渭河流域降水时空变化与干旱特征分析

摘要：以渭河流域14个典型气象站降水资料为基础，应用Mann-Kendall趋势检验法、频率分析法、差积曲线法以及游程分析法对研究区的降水变化规律及少水概率特征进行了研究。结果显示：40多年来渭河流域降水量呈明显减少趋势，以春、秋两季最为明显，这增加了区域发生干旱的可能性;流域降水过程呈丰枯交替的周期性现象，连丰或连枯较易发生，且存在干旱与洪涝并发现象;连枯年的概率比连丰年概率大，且少水期常持续2～3 a，引发的干旱强度较大;1991年以后渭河流域干旱事件的频率、强度和烈度均有增加趋势，未来渭河流域的农业发展与水安全将面临更大的威胁，必须予以高度关注。

关键词：降水变化;游程分析;Mann-Kendall法;频率分析;SPI指数

中图分类号：P333文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）02-0193-05

Spatial-temporal variations of precipitation and drought characteristics in Wei River Basin

LIU Mei1，WEI Jia-hua1，2，WANG Feng3

（1.State Key Laboratory of Hydro Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China;

2.Qinghai University College of Hydraulic and Electric Engineering，Xining 810016，China;

3.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project，Beijing 100038，China）

Abstract：The Wei River Basin is located at a typical frail zone of ecological environment in the east part of northwest China，where frequent drought disasters become the major factor which restricts the sustainable development of regional economy，especially the agricultural economy.Therefore，it is important study the high and low water changes of precipitation and drought characteristics in the basin to understand the cause and development law of drought.Based on the precipitation data from 14 typical weather stations，according to the methods such as Mann-Kendall trend test，frequency analysis，differential curve，and runs analysis，variation trends of precipitation and less water probability characteristics were analyzed.The results showed that：（1） precipitation has a significantly decreasing trend，especially in spring and autumn in the recent 40 years，which increases the occurring possibility of regional drought;（2） the precipitation process presents the wet-dry alternating phenomenon，continual wet years and dry years occurring and overlapping frequently，which indicates that the drought and flood may coexist in one year;（3） the occurrence probability of continual dry years is higher than that of continual wet years，and less water period can last for 2 to 3 years，which leads to drought with larger intensity;and （4） the frequency and intensity of drought events have an increasing trend in Wei River Basin since 1991.Therefore，it should be paid high attention to the bigger threat of agricultural development and water safety in the future.

Key words：precipitation change;runs analysis;Mann-kendall test;frequency analysis;SPI index

渭河流域地处我国西北地区东部生态环境脆弱带，是我国西北地区重要的粮食产区和工业发展区。自古以来，该流域自然灾害多发[1]，其中旱灾最为频繁，危害最大，已成为制约该地区国民经济特别是农业经济和农业持续发展的主要因素。20世纪90年代以来，渭河中游西安、宝鸡、咸阳等地经济发展迅速，目前流域内已拥有五个重点城市、八个工业产业园区和四个国家级农业灌区（冯家山、宝鸡峡、泾惠渠和交口抽渭灌区），强大的经济发展势头背后隐藏着对水资源的高度依赖与需求。然而，受气候变化和人类活动的影响，渭河及其支流水资源均大幅缩减[2]，区域水资源安全形势极为严峻，亟需对该地区的干旱时空规律展开研究，为科学合理地制定抗旱策略提供支持。

渭河流域或关中地区的干旱问题已引起许多专家学者的关注，如朱拥军和王秀花分析发现渭河上游年降水量在空间上存在量的差异，水资源对气候变化有很强的敏感性，未来20 a渭河流域降水量很可能呈缓慢上升趋势[3];和宛琳对渭河流域21个气象站近40 a的降水量时空分布和变化趋势进行了分析，发现降水量呈减少趋势，干旱发生频率有增加趋势，年平均降水量空间分布规律为从西北部向东南部逐渐增加[4];马明卫等以西安站为例，详细对比了Z指数与SPI计算结果的一致性和差异性，认为多时间尺度SPI能够反映出降水的分散情况，提出降水量区间与干旱指标的对应关系是进行旱涝监测和预报的一种有效手段[5]。这些研究有助于揭示渭河流域干旱的发生规律和表现特征。本文以渭河流域为研究对象，通过对流域内14个典型站点46年的逐月降水量变化趋势、丰枯规律的分析，研究该地区少水事件的发生频率及其周期变化，并采用SPI指数进一步研究该区域发生干旱的频率、强度和烈度，旨在为渭河流域干旱事件的时空规律与驱动机制的研究奠定基础。

1研究区概况与资料来源

渭河发源于甘肃省渭源县西南的鸟鼠山北侧，是黄河第一大支流，于潼关处流入黄河，全长818 km，流域面积1348 万km2。流域地形差异较大，表现为西高东低，最大高差3 000 m以上。流域属暖温带半湿润气候区，为典型的大陆性季风气候，年均气温10 ℃左右，年均降雨量550 mm，年蒸发量1 100 mm左右，径流量年内分配极不均匀;降雨量和蒸发量年际变化较大，空间差异较大，降雨量从南向西逐步递减，蒸发量由北向南、由东向西递减。

渭河为降雨补给型河流，径流在空间分布上南多北少，山区多，盆地少。从年内看，汛期连续最大4个月（7月-10月）径流量约占全年径流量的50%～70%左右，枯水期3个月（12月至次年2月）径流量只占年径流的5%～17%;从年际看，变差系数Cv在021～029之间，径流量年际差异较大。

本研究选用渭河流域14个典型气象站1961年-2006年共46年的逐月降水数据，各站点名称及空间分布见图1。降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

2研究方法

为分析渭河流域降水的丰枯变化规律和干旱特征，本文选取Mann-Kendall趋势检验法（以下简称M-K法）对降水变化进行趋势性检验，应用频率分析法和差积曲线法获取降水丰枯变化的空间特征[6]，采用游程分析法对连续少水年概率进行统计[7]，最后应用SPI指数对气象干旱特征进行研究。

（1）M-K法。

M-K法是世界气象组织推荐的一种非参数检验方法，广泛用于时间序列的趋势变化研究[8-9]。由于水文序列存在自相关问题，很多学者对M-K法提出了改进，如白化（PW）[10]、去趋势白化（TFPW）[11]等，以此降低自相关性的影响，避免无效假设。本研究中，由于降水序列近似为平稳序列，故可采用一般M-K法。

图1渭河流域典型气象站分布

Fig.1Distribution of meteorological station in Wei River Basin

设一平稳序列为Xt，（t=1，2，…，n，n为序列长度），定义统计量S为

S=∑n-1i=1 ∑nj=i+1sgn（xi-xj） （1）

其中sgn（xi-xj）为符号函数。

sgn（θ）=1xi-xj>0

0xi-xj=0

-1xi-xj<0 （2）

当n≥10时，统计量s近似服从正态分布，，其正态分布的检验统计量Z用下式计算：

Zc=s-1var（s）s>0

0s=0

s+1var（s）s<0（3）

式中：Z为正值时表示增加趋势，Z为负值时表示减少趋势，当OZO≥196或258时，表示分别通过了信度95%、99%的显著性检验。

（2）标准化降水指数SPI。

标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）是由世界气象组织（WMO）建议采用的监测干旱严重程度的一种指标[12]。首先采用Γ分布概率来描述降水量的变化， 然后再经正态标准化即可求得SPI值[13]。对于长期气候状况，SPI可反映某观测雨量可能出现的几率。干旱严重程度可根据相应SPI的负值大小来划分等级，SPI负值愈大表示干旱愈严重。SPI的另一个特点是可应用于不同的时间尺度，以分析干旱现象对各类水资源需求的影响，例如，SPI-3是指3个月的雨量状况，一般只影响土壤含水量或农作物收成;而SPI-24则指持续两年的雨量状况，这可能导致地下水、河川流量和水塘蓄水量变化等情况。SPI的优势在于其只需要利用雨量来计算，需求数据量小，且可用来比较不同气候区域的旱涝情况。

根据前人的研究成果和生产经验，本文采用标准化降水指标SPI作为气象干旱等级的划分指标[13]（表1）。

3降水变化趋势分析

将渭河流域14个气象站的降水资料进行泰森多边形计算，得到流域的面平均降水量，其多年变化过程见图2，可以看出渭河流域的降水过程总体上呈现减少趋势，且有明显的周期变化特征。为了进一步验证上述结论，采用M-K法对渭河流域年平均降水量进行趋势检验，结果显示渭河流域年平均降水量的趋势检验指标为-1.95，即存在统计意义上的单调递减趋势，可见40多年来渭河流域的降水量呈较为明显减少趋势。将降水量过程进行分时段统计（图3），发现60年代的降水量最多，以后基本上呈现减少趋势，其中90年代降幅最大，较60年代减少119 mm，缩减比例近20%。降水量的减少无疑加大了渭河流域发生干旱事件的频度和烈度。

应用M-K法分别对不同月份趋势性进行分析，结果见表2。不难发现，各月趋势变化并不相同，下降最显著的是4月、9月、11月，而上升变化不显著。从季节上看，渭河流域夏季（6月-8月）和冬季（12月-2月）降水量表现出微弱的上升趋势，而春（3月-5月）、秋（9月-11月）两季有明显的下降趋势。

从空间分布上看，渭河流域的14个气象站点均表现为下降趋势，其中华家岭、华山较显著，其他站点不显著，这与流域面降水量的检验结果相一致。

4降水丰枯特征分析

应用频率分析方法，以14个气象站点的降水数据为基础，对渭河流域各站点降水的丰枯频率进行计算，结果显示（表4）：多年平均降水量为414 ～819 mm，变差系数值为020～028，流域少水与多水频率基本相当，分别为53%和47%。结合枯水、偏枯、偏丰、丰水四个等级的划分标准[6]，可知各等级出现的平均频率为偏枯年（374%）、偏丰年（318%）、枯水年（158%）、丰水年（15%），少水年份出现的概率略高于多水年份。

通过绘制渭河流域部分气象站年际降水过程线（图4），可发现各气象站存在丰水年和枯水年交替出现的周期性现象，以12～15 a周期较为明显。从华家岭和华山两个降水缩减趋势较为明显的站点过程线看，其下降过程主要集中在1990年以后。图5为部分站点年平均降水量差积曲线，显示差积曲线上升段和下降段持续时间较长，说明站点降水出现连丰或连枯的概率较大。

应用游程分析方法进一步分析渭河流域各站点的连续多水、少水年概率，结果显示（表5），渭河流域各站点1年多（少）水出现的概率比连续多年多水（少水）的概率大;连续多水期大多持续1～2 a，而连续少水期大多持续2～3 a，持续4 a以上的概率较小;少水年分布参数P值均大于多水年，可见连续少水年的概率相对较大。

5气象干旱分析

通过对渭河流域逐月面降水量的SPI指数计算，得到长系列的SPI指数变化过程见图6。由统计分析可知，渭河流域历年干旱事件中，有383个月不发生干旱，占总时段的6938%;77个月发生轻度干旱，占总时段的1395%;54个月发生中度干旱，占978%;26个月发生重度干旱，占471%;12个月发生极度干旱，占218%。平均每年会有2个月处于中度干旱以上，可见渭河流域的干旱情势仍是不容乐观的。

从图6中不难看出，1990年以后发生中度以上干旱事件的时长明显增加，尤其是极度干旱，1991年-2005年的15 a间共发生7次，是1991年以前42 a中发生的14倍，表明由于近年来降水量持续缩减，区域发生干旱的频率、强度和烈度都有增加趋势，未来渭河流域的干旱将面临更大的威胁，必须予以高度关注。

6结论

（1）46年来，渭河全流域降水量呈减少趋势，20世纪90年代降幅最大，较60年代缩减近20%，且一年中以4月、9月和11月的减少趋势最为显著，春、秋两季减少较明显，而空间上以华家岭、华山两站的减少最为显著。

（2）渭河流域少水年发生的频率为53%，枯水年频率多在12%以上，说明该地区容易发生气象干早。流域降水表现出丰水年和枯水年交替出现的周期性现象，连丰或连枯较易发生，且连少年的概率比连多年的概率大。流域少水期大多持续2～3 a，且干旱强度较大。

（3）渭河流域干旱事件频发，平均每年会有2个月处于中度干旱以上，且1991年以后干旱的频率、强度和烈度都有增加趋势，渭河流域的干旱情势不容乐观。

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