ABSTRACT

In order to evaluate the characteristics and change trend of the surface precipitation and temperature in the middle and lower reaches of the Hanjiang River before the working of the middle route of the South-to- North Water Diversion Project, eighteen meteorological stations were selected. Furthermore, mathematical statistics, Mann-Kendall test and Spearman test were used, and two aspects of temperature and runoff were analyzed based on the meteorological data of the selected stations. The results are as follows. 1) The surface precipitation of the upper drainage area of Hanjiang River basin is 158 mm more than that of the lower drainage area; the temperature of the whole basin has been raised since 1990. 2) After trend analysis, it unfolds that the change trends of the rain-time series in this region are not noticeable, but the temperature shows a significant rise. 3) The imbalance between water supply and demand in the lower Hanjiang River basin will be very conspicuous, if there are not any engineering and non-engineering actions to take.

Keywords:Hanjiang River Basin, Precipitation, Temperature, Change Trend, Mann-Kendall Test, Spearman Test, Water Diversion Project

1956~2013年汉江流域降雨和气温变化特性分析

李雨¹，王雪²，张国学¹

¹长江水利委员会水文局，湖北 武汉

²长江水利委员会综合管理中心，湖北 武汉

Email: liyuwhu@163.com

收稿日期：2015年7月23日；录用日期：2015年8月6日；发布日期：2015年8月18日

摘 要

本文选择汉江流域18个国家气象站的长序列观测资料，采用数理统计、Mann-Kendall检验和Spearman秩次检验法，分别从降雨和气温两个方面，对跨流域调水环境下汉江流域降雨和气温变化特性进行了分析。研究结果表明：1) 丹江口以下流域的多年面均雨量较丹江口以上流域多了158.7 mm；汉江流域温度在1990年以后均出现了明显的升高。2) 经降雨和气温趋势分析可知，汉江流域的降雨无明显的变化趋势，而气温则有显著的升高趋势。3) 在整个汉江流域的降雨无明显变化，而气温显著升高的情况下，考虑到未来跨流域调水以及工农业用水规模的增加，汉江流域水资源量的供需矛盾将不容乐观。

关键词 :汉江流域，降雨，气温，变化趋势，Mann-Kendall检验，Spearman检验，调水工程

1. 引言

南水北调工程是实施我国水资源优化配置，改变南涝北旱和北方地区水资源严重短缺局面的跨世纪重大战略工程，可缓解京、津、华北地区水资源危机。其中，全长1432公里的南水北调中线一期工程已于2014年12月12日正式通水，一期年均调水量95亿m³，约占汉江流域径流量的20%左右[1] ，再加上丹江口水利枢纽续建工程以及汉江中下游补偿工程。这些工程的建设和运行，将导致汉江中下游水文情势的变化。

近年来，众多学者就南水北调中线工程对汉江中下游的影响开展了大量的研究[2] -[4] 。按照国务院2002年正式批复的《南水北调工程总体规划》，南水北调中线工程调水后，对可能给汉江中下游供水区造成的不利影响，通过实施针对性的工程进行补偿。然而，报告中采用的资料系列为1956~1998年。1999年以来，汉江流域的降雨和气温情势是否与大坝加高前的分析成果相一致，其他的跨流域调水工程是否会造成叠加影响，有必要对跨流域调水环境下汉江流域降雨和气温变化特性进行分析，以便对后期整体工程的调度运行提供比对数据及决策支持。

2. 资料与方法

2.1. 资料

从国家气象站网中，选择18处均匀分布的气象站点，站点名录见表1，站点分布情况见图1。以1998年为时间界限，选取的序列长度分为1956~1998年以及1956~2013年降雨量及气温序列。

2.2. 方法

在时间序列趋势分析中，最为常用的方法为Mann-Kendall检验[5] [6] 和Spearman秩次相关检验[7] ，其已被众多学者广泛应用在降水、径流、气温和水质等时间序列趋势变化的研究中[8] -[10] 。其中，Mann-Kendall检验不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据。同Mann-Kendall检验一样，Spearman秩次相关检验也属于非参数检验(与分布无关)，它是历史最久的秩次统计方法，同样对水

表1. 气象站点名录表

图1. 汉江流域气象站点分布图

文、气象等时间序列数据具有较强的适用性。本文采用这两种分析方法，对各气象站的年均降雨和气温时间序列进行趋势检验。

1) Mann-Kendall检验

在运用Mann-Kendall进行趋势分析时，首先需构建统计变量S，其计算如下式：

(1)

式中，x_i为时间序列构成的分析样本；sgn是符号函数；S为统计量，在给定的α置信水平上，当时，说明时间序列上升的趋势较为显著；当时，说明时间序列下降的趋势较为显著。相反，则表明该时间序列变化趋势不显著。

在检验序列的突变点时，则需构造另一秩序列：

(2)

式中，UF_k服从标准正态分布。S_k是第i时刻数值大于序列内其他数值的总个数，其表达式为：

(3)

式中，r_i的取值为0或1。

把此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线UB_k，则两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。

2) Spearman秩次相关检验

在运用Spearman进行趋势分析时，首先需构建统计变量T，其计算如下式：

(4)

式中，n为序列长度；r是相关系数，可由下式计算：

(5)

式中，R_t为秩次，把时间序列从大到小排序，t时刻对应序号即为其秩次。

统计变量T服从t分布，其自由度为()。在给定的α置信水平上，当时，说明时间序列上升的趋势较为显著；当时，说明时间序列下降的趋势较为显著。相反，则表明该时间序列变化趋势不显著。

3. 结果分析

3.1. 特性分析

国务院2002年正式批复了《南水北调工程总体规划》，报告中水量分析采用的径流系列为1956~1998年。为了分析跨流域调水环境下汉江流域降雨和气温的变化特性，特别是考虑了1999~2013年这15年的水文资料后，整个流域的气象情势与原有报告的分析成果的一致性。根据选择的18处气象站点的历史资料序列，分为丹江口坝上以及丹江口坝下流域，分别统计了1956~1998年序列(原设计序列)及1956~2013年序列年均降雨和温度的统计特征值，将结果列于表1。

从表2可以看出，经过长短径流序列资料对比分析，可以看出：降雨方面，加入1999~2013年资料序列后，无论丹江口坝上还是丹江口坝下流域，降雨量均有了一定程度的减小，但减小的幅度不大。气温方面，丹江口坝上流域的温度变化不明显，而对于丹江口坝下流域，长序列较原设计序列有了显著的升高，平均温度从原设计的15.8℃上升到16.1℃。

从图2(a)和图2(b)可以看出：降雨量方面，丹江口以上及丹江口以下流域面均雨量的年际变化较为均匀，但丹江口以下流域的面均雨量值更大，多年平均值(1956~2013年序列)为984.2 mm，较丹江口以上流域的多年均值825.5 mm，多了158.7 mm。温度方面，无论是丹江口以上还是丹江口以下流域，温度在1991年以后均出现了明显的升高，特别是丹江口以下流域，1991~2013年序列较1956~2013年序列温度升高了0.51℃。

3.2. 趋势检验

选择1956~2013年序列的年均降雨和气温资料，分为丹江口以上和丹江口以下流域，分别运用Mann-Kendall

检验和Spearman检验，检验子流域的降雨和气温序列的变化趋势，结果列于表3。

从表3可以看出，降雨方面，丹江口以上和以下流域降雨时间序列的分别为0.77和0.36，均小于N_0.05/2(0,1) = 1.96，且分别为0.84和0.23，均小于t_0.05/2(58 − 2) = 2.00，故其不存在明显的变化趋势。气温方面：丹江口以上和以下流域降雨时间序列的分别为2.31和4.59，均大于N_0.05/2(0,1) = 1.96，且分别为2.86和5.85，均大于t_0.05/2(58 − 2) = 2.00，故其存在明显的上升趋势。

对比图3(a)和图3(b)可以看出，无论是丹江口以上还是以下流域，1956~2013年间，其降雨量的统计量UF值始终处于上下临界值之间，不存在明显的变化趋势。对比图3(c)和图3(d)可以看出，无论是丹江口以上还是

表2. 降雨量和气温长短序列对比分析表

表3. 汉江流域气象站降雨和气温变化趋势统计表

图2. 汉江流域面均降雨和温度序列：(a) 丹江口以上流域；(b) 丹江口以下流域

图3. 汉江丹江口水库上下游流域面均降雨和温度序列

以下流域，1990年以后，气温均出现了显著的上升趋势，且丹江口以下流域气温上升的幅度更大，趋势也更为明显。

3.3. 其他影响因素分析

1) 跨流域调水方面

汉江流域在建和规划建设的较大规模的调引水工程共四处：南水北调中线工程、引汉济渭工程、引江济汉工程以及引江补汉工程。随着调水规模的逐渐增加，到2020年，南水北调中线工程调水95亿m³左右，引汉济渭工程调水5亿m³，加上已经实施的引乾济石和引红济石引水1.41亿m³，跨流域调水总规模约101.4亿m³。到2030年，在中线一期工程基础上，根据京津华北平原用水要求，中线工程调水量增加至约130亿m³左右，引汉济渭工程将调水15亿m³、引乾济石和引红济石保持原有的引水1.41亿m³的调水规模，跨流域调水总规模约146.4 m³。届时汉江中下游入境可用水量将从原设计的387.8亿m³减少到241.7亿m³，降幅达到37.8%，汉江流域跨流域调水示意图见图4。

2) 社会经济发展方面

国民经济的发展用水、工业用水、农业用水以及居民的生活用水呈现出显著增加的趋势。据《汉江干流综合规划报告》[11] 统计预测，2030水平年，汉江流域城市生活用水18.4亿m³，工业用水66.6亿m³，农村生活用水8.8亿m³，农林牧渔用水112.8亿m³。较2010年分别增加34.24%、16.82%、5.68%以及2.75%。

4. 结论

为研究跨流域调水环境下汉江流域降雨和气温的变化特性，本文选择汉江流域18个国家气象站的长序列观测资料，采用数理统计、Mann-Kendall检验和Spearman秩次检验法，分别从降雨和气温这两个方面进行了分析。主要结论如下：

图4. 汉江流域跨流域调水示意图

1) 降雨量方面，丹江口以下流域的面均雨量值更大，多年均值较丹江口以上流域多了158.7 mm。温度方面，汉江流域温度在1991年以后均出现了明显的升高。

2) 经降雨和气温趋势分析可知，汉江流域的降雨无明显的变化趋势，而气温则有显著的升高趋势。

3) 在整个汉江流域的降雨无明显变化，而温度显著升高的情况下，考虑到未来跨流域调水以及工农业用水规模的增加，汉江流域水资源量的供需矛盾将不容乐观。

基金项目

该文章由水利部公益性行业科研专项经费项目(201401021)资助。

文章引用

李 雨,王 雪,张国学, (2015) 1956~2013年汉江流域降雨和气温变化特性分析
The Characteristic Analysis of Rainfall and Temperature between 1956 and 2013 in the Hanjiang River Basin. 水资源研究,04,345-352. doi: 10.12677/JWRR.2015.44042

参考文献 (References)