聊城市降水量變化趨勢分析

摘要利用聊城市8個國家地面氣象觀測站1962～2013年降水資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性回歸、5年滑動平均法、自相關(guān)分析、MK檢驗(yàn)法，分析了降水系列的空間分布、年際、年內(nèi)變化特征及變化趨勢。結(jié)果表明，近52年聊城市年平均降水量空間分布為由行政區(qū)東部向西部逐漸減少；全市多年平均降水量為564.9 mm。年降水序列年際變化大，趨勢成分隨年份線性變化趨勢總體呈下降趨勢，隨機(jī)成分獨(dú)立性強(qiáng)；站平均降水量與52年系列均值相比，20世紀(jì)60和70年代偏多，80、90年代偏少，2001～2013年持平；降水量年內(nèi)分布主要集中在夏、秋兩季，占全年降水量的81.4%，7、8月份降水量分別占全年降水量的29.4%、22.5%；MK檢驗(yàn)結(jié)果顯示，平均年降水和夏季降水突變點(diǎn)出現(xiàn)在1965年前后，是由多到少的變化，其他季節(jié)降水年變化震蕩劇烈。

關(guān)鍵詞降水量；變化趨勢；數(shù)理統(tǒng)計(jì)；自相關(guān)分析；MK檢驗(yàn)

中圖分類號S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）26-207-04

Abstract On the basis of meteorological data in Liaocheng from 1962 to 2013， the mathematical statistics， linear regression， 5a moving average method， autocorrelation analysis， MK test method was used to analyze spatial distribution of precipitation and the annual and seasonal precipitation trends and mutation. The results show that the spatial distribution of the average annual precipitation decreased from eastern administrative region to the western； the average annual precipitation of the whole region is 564.9 mm. The interannual variability of the precipitation sequence has a big variation， there is a linear trend between trend component and years with overall downward， strong random component independence. Compared the average precipitation of stations and the average precipitation sequence of 52a， more in the 1960s and 1970s， 1980s， 1990s less than normal， unchanged from 2001 to 2013； distribution of precipitation mainly concentrated in summer and autumn seasons， 81.4% of the total annual precipitation. The precipitation of July and August， respectively， occupy total annual precipitation 29.4%， 22.5%； the MK test results shows that the break point of the average annual precipitation and summer precipitation came in 1965， from most to least. Other changes in seasonal precipitation severe shocks.

Key words Precipitation； Change trend； Mathematical statistics； Autocorrelation analysis； Mann-Kendall test method

聊城市位于山東省西部、京杭大運(yùn)河畔（115°16′～116°32′E、35°47′～37°02′N），東依岱岳與濟(jì)南市相連，西以衛(wèi)運(yùn)河為界與冀南、豫北接壤，北與德州市毗鄰，南濱黃河與水泊梁山隔河相望。境域南北長159 km，東西寬114 km，總面積8 715 km2。轄東昌府區(qū)、臨清市和冠縣、莘縣、陽谷、東阿、茌平、高唐6縣及1個國家級經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。水資源已成為該市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的制約因素。因此，認(rèn)識該地降水量的變化特征，對合理利用和開發(fā)空中水資源以及利用好地下水、外來水具有重要意義。

降水是陸地上水資源重要的補(bǔ)給來源，是影響水資源利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)管理等的必要因素。同時，降水還是表征水循環(huán)的重要要素之一，其年際和長期變化對社會經(jīng)濟(jì)生活有重要影響，研究區(qū)域及全球降水量的分布和變化規(guī)律，對于分析氣候變化背景下的水循環(huán)以及氣候預(yù)測等具有非常重要的意義。近年來，由于氣候變暖，水循環(huán)加快，降雨特征也隨之發(fā)生了變化，降水量變化特征研究引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，從年、季、月等各個角度對不同地區(qū)和范圍的降水特征進(jìn)行了大量的研究，對降水的時空變化趨勢以及降水的季節(jié)分配等進(jìn)行了探討[1-4] 。大量研究表明[5-8]，我國年降水量以12.66 mm/10a的速度減少，華北地區(qū)年降水量趨于減少，趨勢為20～50 mm/10a。降水量分析方法包括線性回歸法、線性傾向估計(jì)、累積距平法、滑動平均法、二次平滑法、三次樣條函數(shù)法、MannKendall法、小波分析等。該研究利用滑動平均法、線性回歸分析法、自相關(guān)，對聊城市8個國家氣象站近52年月、季節(jié)和年際降水量進(jìn)行分析，研究其變化趨勢，并利用MannKendall檢驗(yàn)法進(jìn)行降水量特征分析。

1資料和方法

1.1資料來源降水資料來自東昌府區(qū)、臨清市、陽谷縣、茌平縣、莘縣、冠縣、東阿縣、高唐縣8個國家氣象觀測站的地面氣象觀測站月、年報(bào)表。分析資料年份為1962～2013年，資料具有完整性。氣象觀測記錄經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制、審核和檢查。

1.2分析方法運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，計(jì)算氣候傾向率、要素特征值，利用滑動平均法、線性回歸分析法、隨機(jī)成分分析[9]，對全市內(nèi)降水量季節(jié)變化、年際變化趨勢進(jìn)行分析。用MannKendall方法進(jìn)行突變檢驗(yàn)[10]。在資料的統(tǒng)計(jì)中，四季劃分為春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～次年2月）。

1.2.1離差系數(shù)。降水量年際變化的大小可用離差系數(shù)或極值比（最大值與最小值之比）加以衡量。離差系數(shù)表示系列中各項(xiàng)值對其均值的相對離散程度的指標(biāo)，它是系列均方差與均值之比。如果離差系數(shù)CV較大，即系列的離散程度較大，亦即系列中各項(xiàng)的值對均值離散較大，如果CV較小，則系列的離散程度較小，亦即系列各項(xiàng)的值同均值相差較小。年降水量系列的CV值越大，極值比越大，年降水量變化越不均勻。

1.2.2氣候傾向率。隨著時間序列的增長，對要素序列的各值平均而言，或是增加或是減少，形成序列在相當(dāng)長時期里向上或向下的緩慢移動，這種有一定規(guī)則的變化成為趨勢。序列的趨勢變化可以用一次線性回歸方程y=ax+b表示，式中，y為年氣候特征值，x為年，a×10為氣候傾向率，用于定量描述序列的趨勢變化特征。

1.2.3隨機(jī)成分分析。隨機(jī)成分是降水序列中除去周期和非周期的確定成分之外的剩余成分，是由不規(guī)則的震蕩和隨機(jī)影響造成的，一般由相依和獨(dú)立兩部分組成，通常采用自相關(guān)分析的方法，通過繪制自相關(guān)圖來研究序列自身的線性相依性及其隨滯時增加而變化的特性[9]。自相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：rk=n-kt=1（xt-）·（xt+k-）nt=1（xt-）2，式中，X為序列值，為序列均值，n為樣本數(shù)，滯時k=0，1，2，…，m（m≤n）。離散函數(shù)rk隨k而變化的圖形即為樣本自相關(guān)圖。在實(shí)用中用可統(tǒng)一的、較簡單的式子估計(jì)rk的容許限。常選顯著性水平為5%（容許限水平為95%），則有：rk=-1±1.96n-k-1n-k。根據(jù)序列的自相關(guān)和容許限值，若要素序列的rk均在容許限內(nèi)，根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)原理可接受該序列為獨(dú)立這一假設(shè)，即不存在相依性，反之存在相依性。

2結(jié)果與分析

2.1降水量空間分布從圖1可以看出，聊城市各縣市區(qū)的

2.2降水量年代際變化特征

2.2.1特征值分析。由表1可看出，各行政區(qū)年降水量離差系數(shù)CV值的范圍為0.25～0.31，全市平均為0.24，高唐縣最大，為0.31，冠縣最小，為0.25。從區(qū)域分布來看，臨清市降水量年際變化幅度最大，年降水量極值比為5.22，年降水量離差系數(shù)為0.29；茌平冠縣變化幅度最小，極值比為3.05。1962～2013年聊城市多年平均年降水量為564.9 mm，單站年最大降水量為977.2 mm，出現(xiàn)在1964年臨清站，單站年最小降水量為187.2 mm，出現(xiàn)在1993年臨清站。因此，聊城市降水量具有年際變化大的特點(diǎn)。

2.2.2趨勢成分分析。經(jīng)過對聊城市年降水量1962～2013年的系列值回歸分析得到一次線性回歸方程為y=-0.646 8x+582.09，可見聊城市年平均降水量趨勢成分隨年份線性變化趨勢總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-6.468 mm/10a，說明年平均降水量以6.468 mm/10a的速率緩慢下降；經(jīng)對回歸系數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)，得P=0.611 7，按α=0.05水準(zhǔn)不能認(rèn)為自變量和因變量之間有直線關(guān)系。5年滑動平均降水量年遞減率為5.275 mm/10a（圖2）。

2.2.3隨機(jī)成分分析。根據(jù)自相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法，得到了聊城市多年平均降水量的自相關(guān)圖和顯著性水平為5%條件下的容許限值，繪制自相關(guān)圖。從圖3可以看出，聊城市平均降水量全部滯時上的自相關(guān)系數(shù)在容許范圍內(nèi)，說明系列的獨(dú)立性強(qiáng)，相依性很弱。

2.2.4年代際變化。由表2看出，聊城市在20世紀(jì)60和70年代全市平均降水量比歷年均值分別多4.0%、7.5%。80、圖21962～2013年聊城市年降水量變化圖31962～2013年聊城市平均降水量自相關(guān)圖表21962～2013年聊城市各行政區(qū)不同年代降水量平均值mm行政區(qū)20世紀(jì)90年代全市平均降水量比歷年均值分別少6.2%、3.6%。2001～2013年全市平均降水量與歷年均值持平；從行政區(qū)分布來看，進(jìn)入21世紀(jì)除陽谷縣、東阿縣降水量少于20世紀(jì)90年代外，其余行政區(qū)自90年代后降水量呈現(xiàn)增加趨勢。

2.3降水量年內(nèi)分布特征

2.3.1季節(jié)變化。聊城市春、夏、秋、冬四季平均降水量分別為87.8、357.9、102.0、17.2 mm，全年降水主要集中在夏秋兩季，占全年降水量的81.4%，其中夏季降水量占全年降水量的63.4%；冬季降水量最少，僅占全年降水量的3.0%，冬季降水量多個年份低于10.0 mm，1999年無降水量。可見，近52年聊城市降水季節(jié)變化極不平衡。

從5年滑動平均降水量看，1962～2013年聊城市春季降水量呈增多趨勢，增幅為4.207 mm/10a，其他季節(jié)均呈現(xiàn)減少趨勢，夏季減少幅度最快，為9.052 mm/10a；四季降水量均未通過P<0.05的置信度檢驗(yàn)（圖4）。夏季年降水量部分時段年際變化顯著。以1970～1973年為例，1970年夏季降水量為364.1 mm，1971年夏季降水量達(dá)624.1 mm，增多71.4%，1972年夏季降水量為212.5 mm，較1971年減少127%，1973年夏季降水量為571.7 mm，較1972年又增多169%。注：a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季。

2.4降水量MannKendall檢驗(yàn)聊城市平均年降水量MK檢驗(yàn)結(jié)果（圖6）顯示，在置信0.05水平下，UF和UB 2條曲線在1965年出現(xiàn)交點(diǎn)，說明年降水突變點(diǎn)出現(xiàn)在1965年前后；UF線在信度的上下限之間，自1965年開始UF值<0，說明從1965年開始序列呈下降趨勢。4個季節(jié)降水量的MK檢驗(yàn)結(jié)果（圖7）顯示，夏季降水量在置信度0.05水平下，UF和UB 2條曲線在1965年出現(xiàn)交點(diǎn)，說明夏季降水突變點(diǎn)在1965年前后，是由多到少的突變，與年降水量變化一致；春季、秋季、冬季降水量UF和UB在置信度上下限之間存在多個交叉點(diǎn)，說明震蕩劇烈。圖61962～2013年聊城市平均年降水量MK檢驗(yàn)a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季。

圖71962～2013年聊城市四季降水量MK檢驗(yàn)3結(jié)論

（1）從降水量的空間變化看，1962～2013年聊城市降水量大致為自行政區(qū)東部向西部逐漸減少，年平均降水量最大與最小相差73.7 mm。

（2）從降水量的年代際變化來看，1962～2013年聊城市多年平均降水量為564.9 mm，站平均年最大降水量為917.2 mm，站平均年最小降水量為312.7 mm，離差系數(shù)為0.24，極值比3.5，具有年際變化大的特點(diǎn)；聊城市年降水量趨勢成分隨年份線性變化趨勢總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-6.468 mm/10a；5年滑動平均降水量年遞減率為5.275 mm/10a；隨機(jī)成分分析表明，聊城市平均降水量全部滯時上的自相關(guān)系數(shù)在容許范圍內(nèi)，系列的獨(dú)立性強(qiáng)，相依性很弱；聊城市在20世紀(jì)60、70年代平均降水量比歷年均值分別多4.0%、7.5%，80、90年代平均降水量比歷年均值分別少6.2%、3.6%。2001～2013年平均降水量與歷年均值持平。

（3）從降水量的年內(nèi)變化看，年內(nèi)分布極不均勻，季節(jié)性非常強(qiáng)。全年降水主要集中在夏秋兩季，占全年降水量的81.4%，其中夏季降水量占全年降水量的63.4%；冬季降水量最少，僅占全年降水量的3.0%，冬季降水量多個年份低于10 mm，1999年無降水量；5年滑動平均降水量，52年春季降水量呈增多趨勢，增幅為4.207 mm/10a，其他季節(jié)均呈現(xiàn)減少趨勢，夏季減少最快，為9.052 mm/10a； 月分布極為不均，降水主要集中在7、8月份，分別占全年降水量的29.4%、22.5%。

（4）MK檢驗(yàn)結(jié)果顯示，近52年聊城市平均年降水突變點(diǎn)出現(xiàn)在1965年前后，是由多到少的變化。夏季降水突變點(diǎn)及變化與年降水變化一致。春季、秋季、冬季降水年變化震蕩劇烈。

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