1961—2018年四子王旗旱澇特征及其變化規律分析

(內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗水利局，內蒙古 烏蘭察布 011800)

全球氣候的改變，也在潛移默化地影響著區域水文循環的變化，其中一個最主要的表現就是降水的時空分布變化，而降水的季節變化以及空間分布的不均勻性會直接造成區域極端旱澇災害，在國內流域尺度上降水的時空變化正逐漸受到重視[1-3]。本文研究的區域四子王旗地處大青山北麓，內蒙古高原中部，地形從南至北由陰山山脈北緣、烏蘭察布丘陵和蒙古高原3個部分組成，其中：山地占4.1%，丘陵占56.1%，高原占39.8%，統觀地形趨勢東南高而西北低。該地區降水量雖然不大，但由于境內地形復雜，由暴雨引發的局部洪澇災害較多。因此研究該區域的降水量及相關氣象要素的時空變化規律對當地基礎建設及農畜牧業發展具有非常重要的意義[4-5]。

1 研究區概況

四子王旗在內蒙古自治區中部，西與包頭市的達茂旗接壤，東與烏蘭察布市察中中旗、察右后旗交界，北與蒙古國相連，南與呼和浩特市武川縣毗鄰，國境線全長104km，總面積24016km2。地區多年平均24h最大降雨量在35～40mm之間，暴雨出現在6—9月，多集中在7月、8月，多為局部雷陣雨，形成暴雨的天氣系統多為冷暖切變線，暴雨特點是突發性強、籠罩面積小、強度大而歷時短，由暴雨形成的洪水，一般多出現在7月、8月。

2 資料與方法

2.1 資料

本文采用的數據包括四子王旗及其周邊4個國家基準、基本氣象站(四子王、達茂旗、呼和浩特和集寧)1961—2018年逐月降水實測資料，運用算術平均構建該流域季、年平均降水量時間序列，對該區域降水分布特征與旱澇災害變化趨勢進行分析。數據來源均為中國氣象局國家氣象信息中心。

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall方法是一種非參數統計檢驗方法，用于預測各種氣象要素(如溫度、降水和氣壓等)的時間序列數據的長期趨勢。變量不一定具有正態分布特征，少數異常值不會影響它們，因此它們可以應用于非正態分布的趨勢分析，如水文變量和氣象要素的趨勢分析。其計算過程簡單，檢測范圍寬，干擾度小，定量程度高[6]。

2.2.2 降水量距平百分率(Pa)

降水量距平百分率(Pa)反映的是某時段內的降水同平均狀態的偏離程度[7]，依據其數值可劃分旱澇等級，見表1。其計算公式為

(1)

表1 降水量距平百分率Pa等級劃分

3 降水量時間變化特征分析

3.1 降水量年際變化特征

圖1 四子王旗年均降水量變化特征

四子王旗1961—2018年平均降水量為334.4mm，年平均降水量呈緩慢增加的趨勢，趨勢方程為y=0.2187x+328.05，平均年降水量以0.2187mm/a的速率增加，58年內增加了12.68mm，增加趨勢不顯著。該地區年均降水量年際變化較大，年降水量的最大值出現在2003年，降水量為532.8mm，降水量最小值出現在1965年，降水量為161.7mm，兩者相差371.1mm。從四子王旗年均降水量變化的5年滑動平均曲線(見圖1)可以看出，1961—1981年年平均降水量波動幅度較大且呈緩慢上升趨勢，1982—2001年年平均降水量波動較小，2002—2018年年平均降水量波動幅度較大且呈減小趨勢。

圖2 四子王旗年均降水量距平百分率

圖2為四子王旗1961—2018年年均降水量距平百分率，58年間年降水距平百分率正負相間，且大部分在-50%～50%之間。由表2可知四子王旗降水整體處于正常水平，其中距平百分率最接近50%的年份，即降水偏澇的年份為1961年、1976年、2003年和2012年，對應的距平百分率分別為49.86%、46.73%、70.33%和44.66%，其中2003年為大澇，降水量達到了532.8mm。距平百分率最接近-50%的年份，即降水偏旱的年份為1965年，對應的距平百分率為-48.31%，降水量為161.7mm。整體來看，1961—1981年以及2002—2018年降水量偏多和偏少交替出現，且整體偏澇，1982—2001年降水量基本正常。

表2 四子王旗不同時間尺度降水量特征值統計

3.2 降水量季節變化特征

為進一步分析年內不同時間段降水量的變化趨勢，將整個研究時段分為春、夏、秋、冬4個季節進行分析，見圖3。

圖3 四子王旗不同季節降水量變化特征

由表2可知，四季的降水變化傾向率只有夏季為負值，其余三季均為正值，說明夏季降水量呈緩慢下降趨勢，而其他三季降水量則呈緩慢增加趨勢，從四子王旗各季節平均降水量變化的5年滑動曲線可以看出，流域各季節平均降水量具有不同的階段性變化特征。圖3(a)為春季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動曲線可以看出，1961—1991年降水量波動較小，1992—2018年降水量波動較大，并且在后段時間出現了降水的最大最小值交替，最大季節降水量出現在2003年，為127.6mm，最小季節降水量出現在1993年，為11.7mm，所以春季降水最大振幅為115.9mm。圖3(b)為夏季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動曲線可以看出，1961—1981年以及2002—2018年降水量波動較大，并且在這兩段時間出現了多次降水的枯豐交替，1982—2001年降水量波動較小，降水量偏少，整體為下降趨勢。圖3(c)為秋季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動曲線可以看出，在整個時間段內降水的波動幅度比較大，在1961—1986年有一個較大的振幅，為先增大后減小的趨勢， 1987年以后降水量有回升跡象，且整體為上升趨勢。圖3(d)為冬季降水變化特征圖，從圖中降水量變化的5年滑動曲線可以看出，降水量整體呈較平穩的變化狀態，總體來說降水量偏少，且為緩慢上升趨勢。

3.3 降水量季節變化Mann-Kendall檢驗

對1961—2018年春、夏、秋、冬四季降水量進行Mann-Kendall非參數統計檢測，結果見圖4。在置信水平0.05的基礎上，四季降水量的UF和UB曲線存在多個交點，所有的交點都在置信區間內，表明降水存在多個突變點，振蕩劇烈。

圖4 四子王旗近不同季節降水量突變檢驗

圖4(a)為四子王旗近58年春季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個時間域內共有12個交點，并且大多集中在1985年過后，說明在1985—2018年的時間段里降水量振蕩較為劇烈；從整個時間段來看存在3個影響較大的突變點，分別在1965年、1993年和1998年，其中1965年和1993年降水量由多向少轉變，1998年為降水量由少向多轉變。圖4(b)為四子王旗近58年夏季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個時間域內共有7個交點，全部集中在1998年之前，在1961—1998年之間降水量發生多次枯-豐交替，但是每次枯水年或者豐水年持續時間都不長；1998年降水由多向少轉變，并且持續時間較長，對整個降水事件影響最大。圖4(c)為四子王旗近58年秋季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個時間域內共有3個交點，說明在整個時間段內秋季降水較為平緩，振蕩較小；1974年降水量由多向少轉變，并且持續時間較長，2010年降水由少向多轉變，降水量逐漸增多。圖4(d)為四子王旗近58年冬季降水量突變情況，從圖中可以看出，整個時間域內共有5個交點，全部集中在1986年之后，在1997年降水量由少向多轉變，對整個時間段的影響最深。

4 結 論

本文對四子王旗降水量隨時間變化特征進行研究后得出如下結論：

a.四子王旗1961—2018年平均降水量為334.4mm，整體呈緩慢增加的趨勢，且年降水量變化傾向率為0.2187mm/a；整體來看，1961—1981年降水量呈緩慢上升趨勢，1982—2001年降水量波動較小，2002—2018年呈減小趨勢。

b.從降水量距平百分率來看，1961年、1976年和2012年整體偏澇，距平百分率分別為49.86%、46.73%和44.66%，2003年為大澇，距平百分率為70.33%，降水量達到了532.8mm；1965年整體偏旱，對應距平百分率為-48.31%，降水量僅為161.7mm。

c.春、夏、秋、冬四季的降水變化傾向率分別為0.167mm/a、-0.355mm/a、0.377mm/a和0.030mm/a，只有夏季為負值，其余三季均為正值，說明夏季降水量呈緩慢下降趨勢，而其他三季降水量則呈緩慢增加趨勢。

d.對春、夏、秋、冬四季1961—2018年降水量進行Mann-Kendall非參數統計檢測，結果顯示四季降水量的UF和UB曲線分別存在12個、7個、3個和5個交點，降水量隨時間變化明顯，振蕩劇烈。