三江平原撓力河流域近50年降水變化特征分析

三江平原撓力河流域近50年降水變化特征分析

三江平原位于黑龍江省東北部。這是黑龍江省、松花江和烏蘇里江沖積的低平原。面積1089萬hm，分布中國最大的沼澤濕地。1949年,濕地面積為534萬hm2,占流域總面積的49.0%,而到2005年,濕地面積僅為81萬hm2,占流域總面積的7.5%。三江平原的下墊面性質發(fā)生了巨大變化,農田取代濕地成為主要的景觀類型。陳剛起等研究指出,三江平原沼澤濕地開墾后,下墊面水文條件和水平衡各要素均有明顯變化。而降水是一切水資源的總來源,降水的時空變化是影響區(qū)域水資源時空分布和生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要制約因素。因此,研究三江平原降水的時空分布特征對該地區(qū)沼澤濕地資源的可持續(xù)利用及水文系統(tǒng)的恢復和重建具有重要意義。目前關于降水趨勢分析的方法很多,如線性傾向估計、累計距平、滑動平均、三次樣條函數(shù)、Mann-Kendall突變檢驗和趨勢分析法等。由于在水文-氣象時間序列中使用非參數(shù)檢驗方法比使用參數(shù)檢驗方法在非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)和檢驗中更為合適,非參數(shù)檢驗法的Mann-Kendall法在氣象水文要素的趨勢分析中被廣泛采用。因此,文中采用Mann-Kendall趨勢分析法,選擇位于三江平原腹地的典型沼澤性河流—撓力河作為研究區(qū),分析該流域降水時空分布特征,為流域水資源的合理利用和濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復和重建提供科學依據(jù)。1江平原氣象區(qū)盆地環(huán)境特征撓力河流域位于三江平原腹地,地處131°31′134°10′E、45°43′47°35′N,流域總面積24863km2,占整個三江平原總面積的近1/4,濕地面積占三江平原濕地面積的1/4多。氣候屬溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候區(qū),年均溫3.5℃,極端最低氣溫-37.2℃,極端最高氣溫36.6℃,年平均降水量518mm,多集中于6～9月份。根據(jù)三江平原雨熱同期劃分四季的習慣,設定撓力河流域春季為3～5月,夏季為6～9月,秋季為10～11月,冬季為12～2月。撓力河為烏蘇里江的一級支流,發(fā)源于完達山脈那丹哈領,自西南流向東北,全長596km。流域地勢低平,廣泛發(fā)育河漫灘,地表徑流不暢,有利于沼澤濕地的形成和發(fā)育。目前,流域內有3處重要濕地保護區(qū),分別為七星河濕地、外七星河濕地保護區(qū)和燕窩島濕地保護區(qū),這些保護區(qū)在保護三江平原生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)功能和過程方面極具代表性(圖1)。采用數(shù)據(jù)為1956-2004年撓力河流域19個氣象臺站的逐月降水量數(shù)據(jù),個別站點數(shù)據(jù)存在部分缺失,用臨近站點插值,并用數(shù)據(jù)累加法得到流域年和季節(jié)降水序列值。2mann-kendall檢驗采用Mann-Kendall法分析撓力河流域降水的長期變化趨勢。Mann-Kendall檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,變量可以不具有正態(tài)分布特征,檢測范圍寬、人為影響小、定量化程度高,因此適用于水文變量的趨勢分析。方法具體介紹見參考文獻。3重力河流域降水時間分布規(guī)律3.1建立撓力河流域降水觀測制度圖2為撓力河地區(qū)1956-2004年年降水量和五年滑動平均降水量時間序列,兩曲線整體呈下降趨勢。對于年降水量而言,1981年出現(xiàn)最大值804.5mm,1967年、1970年、1975年、1977年、1986年先后5年出現(xiàn)降水低谷,其中最大值與最小值相差433.2mm。對于五年滑動平均降水量而言,1956-1960年5年的年均降水量最大(622.8mm),1975-1979年5年的年均降水量最小(430.4mm),兩者相差192.5mm。圖3為撓力河地區(qū)1956-2004年年均降水量累積距平曲線,表明撓力河地區(qū)多年降水量正負距平大體持平,降水偏多時期和降水偏少時期交替出現(xiàn),20世紀90年代以來進入新的降水減少時期。為更清楚地分析撓力河流域各年代降水量的豐枯變化,根據(jù)實測資料情況,分別統(tǒng)計撓力河流域20世紀50年代以來的年均降水量(表1)。由表可知,撓力河流域降水量20世紀80年代以前處于減少的趨勢,且減少幅度較大,70年代較50年代降水減少18.1%;70-80年代撓力河流域降水量增加,增幅達8.4%;而從20世紀80年代直到21世紀初撓力河降水量基本不變;2000年以后,撓力河流域降水量呈現(xiàn)減少趨勢,比90年代下降了8.8%,與50年代相比降幅達19.5%。表2為撓力河流域Mann-Kendall趨勢檢驗結果,可知撓力河流域近50年年均降水量趨勢傾斜度值為-1.500mm/a,總體上呈現(xiàn)減少的趨勢。3.2最大降水時降水總趨勢分析撓力河流域19個氣象站1956-2004年各月降水值的變化特征,表明降水量主要分布在夏季(6～9月),占全年降水總量的69.8%,其中8月降水最多,占年降水總量的22.3%。而1～3月和11-12月降水量較少,五個月降水總和僅占全年降水總量的9%(圖4)。表3為撓力河流域19個氣象站1956-2004年逐月降水量的Mann-Kendall趨勢傾斜度均值,以反映各月降水量變化趨勢及其顯著性?？梢钥闯鱿募?6-9月)和秋季(10-11月)的Mann-Kendall趨勢傾斜度值均為負,其中9月份降水減少幅度最大,為0.439mm/a,說明9月份對流域夏季降水減少的貢獻最大;冬季(12-2月)傾斜度均值為正值,說明流域冬季降水是增加的,其中1月份降水量增幅最大,為0.044mm/a。4趨勢檢驗對撓力河流域19個氣象站1956-2004年降水序列在95%的置信區(qū)間上進行趨勢檢驗。同時借助Surfer8.0專業(yè)繪圖軟件利用徑向基函數(shù)插值法將所有臺站年和季節(jié)降水變化Mann-Kendall趨勢檢驗傾斜度值進行內插得到其空間分布情況,并結合流域輪廓圖做出流域降水的年和季節(jié)變化趨勢空間分布圖。4.1降水量變化分析圖5(a)為撓力河流域年降水量等值線圖,表明流域降水空間分布不均,在七星河流域形成一個明顯的降水低值中心,由中心向兩邊增加?？傮w上,降水由七星河流域向完達山地區(qū)不斷增多,同時,降水由七星河地區(qū)向中下游逐漸增加,在西豐溝附近達到最大值。此外,降水在龍頭橋水庫附近也形成了一個低值中心,并向周圍地區(qū)不斷增加。分析撓力河流域年均降水趨勢檢驗傾斜度值(圖5b),除集賢、雙鴨山、星河鎮(zhèn)、本德北的傾斜度值為正值外,其余均為負值,表明流域降水總體上不斷減少,其中龍頭站附近降水減少最多,達3.897mm/a,可能與龍頭橋水庫的修建有關。降水減少幅度呈帶狀變化,流域中下游降水不斷減少,特別是人類活動劇烈的下游地區(qū)尤為明顯。此外,流域降水在星河鎮(zhèn)附近形成了一個高值中心,降水增加幅度為1.181mm/a,并向西部地區(qū)逐漸減少,可能與該地區(qū)濕地墾殖政策的轉變有關。4.2春季降水增加時間圖5可知,撓力河流域春季降水趨勢傾斜度值為正,夏季除個別站外均為負值,秋、冬兩季均為負值,說明流域春季降水逐漸增加,但增幅不大,最大值為0.338mm/a(八五三);而夏、秋、冬季降水逐漸減少,傾斜度均值分別為-0.036mm/a、-0.205mm/a、-0.065mm/a,表明秋季降水減少幅度較大,冬季次之,夏季最小。(1)中心上升趨勢區(qū)降水趨勢圖6(a)可知,流域春季降水逐漸增加,形成以龍頭、頭林、小佳河、保安等為中心的上升趨勢區(qū),增加幅度由中心向外逐漸增大,總體趨勢是降水增加幅度由西南向東北逐漸增大,中游菜嘴子站降水量傾斜度值為0.333mm/a。(2)流域夏季降水特征圖6(b)可知,流域夏季降水變化較為復雜,趨勢傾斜度值除菜嘴子、索倫崗、紅旗嶺為正值外,其余均為負值,表明總體上流域夏季降水不斷減少。同時,形成以小佳河、龍頭、友誼等為中心的降水下降趨勢區(qū),其中龍頭站降水減少幅度最大,為-0.100mm/a。此外,流域降水還形成了以菜嘴子、索倫崗為中心的上升趨勢區(qū),增加幅度由周圍向中心不斷增大,其中菜嘴子站達到0.024mm/a。(3)下降趨勢區(qū)化圖6(c)可知,流域秋季降水趨勢傾斜度均為負,表明秋季降水不斷減少,形成以板房、四方臺為中心的下降趨勢區(qū),減少幅度向周圍逐漸變小。同時,流域降水減少幅度還形成了大致以本德北和頭林為界向東北逐漸減少的趨勢,至八五三附近達到最小值,為-0.214mm/a。(4)冬季降水趨勢圖6(d)可知,流域冬季降水趨勢傾斜度值均為負,表明冬季降水逐漸減少,形成西豐溝為中心的明顯下降趨勢區(qū),中心降幅最大,為-0.089mm/a。5結論文中用Mann-Kendall趨勢檢驗方法分析了撓力河流域19個氣象站1956-2004年降水時空分布特征和變化趨勢,結論如下。(1)降水量減少幅度最總體上撓力河流域近50年來降水以年均1.5mm/a的幅度減少,且主要由夏季降水減少引起,其中9月份降水減少幅度最大,為-0.439mm/a?？傮w上,流域降水80年代以前呈減少趨勢,80年代以后有所上升,而2000年后,流域降水又呈下降趨勢。此外,流域降水年內分布不均,夏季(6-9月)降水占全年降水量的69.8%,其中8月份降水最多,占年降水總量的22.3%。(2)降水時空分布特征撓力河流域降水空間分布不均,對于年序列而言,大致以七星河流域為中心向下游逐漸增加,西豐溝附近出現(xiàn)降水最大值589.1mm;同時,龍頭站附近也出現(xiàn)了降水的低值中心。對于季序列而言,春季降水由西南向東北逐漸增加,降水增幅最大值為0.338mm/a;夏季降水變化較為復雜,既有降水增加趨勢區(qū),又有降水下降趨勢區(qū),但總體呈下降趨勢,降幅均值為-0.036mm/a;秋季降水不斷減少,大致以本德北和頭林為界向東北逐漸減少;冬季降水也呈減少趨勢,降幅均值-0.065mm/a,形成以西豐溝為中心的顯著下降趨勢區(qū)和板房、四方臺、七星河流域為中心的微弱下降趨勢區(qū)。文中分析了近50年來撓力河流域降水時空分布特征