承德市降雨量時(shí)間序列特征分析

劉劍達(dá)

（河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000）

降雨作為重要的氣候資源，為生態(tài)環(huán)境健康與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展提供資源支撐［1-2］。然而近現(xiàn)代以來(lái)工業(yè)化迅速發(fā)展、人口膨脹等因素深刻影響了氣候系統(tǒng)歷史穩(wěn)定機(jī)制，從而改變了局地乃至全球的降雨過(guò)程模式。政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）研究指出，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已成事實(shí)［3-4］，與此同時(shí)局部地區(qū)降雨豐度與分布特征也在發(fā)生著潛移默化的改變［5］。研究降水的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)分析氣候變化的社會(huì)響應(yīng)具有重要意義。本文以承德市為案例，探究該地降雨時(shí)間變化與空間特征，以期為降雨預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

承德地處河北省東北部，處于華北和東北兩個(gè)地區(qū)的連接過(guò)渡地帶，地近京津，背靠蒙遼，省內(nèi)與秦皇島、唐山兩個(gè)沿海城市和張家口市相鄰。城市跨度從北至南269km，從西往東280km。行政區(qū)域面積39702.4km2，占河北省總面積的21.15%。

2 資料來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

從國(guó)家氣象中心數(shù)據(jù)網(wǎng)站提供了全國(guó)各地有效的地面氣象觀測(cè)資料，從中提取了承德市內(nèi)的氣象站點(diǎn)及其降水資料。資料源的時(shí)間分辨率為逐月的，時(shí)間域?yàn)?951～2018，共計(jì)9個(gè)站點(diǎn)。其中部分氣象資料中部分日數(shù)據(jù)存在缺漏，運(yùn)用3次樣條函數(shù)法內(nèi)插處理。分析逐月降水量數(shù)據(jù)，并計(jì)算各季節(jié)降水量，其中季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)為：3～5月為春季；6～8月為夏季；9～11月為秋季；12月～次年2月為冬季，并采用線性回歸方法繪制其變化趨勢(shì)圖。

2.1 承德市降雨量線性趨勢(shì)特征

圖1為承德市1951～2018年降水量時(shí)間序列變化。可知春季降雨量介于25.9mm（1955年）～232.1mm（2009年），最大最小值相差9.7倍，其平均值為24.07，變異系數(shù)58.15%，呈中等程度變異，近67年間的綜合趨勢(shì)為y=0.6319x-1156.2，R2=0.0655，但并未通過(guò)5%水平信度檢驗(yàn)。夏季降水量最高值出現(xiàn)在1962年，為876.9mm，最低值為1968年的99.2mm，另外1978，1987，1996，2004，2010年夏季降水異常豐富，高出平均水平的45%～85%；1955，1989，2002年均為歷史極低水平，低于平均值的35%～55%。夏季降水量達(dá)452.95±165.60mm，變異性為36.56%，降雨量占年降雨量的65.52%，這種集中性強(qiáng)、強(qiáng)度大的降雨特征易于引發(fā)洪澇災(zāi)害；其宏觀趨勢(shì)表明呈弱增加特征（y=0.8386x-1211.2，R2=0.1）。夏季過(guò)后季風(fēng)對(duì)區(qū)域的影響逐漸減弱，因而降雨量銳減，秋季降水量?jī)H116.31±64.87mm，變異系數(shù)達(dá)55.78%。近67年來(lái)秋季降水量異常高值典型年為1961，2003，2005年，降雨量達(dá)299.5，283.1，312.9mm； 異常低值的典型年為1957，1981，1998，2006年，其降雨量不足35mm。 秋季降雨量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)（y=-0.3374x+785.98，R2=0.0106），但并不顯著。冬季降雨量最少，僅占全年的3.45%，然而具有較高的變異性，變異系數(shù)達(dá)為58.15%。其中1995和 1999 年 冬 季 降 雨 不 足 1mm，1951，1979，1990，2001，2016年表現(xiàn)出異常高值，降雨達(dá)到54.9～66.5mm之間，綜合來(lái)看其波動(dòng)性較大。冬季降雨的傾向趨勢(shì)為y=-0.0226x+68.842，R2=0.001。承德市年降雨量變化區(qū)間為320.7mm（1968年）～1159.2mm（1962年），其平均水平為691.24±189.19mm，變異系數(shù)為27.37%，呈中等變異性；近67年來(lái)區(qū)域降雨變化趨勢(shì)為y=1.1105x-1512.6，R2=0.0135，趨勢(shì)并不顯著。

圖1 承德市降雨量?jī)A向趨勢(shì)

2.2 承德市降雨量周期性分析

周期性特征是降水量時(shí)間序列變化的內(nèi)在規(guī)律之一，是降雨變化的系統(tǒng)性特征，這對(duì)中長(zhǎng)期水資源調(diào)配、氣候預(yù)測(cè)、氣象災(zāi)害防御具有重要意義。運(yùn)用Morlet小波核函數(shù)識(shí)別承德市年、季降水量震蕩周期，結(jié)果如圖2。圖中閉合曲線為Morlet小波信號(hào)，其指示了循環(huán)周期的分布，就年降雨量來(lái)看圖2（a），其主周期為5a，在各年代均顯著；其次是10a的周期。春季降水量的主周期為5a，另外有13a和20a兩個(gè)次周期。秋季降水量以10a的周期最顯著，冬季降水量以3a的周期顯著。綜合來(lái)看，區(qū)域降水量的顯著周期主要是3～5a的短周期，而長(zhǎng)周期不顯著，這也反映了區(qū)域降水量變異性頻繁。

圖2 承德市降水量周期性特征

3 結(jié)語(yǔ)

研究了1951～2018年承德市降雨量過(guò)程變化，結(jié)果顯示區(qū)域年際與春夏季節(jié)降雨量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而秋冬季節(jié)降雨量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性，這表明該地區(qū)降雨量宏觀趨勢(shì)尚不清晰，有待深入解析。然而值得確定的是，區(qū)域降雨量具有明顯的波動(dòng)性，其震蕩周期較短的特征也增加了總體趨勢(shì)的復(fù)雜性，這可能與氣候變化有密切聯(lián)系。降雨過(guò)程模式的改變具有漸進(jìn)性、突變性特征，然而這對(duì)生態(tài)環(huán)境、居民生活有重大影響，應(yīng)注重提升城市對(duì)極端降水的應(yīng)對(duì)能力。