慮了時間序列的滯后一階自相關(guān)，可用于不同時間尺度時間序列的均一性檢驗。25個站點在流域中的位置見圖1。

圖1 黑龍江流域降水分析選取氣象站點位置Fig.1 Location of stations selected for precipitationanalysis in Heilongjiang River Basin

3 研究方法

水文氣象類時間序列的研究方法通常包括趨勢性分析、突變點診斷、周期性分析等。本研究對黑龍江流域降水序列的趨勢性分析采用了線性趨勢法[5]、距平累積法[6]和變尺度趨勢分析法[7]；用Mann-Kendall(M-K)法[8-9]診斷序列的突變點；用小波分析法[10-11]分析降水序列的周期性。相關(guān)方法的具體計算過程在參考文獻中都已有表述，這里就不再贅述。通過趨勢分析、突變分析和周期分析，可以了解長時段降雨序列的變化特征。此外，通過變尺度趨勢分析，可以探索長時間序列的周期性變化特征。

4 降水變化特征分析

4.1 趨勢特征分析

4.1.1 線性趨勢分析

圖2是黑龍江流域1954—2012年降水量變化過程曲線。本文使用25個站點的年降水量序列，考慮高程因素的協(xié)克里金插值得到流域多年降水量變化過程。經(jīng)計算，得到1954—2012年多年平均降水量為498.73 mm，其線性傾向率為-3.70 mm/(10 a)(變化率為-0.74%/(10 a))，未通過90%的M-K顯著性檢驗，說明流域在統(tǒng)計期內(nèi)降水減少趨勢不顯著，沒有明顯變化。流域年平均降水量在399.27～600.20 mm之間，最大降水量出現(xiàn)在1959年，為600.20 mm，最小降水量出現(xiàn)在2002年，為399.27 mm，兩者的極值比為1.50，說明流域降水年際間變化不大，屬于正常波動的狀態(tài)。

圖2 黑龍江流域多年降水量變化過程Fig.2 Changes of precipitation in Heilongjiang RiverBasin over years

圖3 黑龍江流域降水距平累積百分率變化曲線Fig.3 Variation of accumula-ted anomaly percentage ofprecipitation in HeilongjiangRiver Basin

4.1.2 距平累積百分率分析

從流域年降水量距平累積變化過程(圖3)可以看出，1954—1963年，曲線持續(xù)上升，流域年降水量均高于多年均值；1964—1980年，曲線總體持續(xù)下降，流域處于少雨期；1981—1995年，曲線以上升為主，流域處于多雨期；1996—2008年，曲線總體持續(xù)下降，流域又進入了少雨期，2009年后曲線開始上升?？傮w而言，流域降水序列呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的變化過程，多雨期和少雨期交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)較為明顯的周期性變化。

4.1.3 變尺度趨勢分析

綜合25個站點多年平均降水，繪制得到黑龍江流域1954—2012年年降水變尺度趨勢(圖4)。

圖4 黑龍江流域年降水變尺度趨勢Fig.4 Trend of precipitation in Heilongjiang RiverBasin by variable scale analysis

圖4中藍色和紅色閉合的區(qū)域分別表示該統(tǒng)計段的趨勢結(jié)果通過了置信水平1%和5%的M-K顯著性檢驗。按照規(guī)范要求，水文序列的趨勢性檢驗對時間尺度的要求一般是30 a，因此，本文將統(tǒng)計尺度的最小歷時定為30 a，歷時在30 a及以上的均認(rèn)為是有效統(tǒng)計時段。例如，圖4中對角線上的單元信息代表時間尺度為30 a統(tǒng)計時段的變化趨勢。同樣，平行于對角線的直線上的單元信息均為同一時間尺度統(tǒng)計時段的變化趨勢。從圖4可知，不同時間尺度的統(tǒng)計期內(nèi)，流域降水變化均處于上升與下降交錯的趨勢，幅度在-25.16～24.16 mm/(10 a)間波動，而且大部分沒有通過5%置信水平的顯著性檢驗。

顯著性檢驗結(jié)果表明，趨勢顯著的情況發(fā)生在極少的局部時間段，且固定時間尺度后，沿著對角線平移，趨勢性由顯著變得不顯著，甚至?xí)a(chǎn)生相反的趨勢變化。例如上升趨勢顯著的時間段集中在1965—1995年統(tǒng)計期附近；下降趨勢顯著的時間段集中在1955—2010年和1985—2010年2個統(tǒng)計期附近；其余97.7%的有效統(tǒng)計時間段均無顯著變化趨勢，說明黑龍江流域年降水序列總體無顯著的趨勢變化。局部的顯著趨勢變化往往掩蓋了該時間段內(nèi)的周期性波動，例如時間尺度為30 a的統(tǒng)計期內(nèi)(即對角線位置)，1965—1994年呈現(xiàn)顯著上升趨勢，沿著對角線移動，上升趨勢開始變得不顯著，然后轉(zhuǎn)變成不顯著的下降趨勢，最后至1978—2007年開始呈現(xiàn)顯著下降。平移交錯中重疊的時間段為1965—1977年，剛好位于少雨期，正好對應(yīng)了圖3中距平累積百分率曲線持續(xù)下降的時間段。這不僅能反映降水階段性變化給趨勢性分析帶來了難度，也充分說明黑龍江流域年降水序列的復(fù)雜性。

4.2 突變特征分析

圖5是黑龍江流域1954—2012年降水突變診斷曲線，其中UF為Mann-Kendall統(tǒng)計值正向序列，UB為逆向序列，(-1.96,1.96)為95%顯著水平的置信區(qū)間。通過M-K突變檢驗發(fā)現(xiàn)，1964年、1981年及1996年是流域平均氣溫序列的突變年份，這意味著在這3年附近的年份內(nèi)降水狀態(tài)發(fā)生了最大的趨勢變化，而且該突變都達到了95%的顯著性水平。

圖5 黑龍江流域多年降水量突變診斷曲線Fig.5 Detected abrupt changes of precipitation inHeilongjiang River Basin

結(jié)合上文中針對圖3的流域多年距平累積百分率變化過程曲線的解析，這3個年份都處于降水多雨期和少雨期交替階段的起始年：1964—1980年，曲線持續(xù)下降，流域處于少雨期；1981—1995年，曲線以上升為主，流域處于多雨期；1996—2008年，曲線持續(xù)下降，流域又進入了少雨期。流域降水多雨期和少雨期交替出現(xiàn)，是M-K突變檢測結(jié)果的有效佐證，也充分說明下一步針對流域降水周期性分析的必要性。

4.3 周期特征分析

降水量變化的周期性分析采用黑龍江流域25站點1954—2012年共59 a的年降水量系列，為消除小波變換產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，已采用對稱延伸法對資料進行預(yù)處理。

圖6為黑龍江流域年降水量序列的小波系數(shù)實部等值線，其上清楚地顯示了該流域59 a來降水在各時間尺度上的周期振蕩和突變特性。其中，灰度的大小表示信號振蕩的強弱，灰度越大，表示處于干旱期；灰度越小，表示處于濕潤期。

圖6 黑龍江流域年降水量復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部Fig.6 Real part of the Morlet wavelet transform coefficientfor precipitation in Heilongjiang River Basin

從圖6可以明顯看出，黑龍江流域年降水量存在著28 a左右的大尺度、12 a左右的中尺度和4 a左右的小尺度的周期性變化。在28 a左右的大尺度周期中，整個時段都有較強的信號，1954—2012年降水量明顯地存在著少-多-少-多-少-多的變化過程，且大尺度的周期整體上非常穩(wěn)定。12 a左右的中尺度從1954年開始到1990年左右結(jié)束，也明顯地存在著少-多-少-多-少-多-少的變化過程，且尺度變化趨勢不穩(wěn)定，尤其1990年以后，12 a左右尺度的周期性不明顯。降水序列在4 a左右的小尺度上變化更為頻繁，在4 a左右持續(xù)起伏?？偟膩碚f，黑龍江流域年降水量系列呈現(xiàn)出多時間尺度復(fù)雜嵌套、小尺度嵌套在較大尺度的周期性變化特征。

圖7為黑龍江流域的年降水量系列的小波方差。從圖7可以看出：黑龍江流域的年降水量系列小波方差圖有3個峰值，分別對應(yīng)的時間尺度為28，12，4 a，說明黑龍江流域降水的振蕩周期分別為28,12,4 a，且第1主周期為28 a；圖6中的第1主周期降水偏多的等值線還未閉合，則可以預(yù)測在未來的一段時間里將可能處于降水偏多的時期。尤其等值線的中心還沒有出現(xiàn)，預(yù)示著未來幾年可能存在更強烈的降水。實際上2013年的黑龍江全流域強降水，正好印證了本節(jié)針對黑龍江流域降水的周期性分析。

圖7 黑龍江流域年降水量復(fù)Morlet小波方差Fig.7 Variance of the Morlet wavelet transform forprecipitation in Heilongjiang River Basin

綜合降水時間序列周期性和突變點的分析情況，盡管降水序列在1964年、1981年和1996年共存在3個突變點，但這3個年份都處于周期波動的邊緣年份(多水期和少水期的交接年份)，降水序列的周期性決定了突變點的產(chǎn)生時間。圖4年降水變尺度趨勢曲線中，統(tǒng)計期內(nèi)也極少有增加或者減少的趨勢通過了5%置信水平的顯著性檢驗，也佐證了降水序列具有較強的周期性波動。

5 結(jié) 論

(1)通過線型趨勢分析法和變尺度趨勢分析法，黑龍江流域年降水序列無顯著的趨勢變化。在1954—2012年時間段內(nèi)，線性趨勢變化率僅為-0.74%/(10 a)；而不同尺度各統(tǒng)計期內(nèi)，97.7%的有效統(tǒng)計時間段均無顯著變化趨勢。

(2)距平累積法分析得到降水序列呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的趨勢，而3個轉(zhuǎn)折點(1964，1981和1996年)均為M-K突變檢驗得到的突變點。

(3)變尺度趨勢分析法得到黑龍江流域年降水序列在不同尺度下趨勢檢驗呈現(xiàn)復(fù)雜的變化，這與流域豐枯交替的降水階段性變化有關(guān)，也反映了對其進行周期性分析的必要性。

(4)小波分析得到黑龍江流域年降水序列的3個主周期(28,12,4 a)，其中第1主周期為28 a，在研究期內(nèi)全時段信號均較強，1964年、1981年和1996年作為該周期的正負(fù)相的轉(zhuǎn)變點，與距平累積法分析的階段趨勢變化和M-K法分析的突變點結(jié)論相一致。以上分析均說明了黑龍江流域降水具有較強的周期性。