山西省降水量變化特征分析

程 俊

(山西省陽泉市水文水資源勘測分局，山西 陽泉 045000)

1 研究背景

水資源是保證人類生存的必要條件，對農業(yè)、工業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)都至關重要，而氣候變化對降雨產(chǎn)生的影響，進一步導致了水資源在時間和空間上的重新分配和水資源數(shù)量的改變[1]。大氣降水是地表水和地下水的最終補給來源，是水資源中最重要的一環(huán)。降雨的變化會導致徑流和可用水量發(fā)生變化，近年來，有眾多學者對全國各區(qū)域的降水特征進行了大量研究[2-4]。分析研究降水量的變化特征，對防汛減災、水資源開發(fā)利用和水資源綜合規(guī)劃均有重要的現(xiàn)實意義[5]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文所參考的降水量資料全部采用1956—2016年經(jīng)過整編的水文資料及部分氣象站同步期實測資料，精度較高，且具有一致性。

分析站點選用的原則是：資料觀測系列較長，精度較高，面上分布均勻，且能反映地形變化影響的站點。根據(jù)資料情況，在降水量變化梯度較大的山區(qū)，站點相對較密；在平原區(qū)則著重考慮站點的均勻分布；在站點較稀的地區(qū)，適當增加了一些資料系列較短的雨量站，經(jīng)過插補延長處理后作為輔助站點參考使用。

通過選用站點降水量月平均情況分析了山西省降水量的年內分配特征，利用線性趨勢法、滑動平均法、Mann-Kendall趨勢分析法(以下簡稱M-K檢驗法)、滑動t檢驗法、Morlet小波分析法等方法對降水量的年際變化特征進行了分析。

3 年內降水量分配分析

山西屬于溫帶大陸性季風氣候，降水量年內分配的一般特征是受季風影響，冬季處在極地大陸氣團控制下，僅當極地和變性極地氣團過境時，產(chǎn)生少量固體降水，且南部多于北部，山地大于川谷；春季由于冬季風勢力的減弱和夏季風逐漸活躍，降水量比冬季明顯增多，但就總量來說，占全年降水量的比例不足20%；夏季是山西省降水量特別集中的季節(jié)，由于受季風影響，降水量高度集中，約占全年總降水量的60%，且越往北部比例越大；秋季是夏季風過渡到冬季風的轉換季節(jié)，降水量比夏季顯著減少，且分布形式與夏季有所不同，呈現(xiàn)出由北向南增加，由高山向盆地減少的趨勢。降水量在年內各季節(jié)分配極不均勻，山西省降水量年內分配見圖1。

經(jīng)分析可得出山西省降水量年內分配特征:

a.降水量在年內的分配呈現(xiàn)單峰型，夏季和秋季多雨，汛期(6—9月)降水量占全年的71.3%。

b.汛期降水主要集中于7月、8月，占年降水量的45.2%。

c.冬季干旱，12月至次年2月的3個月是全年降水最少的時期，降水量僅占年降水量的3.2%。

圖1 山西省降水量年內分配

4 年際降水量變化分析

4.1 年降水量變化趨勢分析

利用線性趨勢法、滑動平均法和M-K檢驗法對山西省1956—2016年平均降水量變化趨勢進行分析，見圖2。

圖2 山西省降水量年際變化

由圖2可看出，山西省降水量年際變化大，豐、枯懸殊。1964年和1965年分別出現(xiàn)最大和最小年降水量，降水量極值分別為721.7mm和304.2mm，最大年降水量是最小年降水量的2.4倍。年降水量極大值和極小值均出現(xiàn)在1980年之前，近年來年際最大變幅呈減小趨勢。由年降水量線性趨勢線可看出，山西省年降水量呈現(xiàn)減小趨勢，線性遞減率約為每10年5.5mm。由5年滑動平均曲線可看出，山西省降水量波動呈現(xiàn)減小趨勢，有一定的周期性。

利用M-K檢驗法對山西省年降水量變化趨勢作顯著性分析，取顯著性水平為α=0.05，其中M-K趨勢指標U=-0.72，|U|

4.2 年降水量突變分析

利用M-K檢驗和滑動t檢驗法對山西省1956—2016年降水系列進行突變分析。

圖3 降水量M-K統(tǒng)計量曲線

由圖3可知，在M-K曲線中，UF和UB曲線有多個交點，均出現(xiàn)在20世紀五六十年代，分別為1956年、1958年和1964年。

圖4 降水量滑動t統(tǒng)計量曲線

由圖4可知，由M-K檢驗識別的突變點年份，在子序列長度為10年的滑動t檢驗中均未通過α=0.05的顯著水平檢驗，因此大致判斷山西省近61年的年降水量未發(fā)生突變。

4.3 年降水量周期分析

利用Morlet小波分析法對山西省1956—2016年降水系列進行周期分析。將山西省1956—2016年降水系列進行Morlet小波分析后得到其小波系數(shù)實部等值線圖、模等值線圖、方差圖，見圖5、圖6、圖7。

圖5 降水量小波系數(shù)實部等值線

圖6 降水量小波系數(shù)模等值線

圖7 降水量小波方差

在圖5中，數(shù)值越大顏色越淺，表征降水量偏多期，數(shù)值越小顏色越深，表征降水量偏少期。由圖5可看出，山西省年降水量存在4個比較明顯的特征時間尺度，分別為28年、19年、10年和5年，其中19年左右的特征時間尺度主要存在于1980年之后，沒有貫穿整個研究時段。

由圖6可看出，28年、19年、10年和5年左右的特征時間尺度對應的小波系數(shù)模值較大，說明其周期較為顯著，其中28年左右的時間尺度震蕩能量最強，其次是10年左右的時間尺度。

由圖7可看出，山西省年降水量的小波方差存在4個較為明顯的峰值，分別為28年、10年、6年、4年，其中28年左右的特征時間尺度對應最大峰值，同時該尺度下周期震蕩也最強烈，因此判斷山西省年降水量有28年的第一主周期。

5 結 論

山西省降水量在年內分配極不均勻，主要集中在夏秋兩季，其中7月和8月的降水量占全年的近一半，在這兩個月，常有歷時短、雨強大的短時強降雨發(fā)生。

山西省降水量年際間變化劇烈，在近年來呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢，沒有明顯的突變，有較為穩(wěn)定的周期變化，第一主周期為28年。根據(jù)降水量的變化趨勢，預計未來幾年降水量會有所減小。

山西省地處黃土高原東端，其部分水系上游的支流流域內植被較差，森林覆蓋率低，水土流失十分嚴重。而且由于各支流都是山區(qū)性河流，縱坡普遍較大，產(chǎn)匯流時間短，水流湍急，推移質比重較高，在降雨集中的夏季極易發(fā)生山洪災害和滑坡、泥石流等地質災害。因此，根據(jù)山西省的降水變化特性，在上游山區(qū)建立雨水收集系統(tǒng)，在有條件的地區(qū)建設新型海綿城市，對緩解區(qū)域內水資源短缺、季節(jié)性缺水和預防山洪、地質災害都有重要意義。