近59年許昌市降水演變特征分析

楊孟豪， 曹連海,2， 夏 帆， 商震霖

(1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院， 河南 鄭州 450046； 2.南水北調中線水源區水安全河南省協同創新中心， 河南 南陽 473061； 3.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

1 研究背景

氣候變化將引起降水、徑流的時空變化，進而增加了干旱、洪澇等極端氣候事件發生的頻次[1-3]。IPCC[4]第五次評估報告指出，在全球氣候變暖背景下，區域間、雨季與旱季的降水對比度將會更激烈。因此，研究區域降水的演變特征對于了解區域降水發展動態、防洪抗旱具有重要作用[5-8]。

許昌市位于河南省中部，地處南北氣候過渡帶，氣候復雜多變，多旱、澇等氣象災害[9-10]，尤其是旱災，幾乎每年都有發生，已嚴重影響了許昌市的農業生產[10]；同時，作為首批國家級水生態文明建設試點城市，許昌市卻是一個嚴重缺水的城市[11]，降水資源的有效利用是加快建設許昌市水生態文明的關鍵。因此，研究許昌市降水演變特征意義重大。蘇豐敏等[9]利用五年滑動平均法研究了許昌市年降水量的變化趨勢，認為許昌市降水量整體呈現增多趨勢，在季節上呈現出春季和秋季減少、夏季和冬季增多的趨勢；顧萬龍等[12]結合河南省103個站點的降水資料，利用線性相關法分析了河南省1956-2007年降水的變化特征，指出豫中地區降水量呈現減少趨勢。綜合已有研究發現以下問題：(1)研究所用方法相對單一；(2)研究所用數據多在2007年以前；(3)已有的研究結論不統一；(4)缺乏對許昌市多時間尺度降水突變情況及周期性變化規律的研究。鑒此，本文采用線性回歸、Mann-Kendall秩相關檢驗、累積距平和Morlet連續復小波分析等方法，從年、雨季、旱季時間尺度出發，探討許昌市1956-2014年降水量的變化趨勢、突變情況以及周期性變化規律，以期為許昌市防洪抗旱提供參考，同時可為許昌市水生態文明城市的建設提供科學依據。

2 資料與方法

2.1 研究區概況

許昌市地處河南省中部(113°03′～114°19′E，33°42′～34°24′N)，總面積4 996 km2，其中山地521.2 km2，丘陵和崗地836.8 km2，平原3 638 km2。許昌市屬北暖溫帶季風氣候區，熱量資源豐富，無霜期長。全市多年平均降雨量691.2 mm，95%干旱年份降水僅為480.6 mm，而20%濕潤年份降水為809.6 mm，降水量年際變化大，年降水量變差系數CV值為0.22；降水年內分配也極不均勻，其中6-9月份降水集中，占全年降水量的62%。許昌市因地處南北氣候過渡帶，屬于大陸性季風氣候，年內、年際多旱、澇等氣象災害。

2.2 數據來源與處理

研究區所需降水量數據來源于許昌水文水資源勘測局，所有數據均經過嚴格的質量檢測。因降水量觀測起始年份的差異，且考慮到許昌市降水量觀測點的遷移、撤銷等問題，為了建立時間長度一致、觀測穩定的降水量序列，在綜合考慮許昌市山地、丘陵和崗地、平原等地形區域分布差異的情況下，最終選取了許昌市13個降水量觀測點的月降水量數據作為本文的基礎數據，降水量觀測點的空間分布情況見圖1。降水量數據的時間跨度是1956年1月至2014年12月。

對許昌市降水量數據的處理分析主要是基于Matlab R2017a、Excel 2007、Arcgis 10.2等軟件操作平臺實現的。許昌市年降水量主要集中在雨季，因此本文對于降水量季節的劃分采用雨旱季，即6-9月為雨季，其它月份為旱季。

圖1 許昌市降水量觀測點空間分布

2.3 研究方法

本次研究主要運用線性回歸法[13]、Mann-Kendall秩相關檢驗法(以下簡稱M-K法)對許昌市年際和年內降水量進行趨勢分析[13-15]和突變狀況檢驗[13,16-17]，并結合累積距平法[18-19]對可能存在的虛假突變時間點進行剔除，確定符合實際的降水突變情況；文中選定M-K值取±1.96，相應的顯著性水平為0.05。利用Morlet連續復小波分析法[20-22]研究許昌市降水量的周期性變化規律，提取降水量變化的主周期，揭示多時間尺度降水變化的復雜結構。

3 結果與分析

3.1 降水量變化趨勢

通過線性回歸得到許昌市年降水量、雨/旱季降水量的時間變化如圖2所示。許昌市年降水量最大值出現在1964年(1156.2 mm)，與旱季降水量最大值(623.4 mm)出現的時間點一致；年降水量第二高值時間點出現在1984年(1131.5 mm)，與雨季降水量最大值(906.0 mm)出現的時間點一致。許昌市年際、年內降水量整體上均呈現波動減少趨勢，結合降水量變化趨勢線可知，許昌市不同時間尺度降水量的減少速率由大到小依次為：年降水量(8.7 mm/10a)>旱季降水量(7.3 mm/10a)>雨季降水量(1.6 mm/10a)。

圖2 許昌市降水量變化曲線

通過對許昌市13個降水量觀測點年降水量、雨/旱季降水量進行M-K法趨勢檢驗，得到各觀測點M-K值的空間分布如圖3所示。圖3中的降水量背景值是由許昌市13個降水量觀測點1956-2014年多年平均降水量借助Arcgis 10.2軟件平臺的地統計工具，利用克里金空間插值法[23]得到?？梢钥闯鲈S昌市多年平均降水量在年際、年內時間尺度上的空間分布均存在著明顯的地區差異，但整體上都呈現出自東北往西南方向降水遞增的分布格局。其中，在襄城縣、禹州市西南部山地以及鄢陵縣南部地區存在著明顯的年降水量、雨/旱季降水量高值區，而年降水量、雨/旱季降水量的低值區則主要分布在禹州市北部以及長葛市北部地區。

由圖3可得，許昌市13個降水量觀測點年降水量、雨/旱季降水量的趨勢檢驗結果均未通過0.05顯著性水平檢驗，都表現為不顯著變化趨勢。其中，年降水量表現為下降趨勢的有11個觀測點，表現為上升趨勢的有2個觀測點；雨季降水量表現為下降趨勢的有9個觀測點，表現為上升趨勢的有3個觀測點，無變化的有1個觀測點；值得注意的是所有13個觀測點的旱季降水量變化趨勢一致，均表現為下降趨勢。

總體來看，近59年來許昌市年降水量、雨/旱季降水量均呈現為不顯著減少趨勢(表1)，其中變化趨勢M-K檢驗值的絕對值由大到小依次為：年降水量>旱季降水量>雨季降水量，這與線性回歸法得到的降水量變化趨勢一致，同時也驗證了用M-K法檢驗許昌市降水量變化趨勢是合理的。

圖3 各降水量觀測點M-K值空間分布

表1 年、雨/旱季降水量M-K值

3.2 降水量突變分析

3.2.1 年降水量突變 通過M-K法和累積距平法研究許昌市年降水量的突變情況，如圖4所示。圖4(a)表明，許昌市近59年來年降水量表現為波動下降趨勢，下降趨勢不顯著，僅在1959年通過了0.05的顯著性水平，之后整體下降趨勢微弱。UFk和UBk曲線在1956-1957年、1963-1965年、1970-1971年、1978-1980年、1993-1998年和2011-2012年間有多個交點，并且都在0.05顯著性水平內，但若將這些點全部作為突變點顯然不合適，進而配以累積距平法進行虛假突變點的剔除。結合累積曲線(圖4(b))分析發現，許昌市1956-2014年降水量存在明顯的“升”、“降”階段性變化特征，即1956-1958年降水量表現為增加趨勢，1958-1961年降水量大幅度減少，低于多年平均降水量，1961-1964年降水量迅速增加，并于1964年達到了歷年降水量最高值，之后在1965-2011年降水量整體呈現“W”型微弱下降趨勢，2012-2014年降水量表現為持續下降趨勢。綜合兩種方法推斷許昌市的降水突變點在1964年，降水量發生了由多到少的突變，而其它年份的突變不明顯。

3.2.2 雨/旱季降水量突變 為進一步了解許昌市年內降水量的突變情況，對年內雨季、旱季的降水量進行突變檢驗，繪制M-K突變檢驗曲線及累積曲線如圖5。

圖4 年降水量M-K突變檢驗及累積曲線

圖5 許昌市雨、旱季降水量M-K法突變檢驗及累積曲線

由圖5(a)可知，許昌市雨季降水量的變化趨勢與年降水量的變化趨勢相似，整體上表現為不顯著的波動下降趨勢。其中UFk和UBk曲線于0.05顯著性水平內在1956-1957年、1998-1999年和2012-2013年有交點，結合累積曲線(圖5(b))發現許昌市1956-2014年雨季降水量變化特征主要表現為：“降-升-降”，即1956-1999年呈現波動下降趨勢，1999-2011年呈現波動上升趨勢，之后又呈現下降趨勢。綜合兩種分析可知，許昌市雨季降水量可能在1999年發生了由少到多的突變。

從圖5(c)可以發現，許昌市旱季降水量的整體變化特征為1999年之前表現為波動增加趨勢，之后表現為減少趨勢，與年降水量或雨季降水量的變化特征正好相反，但變化趨勢都不顯著。其中UFk和UBk曲線于0.05顯著性水平內的交點在1999-2004年、2012-2014年間，綜合累積曲線(圖5(d))發現，許昌市旱季降水量的突變點為1999年，降水量發生了由多到少的突變。

3.3 降水量周期性變化

3.3.1 年降水量周期 圖6是由Morlet連續復小波分析得到的近59年降水量小波系數實部和小波方差圖，其中正值區域代表降水量偏豐，負值區域表明降水量偏枯。由圖6可知，許昌市年降水量存在不同時間尺度的變化周期，年降水量的小波系數實部等值線在5、14、22 a這3個時間尺度上比較密集，即許昌市年降水量的整體變化過程存在著3個顯著的周期變化特征。按周期震蕩程度由大到小分別對應著14、22、5 a的時間尺度，說明許昌市年降水量存在著14、22、5 a的第一、第二、第三主周期。其中14 a時間尺度的周期變化對許昌市降水量序列的方差貢獻最大，即許昌市年降水量在1956-2014年59a時間尺度上存在著14 a的強周期。根據14 a的強顯著主周期特征，在2014年處于降水負相位和正相位交界處，且將進入正相位區域，可以預測許昌市在2014年之后會進入降水相對偏豐的時期。

據河南省水利網發布的2015年和2016年的水資源公報顯示，許昌市2015年和2016年的降水量較2014年分別增加了22.88%、17.64%，這兩年的降水情況與小波分析結果一致，也驗證了Morlet連續復小波分析用于該地區降水周期性變化的研究是合理的。

3.3.2 雨/旱季降水量周期 圖7給出了許昌市雨季、旱季降水量小波系數實部和小波方差，可以發現許昌市雨季、旱季降水量的周期性變化均存在著多個時間尺度。

圖6 許昌市年降水量小波系數實部和小波方差圖

從圖7(a)、7(b)可以得出，雨季降水量的變化周期在中大時間尺度上與全年降水量的相似，存在著14、21 a時間尺度的變化周期，另外雨季降水量還存在著10a時間尺度的強顯著變化周期。結合小波方差值來看，10 a為第一主周期，14和21 a年分別為第二、第三主周期。從10和14 a時間尺度看，許昌市雨季降水量小波實部圖在2014年均處于負相位即將閉合狀態，由此可以判斷許昌市雨季降水量也將會很快進入降水相對偏豐時期。

從圖7(c)、7(d)可以得出，許昌市1956-2014年旱季降水量的變化周期同樣主要存在著三個明顯的時間尺度，按周期震蕩程度由大到小排列分別為13、8、21 a時間尺度，即13 a時間尺度為第一強顯著主周期，8、21 a時間尺度分別為第二、第三主周期。從13 a第一主周期和8 a第二主周期時間尺度來看，許昌市旱季降水量小波實部圖在2014年均處于負相位閉合、正相位即將開始狀態，以此推斷許昌市旱季降水量在2014年之后會迎來降水相對偏豐的時期。

4 討 論

研究表明，許昌市近59年的降水量呈現出不顯著減少趨勢，與豫中區域降水呈現減少趨勢[12]的研究結果相吻合，但與蘇豐敏等[9]認為許昌市降水量整體上呈現增多趨勢的結論不一致，可能是由于降水時間序列長度不一導致的。許昌市近59年來年降水量的整體減少趨勢為8.7 mm/10a，但只對許昌市近10年來降水量進行線性回歸發現，降水量減少速率高達281.5mm/10a，遠遠大于許昌市多年平均減少速率，尤其是在2013年，更是遭遇了60年一遇的嚴重旱災，將研究時間序列擴展到近些年難免會出現與前人研究結果不一致的現象，但將會增強研究結果的可信度和研究成果的實用性。通過對許昌市降水演變特征的研究，可為該地區防洪抗旱和水生態文明建設提供一定的科學依據。

5 結 論

本文開展了許昌市不同時間尺度的降水量變化趨勢、突變情況及周期性變化規律的研究，分析了近59年來的降水演變特征，得到以下結論：

(1)許昌市近59年年降水量、雨/旱季降水量分別以8.7、1.6、7.3mm/10a的速率減少。采用M-K法的檢驗結果與線性回歸法的結果一致，年降水量、雨/旱季降水量的M-K值分別為-0.76、-0.24、-0.73，減少趨勢都不顯著。

(2)許昌市多年平均年降水量、雨/旱季降水量在空間上均呈現出自東北往西南方向遞增的分布格局；其中，多年平均年降水量、雨/旱季降水量的高值區都主要分布在襄城縣、禹州市西南部山地以及鄢陵縣南部地區，而低值區則主要分布在禹州市北部和長葛市北部地區。

(3)通過M-K法結合累計距平聯合檢驗發現許昌市年降水量在1964年發生了由多到少的突變，雨季降水量在1999年發生了由少到多的突變，旱季降水量在1999年發生了由多到少的突變。

(4)許昌市降水量存在著多時間尺度的周期變化特征，年降水量存在著14、22、5 a的第一、第二、第三主周期變化；雨季降水量存在著10、14、21 a的第一、第二、第三主周期變化，旱季降水量存在著13、8、21 a的第一、第二、第三主周期變化。根據主周期判斷，年、雨季、旱季降水量將會很快迎來降水偏豐時期。