摘要: 辽河流域所在的东北地区是我国主要的升温区域，流域内水资源略显紧张、供需矛盾日渐突出，近年来气候的深刻变化对辽河流域的水资源的影响尤为突出。为充分揭示近30年来辽河流域气候干湿变化趋势，给地区水资源管理提供参考，本文在收集整理气象栅格数据基础上，分别采用小波分析法和penman-monteith干湿区划法，对辽河流域1982~2015年蒸散发和降雨数据进行周期特征检验、并进行干湿变化趋势研究。结果表明：1982~2015年间，辽河流域蒸发量主要有4~8 a、16~32 a的变化周期、降水量主要有0.5~1 a、2~4 a的变化周期；1982~2015年间，辽河流域的过湿润区面积先减少再增多，辽河流域东南部有持续湿润的趋势。
abstract: liaohe river basin located in northeast china is a principal warming zone, which experiences a relative scarcity of water resources and a growing discrepancy between supply and demand, with climate change having a particularly salient impact on its water resources. to fully reveal the trend of climate change in the liaohe river basin over the past 30 years and provide reference for regional water resources management, based on the collection and organization of high-precision meteorological raster data, this study employed wavelet analysis and the penman-monteith method for dry-wet zoning to examine the periodic patterns in evapotranspiration and rainfall from 1982 to 2015, and to analyze trends in wetting and drying variations. the findings indicated that between 1982 and 2015, evaporation predominantly followed cycles of 4~8 years and 16~32 years, while precipitation displayed cycles of 6 months~1 year, 2~4 years. between 1982 and 2015, the excessively wet region experienced an initial decrease followed by an increase in area, with a persistent trend of increased wetness in the southeastern part of the basin.
1. 研究背景
辽河发源于河北省平泉县，位于40.5˚n~45.2˚n，116.8˚e~125.5˚e，见图1。辽河流域主要由东辽河、西辽河两大水系组成，属于大陆性季风气候，冬季寒冷干燥、夏季高温多雨，年均降水量介于400与1100 mm之间。
图1. 辽河流域地理位置
独有的地理特征和气候环境导致流域降水表现出显著的区域性与季节性特征，不同时期的降水量存在明显差异，每年的7~9月为降雨集中期且多为暴雨或强降雨。在空间分布上，流域东南部受益于渤海较大的水源面积，降水量充足；流域西北区域深入内陆，降水量不及东南，且风沙、干旱现象频发[1]。
近年来，人类活动加剧，全球气候变化的速度显著升高，极端天气事件频发，气候变化问题已然成为十大环境问题之首。在此背景下，典型区域气候变化趋势研究已成为国内外众多学者的研究热点[2]，考虑到辽河流域在区域资源利用、经济社会发展、生态环境建设中的重要地位，本文采用小波分析法和penman-monteith干湿区划法对辽河流域1982~2015年的降水与蒸散发气象数据进行趋势检验和周期提取，发掘该时期辽河流域气象要素的突变拐点以及内在规律，揭示近30年来辽河流域气候干湿变化趋势，以期为当地的水资源利用、农业生产、生态恢复工作提供一定决策参考。
2. 数据与方法
2.1. 数据来源
本文的气象数据采用“中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集”，由国家青藏高原科学数据中心(national tibetan plateau data center)提供。数据集针对13个涡度–协方差测量结果对建模结果进行了验证，得出的nash-sutcliffe效率值在0.72~0.94范围内[3]，精度满足要求。本文通过r语言裁切得到1982~2015年辽河流域，共34年的月降水和蒸散发栅格数据。
2.2. 方法介绍
2.2.1. 数据标准化
为了消除数据数值大小的影响，同时便于对数据结果进行计算和分析，本文对研究的气象序列进行数据标准化，计算公式为：
(1)
(2)
(3)
式中：
为经标准化处理的数据；
为未经标准化处理的数据；
为数据均值；s为数据标准差；n为数据总个数。
2.2.2. 小波分析法
小波分析是一种时频分析方法，通过小波基的伸缩变换，研究待分析时间序列各尺度、各层次的信息，并将其中的奇异信息展示出来，从而进行阶段性分析[4]。其表达式为：
(4)
式中：
表示小波系数；a是伸缩因子；b是平移因子；t是时间；
表示研究数据的时间序列；
表示基本小波；
为共轭函数。
2.2.3. penman-monteith干湿划分法
penman-monteith公式是基于1948年penman提出的蒸发公式并经monteith在1965年进行改进而形成的计算作物蒸散发的一种半经验数学物理模型[5]。该模型经1998年fao修改并将被确定为计算参考作物蒸散的标准方法。相应的干燥度指标计算为：
(5)
式中：
为多年平均蒸散量，mm；
为多年平均降水量，mm。干湿气候区划的分解标准见表1。
表1. 干湿气候区划的分解标准
类型区 |
pm值 |
极干旱区 |
>16 |
干旱区 |
4.0~16.0 |
半干旱区 |
1.5~4.0 |
半湿润区 |
半湿润易旱区 |
1.0~1.5 |
半湿润区 |
湿润区 |
0.5~1.0 |
过湿润区 |
<0.5 |
3. 辽河流域30年降水与蒸散发周期性分析
本文以morlet小波为母小波，通过小波变化方程计算得到的小波系数和小波方差分别绘制小波系数实部等值线图与小波方差图，反映研究对象在不同时间尺度上周期变化的强弱及分布，并以此判断其变化趋势，实现辽河流域月降水和月蒸散发数据在各时间尺度的周期性特征检测。
3.1. 月蒸散发序列分析
图2(a)中等值线数值的高低反映了辽河流域蒸发量在不同时段、不同时间尺度的周期性强弱，其中16~32 a时间尺度的周期性变化很强，贯穿了整个时间序列，振荡中心在2002年左右；其次，4~8 a时间尺度周期性较强，主要发生在2000至2015年，振荡中心在2008年左右。图2(b)中正值表示蒸发量偏高的时间段；负值表示蒸发量偏低的时间段。辽河流域地区蒸发量自1982~2015年来主要有4~8 a、16~32 a的变化周期。其中4~8 a时间尺度的周期变化在1997~2015年表现明显，有6个峰、谷中心；16~32 a时间尺度的变化贯穿整个时间序列，有4个峰、谷中心。图2(c)为1982~2015年经过标准化处理后的辽河流域年蒸发量变化趋势图，整体呈下降趋势，辽河流域在1987~2000年的蒸发量处于较高水平；在2001~2010年间，辽河流域的年蒸发量连续10年处于平均水平之下。这一趋势与吴波[6]所研究的辽河流域辽宁段作物蒸发蒸腾量(et0)的演变特征相似。
(a) 蒸散发小波模方 (b) 小波实部系数
(c) 年际标准化值序列
图2. 辽河流域1982~2015年蒸散发小波分析结果
3.2. 月降水序列分析
从图3(a)中可以看出辽河流域降水量的周期性在不同时段、不同尺度的强弱分布，其中0.5~1 a时间尺度的周期性较强，但具有局部性，主要发生在1993~1997年、1998~2002年、2003~2006年、2008~2011年，振荡中心分别在1994年、2000年、2005年和2009年左右，其余年份则较弱；2~4 a时间尺度的周期性也十分强，主要发生在2008~2015年，振荡中心在2012年左右。从图3(b)中可以发现辽河流域1982~2015年来降水量主要有0.5~1 a、2~4 a的变化周期，这与刘向培等人[7]研究辽河流域降水集中指数平均变化周期为3 a左右的结论一致。图3(b)中负值表示降水量偏低、干燥的时间段，正值反映降水量偏高、湿润的时间段。0.5~1 a周期尺度变化在1993~1997年、1998~2002年、2008~2011年分布较明显。2~4 a周期尺度变化明显年份在2008~2015年，以湿、干交替表现。图3(c)为1982~2015年经过标准化处理后的辽河流域年降水量变化趋势图，整体变化趋势并不明显，降水量最大值出现在2011年，最小值出现在1988年。
(a) 降水量小波模方 (b) 小波实部系数
(c) 年际标准化值序列
图3. 辽河流域1982~2015年降水量小波分析结果
4. 辽河流域30年干湿变化趋势
图4和图5是基于penman-monteith干湿划分法，从1982年开始每5年和10年对辽河流域进行一次划分。
总体来看，1982~2015年期间辽河流域大部分地区一直处于湿润区。并且不难发现，从1982年到2001年，辽河流域的过湿润区明显减少，半湿润区明显增多。但是从2002年开始，辽河流域的过湿润区开始重新恢复，并且在2012~2015年这一时段，辽河流域没有出现半湿润区。这与高永刚等人[8]提出的西辽河流域和双辽市在1961~2018年期间干旱指数存在上升趋势的结论存在一定联系。
图4. 辽河流域每5年干湿区划分
对比1982~1986年和2012~2015年这两个时段，2012~2015年辽河流域的过湿润区明显少于1982~1986年，流域东南部的过湿润区明显减少。处于流域西北的过湿润区向流域正北和中部开始偏移。图5中每10年的干湿区划分也表明了辽河流域的过湿润区从1982年到2011年由多到少再到多的变化过程，辽河流域东南部的湿润特征将会持续保持。曹丽格[9]预测到在2050年辽河流域的年降水区域在东部呈微弱增加趋势，其他区域呈减少趋势。
图5. 辽河流域年每10年干湿区划分
5. 结论
1) 1982~2015年间，辽河流域蒸发量整体呈下降趋势，在4~8 a和16~32 a的时间尺度上显示出周期性变化，震荡中心分别在2008和2002年左右；降水量无明显变化趋势，在0.5~1 a和2~4 a时间尺度上周期性变化较强且具有局部性，主要发生在1993~1997年、1998~2002年、2003~2006年和2008~2011年，2~4 a时间尺度的周期性也十分强，主要发生在2008~2015年，振荡中心在2012年左右。
2) 1982~2015年间，辽河流域过湿润区先减少后增多，流域西北的过湿润区向正北和中部转移；流域东南部具有持续湿润的特征。
notes
*第一作者简介：翟丽妮(1982-)，女，湖北省武汉市人，硕士学历，高级工程师，研究方向：水文水资源，email: 49142469@qq.com