鹿之慧，王东升，王丹宁，潘 帅

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000)

降水趋势变化因其对区域生态系统状况、河流、湖泊等水文过程影响深刻被广泛关注[1-2]，位于东北的嫩江流域作为重要的粮食和湿地分布区，因其地理位置特点，对全球变化的敏感性较高[3-4]。夏季洪涝灾害对农业生产造成的影响较大。1970—1990年洪涝发生频率达47.6%[5]，给人们生产生活造成一定损失。降水作为重要的水文要素[6]和灾害性天气的重要诱因[7]之一，研究嫩江流域多年降水变化特征，可为流域农业发展、水资源环境及环境保护提供决策依据[8]。目前，不少学者对东北地区降水变化进行了研究并取得了一定成果[9-12]。笔者以嫩江流域为研究对象，选用流域1969—2010年逐日降水数据，以Mann-Kendall趋势分析、Mann-Kendall突变检验法为技术支撑，分析流域多年降水及冬、夏两季降水特征，为流域农业生产和生态环境管理与决策提供参考[6]。

1 资料与方法

1.1 研究区概况发源于大兴安岭伊勒呼里山的中段南侧的嫩江，是黑龙江水系的最长支流，地处我国东北中高纬度地区，地理位置为119°15′～127°40′E、44°26′～51°37′N(图1)。属于寒温带半湿润大陆性气候，年际温差变化大，四季分明，夏季多雨，冬季寒冷干燥。流域水系发达，拥有甘河、诺敏河、雅鲁河、淖尔河、讷谟尔河、乌裕尔河等多条较长支流。流域总面积达29.7万km2。流域以暗棕壤和草甸土为主。依据地形、地貌及河谷特征，将河源至嫩江县分为上游，嫩江县至莫力达瓦达斡尔族自治旗驻地分为中游，其下至三岔河口为下游。上游属于山丘区，森林繁茂，河谷狭窄。中下游由丘陵逐步过渡到平原地区。

1.2 资料来源研究中使用的降水数据来源于国家气象中心，在嫩江流域上中下游共选取了10个气象站(图1)，站点信息如表1所示。基于Matlab软件，采用Mann-Kendall趋势分析法分析流域整体及各站点1969—2010年的年降水量以及夏季、冬季降水量的变化趋势。

图1 嫩江流域水系及气象站位置Fig.1 Locations of water system and meteorological stations in the Nenjiang River Basin

表1 嫩江流域气象站基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Nenjiang River Basin

1.3 分析方法

1.3.1Mann-Kendall趋势分析法。作为非参数统计检验方法的Mann-Kendall趋势分析法[13]，计算简单，不受异常值影响，常用于对降水、径流数据的时间变化进行趋势分析。零假设为数据不存在单调的趋势，使用双尾测试标准化统计指数(Z)进行趋势诊断。其原理主要利用符号规则：

(1)

式中，xi和xj为时间序列i和j的指标值(j>i)；n表示序列长度。

(2)

对大于10的样本几何，S统计量接近正态分布，Z统计量：

(3)

(4)

式中，Var(S)为样本方差。|Z|>Z(1-α/2)，则时间序列在α显著性水平上显著变化。Z>0为上升趋势；Z<0为下降趋势。Z(1-α/2)可以通过查阅正态分布表格得到。

为了进一步获取趋势大小，采用Theil-Sen estimator[14]来计算趋势的斜率β，得到变化幅度大小：

(5)

式中，10，为上升趋势，β<0，为下降趋势。

1.3.2Mann-Kendall突变检验法。Mann-Kendall突变检验法[15]是一种可以检验降水量突变发生的时间节点的检验方法，具有不必剔除极值、不必考虑时间序列是否为线性关系等优势，被世界气象组织推荐，应用广泛，结果可靠。其原理主要是利用符号规则：

(6)

对n个观测数据的时间序列x，构建秩序列：

(7)

定义统计量UF为突变检测函数，计算方式如下：

(8)

在时间序列相互独立且具有相同连续分布时，累积数sk的平均值E(sk)表达式为：

(9)

累积数sk的方差Var(sk)表达式为：

(10)

将时间序列x翻转得到逆序列xn,…，x1，按上述步骤得到统计量UBk，满足UFk=-UBk，当2条曲线交于置信区间[-1.96，1.96]时，则交点对应时间点即为突变点。

2 结果与分析

2.1 流域年、冬夏季降水量时间趋势变化分析从1969—2010年嫩江流域年降水量变化(图2)可以看出，近42年来嫩江流域年降水量最低值发生于2001年，受1998年洪水影响，降水量在1998年达到峰值，降水量年际变化波动较大。流域年降水量以4.7 mm/10 a的幅度不显著下降。

图2 1969—2010年嫩江流域年降水量变化Fig.2 Changes of annual precipitation in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

从1969—2010年嫩江流域冬夏季降水量变化(图3)可以看出，近42年来嫩江流域夏季降水量接近年降水量，同样在1998年达到峰值。流域夏季降水量无显著下降，下降幅度高于年降水量，为10.1 mm/10 a。冬季降水量则表现为显著上升趋势，上升幅度为1.3 mm/10 a，冬季降水量的峰值在2010年。夏季降水量与年降水量变化表现出较高的相似性。

图3 1969—2010年嫩江流域夏季(a)和冬季(b)降水量变化Fig.3 Changes of summer(a) and winter(b) precipitation in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

2.2 各站点年、冬夏季降水量时间趋势变化分析近42年来流域10个站点年降水量变化结果(表2)显示，嫩江流域年降水量为373.1～507.8 mm，中上游的年降水量高于嫩江下游，其中，位于中游的北安站年降水量最大，位于下游的白城站年降水量最小。Mann-Kendall检验结果表明，嫩江流域多年降水量变化幅度在2.7～26.4 mm/10 a，其中，诺敏河附近的小二沟站多年降水量以2.7 mm/10 a的变化幅度上升、乌裕尔河附近的北安站以6.2 mm/10 a的幅度上升、雅鲁河附近的龙江站以10.4 mm/10 a的幅度上升、洮儿河附近的索伦站以9.8 mm/10 a的幅度上升；其他站多年降水量均呈下降趋势，且主要集中在流域下游。除齐齐哈尔站和乾安站多年降水量显著下降，其他站点降水量均呈现不显著变化。

近42年来流域10个站点夏季降水量变化结果(表3)显示，嫩江流域夏季降水量为231.7～309.4 mm，中上游的降水量高于嫩江下游，其中，位于诺敏河附近的小二沟站和乌裕尔河附近的北安站夏季降水量较大，分别为309.4和306.7 mm，位于的泰来站和白城站夏季降水量最小，均为231.7 mm。Mann-Kendall检验结果表明，嫩江流域10个站点夏季降水量变化幅度在1.6～28.8 mm/10 a，均表现为下降趋势，且索伦站下降幅度最小，齐齐哈尔站最大。其中，齐齐哈尔站和乾安站显著下降，其他站点均不显著下降。

表2 1969—2010年嫩江流域10个站点年降水量变化Table 2 Changes of annual precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

近42年来流域10个站点冬季降水量变化结果(表4)显示，嫩江流域冬季降水量为3.6～11.4 mm，中上游的冬季降水量高于下游，其中，小二沟站、嫩江站和北安站冬季降水量相近，分别为10.3、11.2和11.4 mm。Mann-Kendall检验结果表明，嫩江流域冬季降水量变化幅度在0.1～2.3 mm/10 a，除乾安站降水量不显著下降外，其他站均表现为上升趋势。与夏季降水量相反，齐齐哈尔站和白城站上升趋势并不显著，其他站点则显著上升。

表3 1969—2010年嫩江流域10个站点夏季降水量变化Table 3 Changes of summer precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

2.3 流域突变检测分析对流域年降水量、夏季降水量进行Mann-Kendall突变检验，结果如图4a～b所示，年降水量突变检验结果与夏季降水量十分相似。年降水量出现共3个阶段的趋势变化，1969—1981年表现出减少趋势，为第1阶段；1982—1999年表现为增加趋势，为第2阶段；2000—2010年表现为减少趋势，为第3阶段。夏季降水量变化也包含3个阶段，1969—1983年表现为减少趋势，1984—2001年表现为上升趋势，2002—2010年表现为减少趋势。年、夏季降水量整体表现为20世纪70年代前后减少，80—90年代增加，在21世纪初期减少。在α=0.05显著性水平上，UF统计量与UB统计量相交于2个降水量减少阶段，且存在多个突变点，变化较不稳定。年、夏季降水量增加阶段无交点存在，即1981—1999年年降水量和夏季降水量均表现为稳定上升趋势，无突变上升情况产生。

表4 1969—2010年嫩江流域10个站点冬季降水量变化Table 4 Changes of winter precipitation of 10 stations in the Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

对流域冬季降水量进行Mann-Kendall突变检验，结果如图4c所示。冬季降水量突变检测结果与年、夏季降水量相反，1973—1978和1980—1986年冬季降水量表现为下降趋势，其他时间段均表现为上升趋势，1969年以来冬季降水量整体表现为增加趋势。冬季降水量仅在1998年存在α=0.05显著性水平上的交点，表明在1998年之后，冬季降水量呈显著增加。

图4 1969—2010年嫩江流域年(a)、夏季(b)、冬季(c)降水量突变检测Fig.4 Mutation detection of annual (a)，summer (b)and winter (c)precipitation in Nenjiang River Basin from 1969 to 2010

3 结论

该研究对1969—2010年嫩江流域10个站点年降水量、夏季降水量和冬季降水量进行Mann-Kendall趋势检验和Mann-Kendall突变检验。结果表明，嫩江流域的降水情况具有明显的时间分异特征，得出结论如下：

(1)近42年来嫩江流域年降水量以4.7 mm/10 a的幅度不显著下降，夏季降水量下降幅度高于年降水量，为10.1 mm/10 a，冬季降水量则表现为显著上升趋势，上升幅度为1.3 mm/10 a。嫩江流域年降水量为373.1～507.8 mm，夏季降水量为231.7～309.4 mm，冬季降水量为3.6～11.4 mm，中上游的降水量高于下游，10个站点年降水量主要以下降趋势为主，夏季降水量均表现为下降趋势，除乾安站冬季降水量呈不显著下降趋势外，其他站点冬季降水量均表现为上升趋势。夏季降水量变化与年降水量表现为较高的相似性。

(2)年降水量突变检验结果与夏季降水量突变检验结果在形态上非常相近。年降水量和夏季降水量均出现3个阶段的趋势变化，可以归纳为在20世纪70年代前后为第1阶段，表现为减少趋势；80—90年代为第2阶段，表现为增加趋势；21世纪初期为第3阶段，再次表现为减少趋势。在α=0.05显著性水平上，年、夏季降水量在20世纪70年代前后和21世纪初期存在多个突变点，2个降水量减少阶段变化较不稳定，降水量增加阶段无交点存在。冬季与年、夏季结果差异较大，表现为在1973—1978和1980—1986年降水量下降，其他时间段降水量上升；仅在1998年存在α=0.05显著性水平上的交点，表明在1998年之后，冬季降水量呈显著增加。