神木縣降水長期變化特征

摘要 利用神木縣1961～2000年逐月降水量資料，通過趨勢成分與隨機成分分析、MannKendall突變檢驗、小波分析及R/S分析等方法，分析了神木縣降水量的時空分布特征、長期變化趨勢及突變檢驗。結果表明，神木縣多年平均降水量僅為421.2 mm，并以16.7 mm/10a的速度減少；降水量年內分布比較集中，主要集中在6～8月；由自相關分析得出神木縣降水量系列是相對獨立的系列，相依性弱；Morlet小波變換表明神木縣降水量存在著4和11年的中短周期變化；R/S分析表明其降雨呈平緩下降趨勢，無明顯的主周期變化，自身相關性較弱；MannKendall檢驗表明神木縣降水量在1972、1977、1987和1993年前后發生突變，多由多雨期進入少雨期。

關鍵詞 神木縣；降水量；變化趨勢；周期變化；突變檢驗

中圖分類號S161.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10586-04

作者簡介崔璐瑩（1981- ），女，黑龍江哈爾濱人，講師，在讀博士，從事水土保持與荒漠化防治研究。*通訊作者，講師，博士，從事林業方向研究。

當前，全球環境問題引起人們越來越多的關注。加之工業化社會的迅猛發展，二氧化碳、甲烷等溫室氣體的大量排放，全球暖化已成為趨勢，溫度升高能顯著影響大氣降雨并改變水分截流、地表徑流和蒸發等整個水循環過程，加劇了水資源系統的不穩定性和供需的矛盾[1]。而較大的降雨豐枯期落差會直接導致經濟和生態環境的災難[2]。在我國，降雨被認為是占據水資源利用的首要位置，絕大多數水資源利用分配戰略是基于連年降雨規律制定的[3]。因此，全面認識研究各地降水量的長期變化規律及發展趨勢就顯得至關重要[1，4]。陜西省南北狹長，橫跨3個氣候區域，通常氣候因素變化差別較大。近年來許多學者對陜西省的氣候變化時空特征進行了分析[5-7]，但基本是從較大范圍內入手，而地區間經濟文化的差異性也是導致環境變化的重要因素之一，通過研究特定范圍內的典型地區降雨分布變化特征可以更好地為當地水資源利用和農業生產的影響提供依據。

神木縣是我國第一產煤大縣、全國最大的蘭炭基地和全國最大的聚氯乙烯基地。產能的大力發展帶動了區域經濟的增長，但對環境的破壞作用也不容忽視，近年來神木縣實施了采煤沉陷區綜合治理，還原礦區山水林田路；開展力度較大的退耕還林、草工程，發展林草產業，優化農業的生產功能，強化農業的生態功能。生態的修復作用依賴水資源的合理利用，而降水是其中重要的因素之一。神木縣屬于亞濕潤半干旱地帶，降水過程變化十分復雜，年際變化較大，地域差異性明顯，旱澇情況時有發生[8]。有專家學者指出，近半個世紀以來的陜北高原地區降水量的變化是在波動中呈減少趨勢，與全球的變化趨勢相同[9]。因此，分析神木縣的降水規律對充分認識和利用當地氣候資源、指導農業生產和預防災害有重要意義。筆者利用良好的氣象降雨數據資料，通過趨勢成分與隨機成分分析、MannKendall趨勢分析與突變檢驗[10]、小波分析及R/S分析[11-12]等方法分析了神木縣的降水特征，定量分析其降水特征，力求多種方法相結合，提高結論可信度。

1資料與方法

1.1研究區概況神木縣位于黃河中游、長城沿線、陜西省北端（38°13′～39°27′N、109°40′～110°54′E），總面積77.06 hm2，居陜西省內各縣之首。神木縣界于海拔738.7～1 448.7 m的沙漠丘陵地帶，由于地勢較高，下墊面保溫、保水性較差，大陸性氣候顯著。寒暑季氣候變化劇烈，溫差大，氣候干燥，四季較為分明。冬季少雨雪，而夏季雨水集中，年際變率較大；年平均大風日數14 d，主風方向為西北風，風沙頻繁，無霜期短。年平均氣溫8.9 ℃，年極溫最高38.9 ℃，年極溫最低-28.1 ℃；平均年降水量421.2 mm，年內和年際變化較大；年均蒸發量為1 336.6 mm，3倍于年降水量，西北向東南方向每10 km蒸發量約降低23.0 mm。日照豐富且光照強度較強，年平均日照2 875.9 h，日照率為65%，是陜西省多日照、強輻射地區之一。

1.2數據來源與分析方法在陜西榆林治沙所提供的神木縣1961～2000年逐月降水資料的基礎上，運用統計學分析軟件MatlabR2012和Suffer8.0，對神木縣近40年來的降水資料進行了年際變化過程與年內變化特征的分析、趨勢系數分析、隨機成分分析、小波分析、MK檢驗及R/S分析，圖形處理用Origin9.0pro生成。

1.2.1趨勢成分與隨機成分分析。要素序列的平均各值隨著時間序列的增長或增加或減少，形成序列在長時間向上或向下緩慢移動，這種一定規則的變化為序列的趨勢變化。隨機成分是由不規則的震蕩和隨機影響造成的，一般由相依和獨立兩部分組成，是水文序列中除去周期和非周期的確定成分之外的剩余成分，采用自相關分析的方法，繪制自相關圖研究序列自身的線性相依性及其隨時滯增加而變化的性質。根據序列的自相關和容許限值，若要素序列均在容許限內，可接受假設檢驗原理則該序列為獨立這一假設，即不存在相依性，反之相依性較強。

1.2.2小波分析。小波分析是一種具有時頻多分辨功能的研究時間序列問題，充分反映系統在不同時間尺度中的變化趨勢，清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，并能觸發對系統未來發展趨勢進行定性估計[13]。在此采用復小波Morlet小波作為基函數進行小波變換分析，原因是降雨過程中包含多時間尺度變化特征且這種變化是連續的；復小波變換可同時給出時間序列變化的位相和振幅兩方面的信息優于實小波變換；復小波函數的實部和虛部位相差為π/2，可以消除用實小波變換系數作為判據而產生的虛假振蕩，使結果更為準確。小波系數實部等值線圖能反映降雨序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上降雨的未來變化趨勢。Morlet小波系數的模值是不同時間尺度變化周期所對應的能量密度在時間域中分布的反映，系數模值愈大，所對應時段或尺度的周期性就愈強。小波系數的模方等于小波能量譜，它可以分析出不同周期的震蕩能量。小波方差圖能反映徑流時間序列的波動能量隨尺度的分布情況，用來確定降雨演化過程中存在的主周期[14]。

1.2.3MannKendall突變檢驗。氣候突變是普遍存在于氣候系統中的一個重要現象，通常表現為相鄰氣候階段平均值之間顯著的差異。在此采用MannKendall趨勢分析和突變檢驗來研究神木縣降水的長期變化。基于秩的MK檢驗是一種非參數統計檢驗方法又稱無分布檢驗，優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適合于水文氣象等非正態分布的數據，該方法還能明確降水的演變趨勢及是否存在突變現象以及明確突變開始的時間，并指出突變區域[1]。

1.2.4R/S分析法。該方法能對未來氣候變化的總體趨勢做出預測和推斷。總體變化趨勢一般為持續性（未來變化與過去相似顯示正趨勢）和反持續性（未來變化與過去變化相反顯示反趨勢）。

2結果與分析

2.1降水量周期性特征

2.1.1年代際變化。1961～2000年神木縣年平均降水量最大值為819.1 mm，出現在1967年，最小值為108.6 mm，出現在1965年，最大降水量與最小降水量之差可達710.5 mm；多年平均降水量427.2 mm；降水量的年際變化較大，平均變差系數達16%。神木縣20 世紀60年代降水量較平均值波動劇烈，60年代以后降水量多在多年平均值上下浮動，到1990～2000年降水量變化震蕩明顯。1962、1972、1980、1993、1997、1999和2000年降水量均低于300.0 mm，屬于特別干旱年。屈振江等對陜西的降水量進行分析得出，20世紀80年代及以前降水量異常偏多和偏少的頻數均呈現較小的年際波動，而90年代以后兩者均呈現明顯的增加趨勢，且年際變化較大[5]。這與該研究的年際變化中的特別干旱年結論一致。

2.1.2年內分布。由于神木縣所處的地理位置和氣候條件所致，神木縣降水的年內分布很不均勻。從表1可以看出，神木縣降水量年內極為不均，降水主要集中在夏季（6～8月），約占全年降水量的62.6%，季節性非常強；從各月標準差分布來看，6～8月的降水量占全年降水量的比例呈現較大波動，而其余各月變化趨勢較為平緩和一致。

2.2降水量趨勢成分與隨機成分分析經過對神木縣降水量40年的系列值回歸分析，得到一次線性回歸方程為：y=-16.69t+37 266，可見近40年神木縣降水呈下降趨勢，且以16.7 mm/10a的速率緩慢下降。根據隨機成分方法，得到了神木縣多年降水的自相關圖和顯著性水平為5%條件下的容許限值，繪制自相關圖。從圖1可以看出，除了20世紀60年代中前期（降雨豐枯期變化極其顯著），圖11961～2000年神木縣降水量自相關神木縣降水量在絕大多數滯時上的自相關系數在容許范圍內，表明神木縣20世紀60年代中前期的降雨豐枯變化落差較大，且有相當高的依存度，以后時間序列降雨量變化獨立性較強，相依性很弱。

2.3降水變化趨勢分析從1961～2000年神木縣降水量小波系數實部等值線圖（圖2a1）可以清楚地看到近40年神木縣降雨變化過程中存在的多時間尺度特征，總的來說，在演變過程中存在著1～8和11～32年時間尺度的周期變化規律；從圖2a2可以看出，在降雨演化過程中，11～32年時間尺度模值最大，說明該時間尺度周期變化最明顯，1～8年時間尺度的周期變化次之，其他時間尺度的周期性變化較小。由降雨小波系數模方等值線圖（圖2a3）可知，23～32年時間尺度的能量最強、周期最顯著，在20世紀70年代以后逐漸增強，且局部性變化特征較為明顯；13～17年時間尺度能量次之，且周期分布也比較明顯，在80年代中后期逐漸增強；說明近40年神木縣降雨變化過程中具有4和11年的中短期變化規律。從降雨小波方差圖（圖2b）可以看出，近40年神木縣降雨的時間尺度沒有明顯的主峰值對應，說明在整個時間域內無規律周期的波動控制著上述降雨的變化特征。1961～1970和1990～2000年的降雨量變化劇烈、豐枯期相差較大，因此不具有周期性變化趨勢，中間的時間序列變化較為平緩且具有一定的周期性，但無主峰周期牽引說明變化趨勢有待進一步研究，短時間的震蕩趨勢明顯說明在較小時間區域內周期性變化可能更有意義也具有更好的操作性。

神木縣降雨變化屬于平穩下降型，其趨勢并不明顯，處于震蕩期。根據1969～2000年神木縣降水量Hurst指數變化（圖3），其未來降雨量與過往降雨量的相關性不強，并逐漸進入少雨期。神木縣的Hurst指數從長期上看處于下降趨勢，即隨著時間的推移正相關性不斷地減弱，這也許與全球環境變化和人類活動寬度深度不斷加大、不斷影響自然本身有關。對于神木縣降水量所呈現的趨勢的原因以及將來可能出現的變化還需要作更深入的研究。何艷芬等對陜北降水量變化分析表明降雨量總體以4.59 mm/a的速度減小[6]，這與該研究中Hurst指數變化結論一致。

3結論

（1）神木縣多年平均降水量僅為421.2 mm，年際變化比較大，變差系數達16%，年平均降水量總趨勢以16.7 mm/10a的速度減少，在進入20世紀90年代后，降水量不足多年平均降水量，1993、1997、1999和2000年遭遇干旱。

（2）神木縣受本身的地理位置和氣候條件的影響，降水量比較集中，主要集中在6～8月，約占全年降水總量的626%，但6～8月的降水量占全年降水量的比例波動較大，其余各月變化較為平緩。

（3）通過繪制神木縣降水量的自相關圖得到降水量在絕大多數滯時上的自相關系數在容許范圍內，降水量系列呈現出較強的獨立性，相依性較弱。

（4）小波變換分析可知，神木縣變化具有1～8和11～32年的時間尺度結構，其中23～32年時間尺度的能量最強，13～17年時間尺度的周期震蕩也較明顯，大尺度的周期變化嵌套小尺度的周期變化，說明中短期時間效應明顯，神木縣降水量存在著4和11年的中短周期變化。

（5）神木縣降水量有一定的浮動趨勢，直至1972、1977、1987和1993年前后發生突變，多為多雨期躍變為少雨期。且通過R/S分析可知，神木縣總體的變化趨于平緩下降，且自身相關性逐漸減弱。

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