白 静

(甘肃省水文站，甘肃 兰州 73000)

1 研究背景

近年来，随着全球气候的不断变化，人们的生活也随着气候的变化而变化着。各种极端气候使得人们的生活越来越受到限制，这就表明气候的变化不仅仅会威胁生态安全，同时也会对人们的生产生活形成极大地影响[1]。黑河流域位于我国北方地区，流域的水文变化、气候要素等成为社会学者研究的重点区域，黑河流域的水文气候变化主要表现在流域的径流变化，气温的变化，以及当地降水量的变化。研究黑河流域水文特征和近些年来的气象特征对当地的生产生活、土地的开发、社会经济的发展都有着极大地现实意义。随着研究的逐步展开，我们发现黑河流域径流的变化及气象特征的演变发展研究只是停留在理论分析阶段，还需要不断的深入研究，通过单一的数理统计不可能全面的分析得出结论，还需要进行多种原因的具体情况具体分析，才能更深入，更切合实际的得到相应的研究成果，近年来研究成果也逐步得到体现，例如韩舜滨通过相关科学方法的测定，得出黑河流域径流的变化与气温程正相关关系[2]。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

黑河位于甘肃省南部，是甘肃省内的一条内陆河。黑河的源头为祁连山冰川形成的，海拔约为5 000 m，因此黑河的形成与冰川的融化有着一定的相关关系，也就与当地的气温变化有着一定的联系[3]。黑河全长900多 km，流域涉及甘肃西南部，面积约为4万多 km2。黑河由青海省汇入甘肃，其在青海省的集水面积约为1万多 km2，由黄藏寺入甘肃境内，流量约为100多亿 m3，在甘肃省境内长近100 km，由数支支流汇合而成。流域面积内各种野生动物汇集，是野生动物迁徙的重要水源补给站，同时下游的一些工业城市，也需要提取黑河河水进行工业和生活用水补给。因此，黑河流域水文特征和近些年来的气象特征对当地的生产生活、土地的开发、社会经济的发展都有着极大地现实意义[4]。黑河是张掖市、临泽县、高台县、下游金塔以东和额济纳旗绿洲工业和生活用水的主要来源。

2.2 数据来源

通过对近五十年黑河流域的正义峡水文站的径流情况进行分析和研究，能够直观、准确的得到黑河流域径流的变化情况，从而对黑河流域径流变化对当地水文特征、气象特征形成的影响进行有效的分析判断。正义峡水文站是检测黑河流域径流变化的主要观测点，其位置及概况如图1所示，通过正义峡水文站的检测，为下一步的深入研究提供了坚实可靠的理论依据。随着全球气候的不断变化，人们的生活也随着气候的变化而变化着。各种极端气候使得人们的生活越来越受到限制，这就表明气候的变化不仅仅会威胁生态安全，同时也会对人们的生产生活形成极大地影响[5]。通过对1964-2016年该流域年径流数据及各种科学资料进行有效分析，运用累积距平法等几种精确地研究方法对流域近些年来的变化特征进行科学、有效的分析，结合Pearson相关系数法对黑河流域径流特征与当地气温及降水之间的联系进行判定，结合一定的数据作为理论依据，分析得到相应的理论结果，并通过双累计曲线法对研究成果进行验证。

图1 正义峡水文站概况图

2.3 研究方法

本文采用的理论分析法为：累积距平法、Mann-Kendall趋势检验法及R/S法。通过以上理论统计方法，能够直接、精准的对黑河流域径流的变化，气温的变化，降水的变化所形成的影响进行精准的分析，然后结合Pearson相关系数法对流域内的气象变化形成的影响进行有效的分析[6]。随着研究的逐步展开，黑河流域径流的变化所收到的影响或干扰因素逐步发掘，但也仅限于理论阶段，还需要不断的深入研究，通过单一的数理统计不可能全面的分析得出结论，还需要多要素组合的水文气象研究，才能更深入，更切合实际的得到相应的研究成果，同时要多结果进行合理的验证分析，我们引进双累积曲线法对黑河流域径流变化与气温的相关关系进行验证，得出相应的验证结果。

2.3.1 累积距平法

累积距平法是利用累积的方法将数据分析为曲线形式，从而对数据的变化进行更加有效的分析。将变化形式进行分析得到如下计算公式：

(1)

2.3.2 Mann-Kendall秩次相关检验法

M-K秩次相关检验法是一种非参数统计检验法，该方法是通过参数统计的方法对水文气象的变化趋势进行有效的判断，根据参数统计判断结合数据理论分析，总结出以下计算公式：

(2)

式中:U为一种系数，标明的一种相互关系；τ为通过数据得到的统计;k为一种在观测过程中得到的数值;n为序列长度;Var(τ)为系列样本方差。随着U值得不断变化，标明数列的相对值越大，也就说明因变量变化的幅度也就越大。

2.3.3 R/S分析法

R/S分析法也是利用时间序列的变化对数据进行分析和判断的一种方法。结合数据理论得出下列计算公式：

(3)

用X(t，τ)表示累积离差:

(4)

极差R定义为:

(5)

标准差S定义为:

(6)

将上述公示进行进一步计算得到如下公示：

R(τ)/S(τ)=(bτ)H

(7)

2.3.4 基于滑动偏相关系数的径流-气象要素关系变异诊断

根据黑河流域与气温的相关关系，分析得出如下计算式：

(8)

3 结果与分析

3.1 黑河水文气象要素特征分析

3.1.1 降水要素序列趋势变化特征

随着近年来气候的逐渐变化，黑河流域近五十年来流域内的降水量逐步上升，通过数据分析我们可以得到，黑河流域年降水量最大值和最小值分别为1987年和1978年，降水量分别为539 mm和 294 mm，同时通过数据还可以得到该流域年平均降水量为387 mm。通过累计距平法，从曲线上可以观察到，随着时间的推移，黑河流域降水量在不断减小。非参数趋势检验方法Mann-Kendall用于检验年降水量序列(见表1),年降水量的统计量,满足显著性水平要求,这种情况反映了黑河流域降水量逐渐增加。依据R/S法分析得出(见表1),1964-2016年降水长系列Hurst指数,说明随着时间的推移，黑河流域降水量可能会不断的增加。将数据进行总结和分析，我们得到正义峡水文气象要素序列变化趋势如表1所示。

3.1.2 气温要素序列趋势变化特征

通过进行相关的数据统计[7]，我们可以得到黑河流域正义峡水文站从1964年开始到2016年的年平均气温累积距平曲线，如图2所示。从图中我们可以发现，从1964年开始到2016年，年变化率为0.27℃/10a，黑河流域的年平均气温呈现出上升的趋势，同时从正义峡水文站年平均气温及累积距平变化过程线可以得到，该流域年平均气温为5.6℃，年均最高气温和最低气温分别发生于2015年和1984年，年平均气温分别为7.01℃和4.12℃。从正义峡水文站年均气温及累积距平变化过程线中可以清晰的发现，黑河流域的气温变化呈现出一定规律的变化，即1996年之前，年份越靠前，气温越低，而在1996年之后，该区域气温逐年升高。用非参数趋势检验法检验年平均气温序列的趋势(见表1),年均气温的统计量U=4.33>Uα/2=2.56>0,满足α=0.001显著水平要求,说明黑河流域年均气温增加趋势极显著依据R/S法分析得出(见表1),1964-2016年年均气温长系列Hurst指数H=0.78>0.5,指示年均气温序列呈现出正持续性,说明在未来气温将呈现出明显的持续增加趋势。

图2 正义峡水文站年均气温及累积距平变化过程线

3.1.3 径流要素序列趋势变化特征

通过进行相关的数据统计，对正义峡水文站的径流变化进行统计得出相关曲线，如图3所示。从图中我们可以发现，从1964年开始到2016年，黑河流域的年平均径流呈现出上升的趋势，该流域年平均径流为3.2×108m3，年均最大径流和最小径流分别发生于1999年和1992年，年平均径流分别为4.4×108m3和2.4×108m3。从正义峡水文站年均径流及累积距平变化过程线中可以清晰的发现，黑河流域的径流变化呈现出一定规律的变化，即1994年之前，时间越往前推移，径流越小，而在1994年之后，时间推移，径流变大。运用Mann-Kendall非参数趋势检验法对径流序列进行趋势检验,年径流统计量U=1.00,不满足α=0.05显著水平,径流不增加。采用R/S法分析年径流的持续特征,结果表明年径流的Hurst指数为H=0.68>0.5,径流序列呈现出正持续性,说明在未来径流将呈现出明显的持续增加趋势。

图3 正义峡水文站年径流量及累积距平变化过程线

3.2 黑河水文气象要素序列变化相关性分析

在对黑河水文气象要素进行相关性分析时，我们使用Pearson相关分析法。对黑河流域径流变化与气温变化及降水变化之间的互相关关系进行一定程度的判断和分析。通过将黑河流域径流的变化与春夏秋冬四个季节的平均气温变化所形成的的相关关系进行分析，可以得到气温逐年升高，伴随着径流也在逐步提升；同时将黑河流域春夏秋冬四个季节的降水情况与径流情况进行分析得出，降水的增加，其径流逐步减小。而从影响程度上分析的话，显然气温对径流的影响更大一些，降水对径流的影响较小。

3.3 黑河径流-气温关系变异诊断分析

根据上述相关性分析可以得出：黑河流域径流变化与气温的关系更为紧密，也就表明，黑河流域气温的逐渐升高，流域的径流也在逐步提升，气温降低，其径流逐步减小。因此我们选取了从1964年到2016年黑河流域径流与降水的相关性进行分析，按月为单位进行细致研究。通过图4可以看到，1985年之前，气温增加，年径流变化程度相对较小，1985年之后，气温增加，年径流变化程度较大，因此我们可以得出如下结论：1985年是黑河流域径流与气温的相关关系发生转变的一年。

图4 1964-2016年正义峡水文站不同滑动窗口下径流-气温偏相关系数图

我们将上述研究成果进行一定程度的验证。如图5所示，我们可以从图中发现，曲线的变化最大处发生在1985年，即表明黑河流域1985年之前，黑河流域径流和气温之间的相关关系较低，而1985年之后这种相关关系逐步增强，这就说明1985年是黑河流域径流和气温的关系在1985年发生比较大的转变。

图5 正义峡水文站径流-气温联合序列双累积曲线图

4 结语

通过对1964-2016年该流域年径流数据及各种科学资料进行有效分析，运用累积距平法等几种精确地研究方法对流域近些年来的变化特征进行科学、有效的分析，结合Pearson相关系数法对黑河流域径流特征与当地气温及降水之间的联系进行判定，结合一定的数据作为理论依据，分析得到相应的理论结果，并通过双累计曲线法对研究成果进行验证。经过分析得出，气温是对黑河流域气象变化影响最大的因素，同时理论数据分析得出变化的转折年限为1985年，也就表明1985年是黑河流域气候水文变化转折最大的一年。