固原市原州區近60 a降水變化特征分析

王 充, 燕寧娜*, 李超超, 申若竹

(1.寧夏大學土木與水利工程學院, 銀川 750021,2. 北京首創股份有限公司,北京 100044)

中國地域遼闊,不同區域的地理環境和氣候條件差異較大,從而不同區域的降水變化特征也呈現出多樣性。隨著全球氣候變化和人類活動影響的加劇,各地的降水等氣象水文要素發生著顯著的變化。Krishan等[1]指出正確的水資源潛力分析是有效規劃、防洪與控制、高效水資源管理的重中之重,而降水分析是水資源潛力分析的基礎。Hossein等[2]認為從科學和實際的角度分析降水時間序列的時空變異性非常重要,采用M-K(Mann-Kendall)檢驗、Sen’s斜率估計和線性回歸對伊朗41個雨量站1966—2005年降水趨勢進行了分析。中國學者從不同的角度和范圍對降水特征做了諸多研究。劉濛濛等[3]從逐月降水量和降水日數的角度,對巴音布魯克站點的降水特征進行分析。劉惠英等[4]研究了香溪河流域不同時間段的降雨量變化特征。莫崇勛等[5]重點關注了澄碧河流域的極端降水情況,采用線性趨勢、M-K、Morlet小波分析及Pearson相關系數等方法對其趨勢、突變和周期進行綜合分析。針對固原市的氣候特征,目前部分學者在酸雨[6]、雷暴[7]、暴雪[8]、大霧[9]等方面做了研究探討,但是對降水量特征規律的分析研究較少。開展固原市原州區降水特征分析,對當地的農業生產、自然災害預防、水資源可持續利用及海綿城市建設都有著重要的參考價值。

1 研究區概況

固原市位于寧夏回族自治區南部,黃土高原中西部,是古代絲綢之路東段北道必經之地。原州區是固原市政治、經濟、文化中心和寧南區域中心城市核心區(圖1)。原州區氣候屬于黃土高原暖溫半干旱區。全年大部分時間受高壓西北風環流和青藏高原大氣團的影響和控制,地域范圍內降水量小、蒸發量大,空氣濕度低,大陸性氣候特征顯著,四季分明。其年平均氣溫為6.8 ℃,無霜期在120～140 d。降水年內分配不均,年平均降水量在300～550 mm,自南向北逐漸減少,年平均蒸發量1 200～1 800 mm[10]。

圖1 固原市原州區區位圖Fig.1 Location map of Yuanzhou District in Guyuan City

2 數據與方法

2.1 數據資料來源

研究數據來自固原市原州區國家基準氣候站1957—2016年的逐日降雨監測資料。該站于1956年10月建成使用,全面地記錄了各項地面氣象監測數據。按氣象部門的標準劃分四季時段,即春季3—5月,夏季6—8月,秋季9—11月,冬季12—次年2月。根據寧夏回族自治區水利廳的防汛抗旱手冊[11],確定汛期時間為6—9月。對原始降水數據進行處理,分別對各個季節和汛期的降水量平均值、最大值、最小值、變差系數等進行統計分析,得到原州區降水量的特征值。

2.2 分析方法

2.2.1 趨勢分析方法

趨勢分析采用線性回歸方程和M-K趨勢檢驗法。線性回歸是一種比較簡單基礎的傳統分析方法,即通過降水量時間序列的線性方程,推斷趨勢走向[12]。M-K趨勢檢驗分析是一種非參數檢驗方法,其憑借很少受異常值干擾,也不受數據分布特征影響的特點,已被世界氣象組織推薦并已廣泛使用[13]。該方法計算得到的特征統計量Z常用于分析水文和氣象要素時間序列的趨勢變化[14]。

2.2.2 突變分析方法

M-K突變檢驗法具有檢驗范圍寬、定量化程度高及人為性小等特點,是目前突變性檢驗方法中應用較多且理論意義最為明顯的一種[15-16]。對于具有n個樣本量的時間序列,可構造一秩序列:

式(1)中：

由式(1)可將秩序列sk理解為第i時刻的數值大于j時刻的數值的累計個數。

在時間序列隨機獨立的假定下,UFk、UBk為變化趨勢統計量,定義統計量：

式(3)中:UF1=0;E(sk)、var(sk)是累計數sk的均值和方差。當x1,x2,…，xn相互獨立,存在相同且連續分布時,E(sk)、var(sk)可計算如下:

最后按時間序列x逆序排列,再重復以上計算過程,并使UBk=-UFk(k=n,n-1,…，1),UB1=0。由UFk和UBk值生成UF和UB兩條曲線,如果兩條曲線出現交叉點,并且交叉點在臨界線之間,交點對應的時刻可能就是突變發生的開始時間。進一步利用累積距平曲線和滑動t檢驗法對原州區的年降水量時間序列突變的置信度進行檢驗,驗證突變點的真偽,增強突變分析結果的置信度[17]。

3 結果與分析

3.1 降水量基本特征

固原市原州區國家基準氣候站提供的1957—2016年年降水量如圖2所示。原州區春季降水稀少,夏季雨量集中,秋季短暫雨量適中,冬季寒冷漫長降水稀缺,各個季節間差異性較大,多年降水特征如表1所示。原州區多年平均降水量為439.6 mm,且降水年際變化很大,在統計時段內最大和最小年降水量比值達到了2.82。汛期降水量在全年占比達到72.8%。冬季降水量變化最為劇烈,變差系數達到了0.89。冬季降水的變幅最大,最大值和最小值的比值達到128。春秋兩季次之,變差系數為0.46和0.45。夏季和汛期降水量的變差系數相對較小,變幅不大。

圖2 原州區1957—2016年歷年降水量Fig.2 Annual precipitation of Yuanzhou District from 1957 to 2016

表1 原州區1957—2016年降水量特征值Table 1 Characteristic value of precipitation in Yuanzhou District from 1957 to 2016

原州區多年月平均降水量的年內變化如圖3所示。全年最小降水月為12月,占全年總降水量的0.3%；最大降水月為8月,占全年總降水量的23.7%。從年初開始,月均降水量逐月增加,在8月達到峰值之后逐漸減少,呈現單峰值波動。綜合上述特征,可以看出原州區是一個旱、澇災害頻發的區域。

圖3 原州區各月平均降水量Fig.3 Average precipitation of different months in Yuanzhou District

3.2 降雨的趨勢分析

對原州區1957—2016年降水量時間序列分別采用M-K趨勢檢驗和線性回歸方程兩種方法計算出年均和年內各個時段的統計值Z和斜率b,并取95%置信度進行顯著性分析,結果如表2所示。由表2數據可以看出原州區年降水量呈下降趨勢,年降水量多年平均減少幅度在0.1～0.2 mm/a,但是沒有通過α=0.05的顯著性水平檢驗,說明原州區年降雨量雖然處于緩慢減少的趨勢,但是并不顯著。其他時段中,春、秋、冬季節的Z為正,且和線性方程斜率一致,說明這3個季節的多年降水量呈上升趨勢；而夏季和汛期的Z為負,表明這兩個時段的多年降水量呈下降趨勢。除了冬季的統計值Z大于1.96,上升趨勢顯著,其他各時段的Z值絕對值都小于1.96,變化趨勢不顯著。

表2 原州區各時段趨勢分析統計參數Table 2 Statistical parameters of trend Analysis in each period of Yuanzhou District

各個時段的線性回歸和5 a滑動平均如圖4所示。從圖4中可以看出,不管是線性方程還是5 a滑動平均,各時段的降水量變化趨勢與M-K趨勢分析統計值的結果一致。

圖4 原州區各時段降水趨勢分析Fig.4 Analysis of precipitation trend in each period in Yuanzhou District

(1)年均降水量基本維持穩定狀態,有略微的下降趨勢。通過5 a滑動平均曲線可以看出，1966—1970年、2002—2007年呈下降趨勢,1957—1966年、1970—1979年、2007—2016年呈緩慢上升趨勢,1979—2002年呈波動變化。

(2)汛期降水量呈下降趨勢,減少速率為0.91 mm/a。由于汛期降水量在全年降水量的占比高達72.8%,所以各時期變化趨勢基本同年均降水量變化趨勢相近。僅有1979—1989年與年均降水量變化不同,表現出明顯的下降趨勢,導致汛期降水量的整體下降趨勢較年均降水量更為明顯。

(3)春季降水量呈上升趨勢,增加速率為0.21 mm/a。從5 a滑動平均曲線可以看出，在1978—1989年呈波動上升趨勢,2009年之后呈直線上升趨勢,1989—1994年呈直線下降趨勢,其他年份段呈波動行變化,無明顯的增減趨勢。

(4)夏季降水量呈下降趨勢,減少速率為0.69 mm/a。其5 a滑動平均曲線呈現出較為明顯的三峰值,分別對應的是1966、1979、1994年,說明這3年處于降水量豐沛的年份間。1994年至今,降水量處于波動下降趨勢。

(5)秋季降水量基本維持穩定狀態,有略微上升的趨勢。1957—1963和1971—1976年呈直線上升趨勢,1963—1971和1976—1997年呈直線下降趨勢。1997年至今,降水量處于波動上升趨勢。

(6)冬季降水量呈上升趨勢,增加速率為0.29 mm/a。1977年以前,冬季降水量基本為0,1978—1989年降水量呈波動上升趨勢,上升幅度較大。1990—1997年呈波動下降趨勢。1998年至今一直呈波動上升趨勢。

3.3 研究區降雨的突變分析

對各時段降水數據采用M-K突變分析方法,分別計算出UFk和UBk值,觀察突變點位置,結合α=0.05的顯著性分析,推斷出可能發生突變的年份,結果如圖5所示。

圖5 原州區各時段M-K突變點檢驗分析Fig.5 M-K mutation point of each period in Yuanzhou District

(1)從圖5(a)可以看出,M-K統計量UFk和UBk分別在1967、1984、1991、2012年前后出現了交點,表明年降水量在以上年份附近發生了突變,但因均在臨界值范圍內,所以突變并不顯著。

(2)汛期降水量的突變時間發生在1972、1983、1992、2013年前后。由于汛期降水量在全年降水量所占比重較大,所以和年降水量發生突變的時間點相近。從5 a滑動平均曲線也可以看出,1972年前降水量呈下降趨勢,之后呈上升趨勢。但由于交點的M-K統計量均在臨界值范圍內,所以突變表現不顯著。

(3)春季降水量波動頻繁,突變分析圖呈現的交點較多,主要分布在1966、1982、1991、2014年前后,突變時間與變化趨勢基本相吻合。

(4)夏季降水量突變分析[圖5(d)]中在1968、1979、1991、2000年附近有明顯的相交,和趨勢分析中3次降水量峰值出現的時間相近,可以結合5 a滑動平均曲線確定出突變年份。

(5)秋季降水量突變發生在1968年和2010年附近。1979—1998年的降水量M-K統計值超出了臨界線,說明在該時段秋季降水量的下降趨勢顯著,這與趨勢分析的結果相一致。

(6)冬季降水量突變發生在1997年。同趨勢分析相近的是1997年前降水量有下降趨勢,之后一直為上升趨勢。且交點位置在臨界線以外,突變顯著。

在突變檢驗中,各時段的M-K統計量均存在多個交點,這是由于M-K突變分析法的檢測范圍較寬且檢測結果較為客觀。從趨勢檢驗中可以看出,各時段降雨量的變化波動較為復雜,故存在多個突變點是比較合理的。為了驗證突變點的置信度,且由于均值突變能較好地反映降水的基本狀況變化,因此利用累積距平曲線和滑動t檢驗法對原州區1957—2016年降水時間序列進行突變分析。其中滑動t檢驗法依據資料長度取滑動步長為5 a,以α=0.01為突變的顯著水平,選出滑動統計量t較大的年份確定為突變年。3種方法得出的各時段可能發生突變的年份如表3所示。

從3種突變檢驗方法結果中可以看出,不同方法得到的突變年份結果有所差異。經過3種方法的綜合分析,可以得出各個時段的突變年份具體如下:年降水量突變年發生在1967、2012年,1967年之后降水量逐年遞減,2012年后降水量有所增加；汛期降水量突變年發生在1968、1991年,1968年之后降水量逐年遞減,1991年之后降水量有所增加；春季降水量突變年發生在1982、1991年,1982年后降水量逐年遞增,1991年后呈下降趨勢；夏季降水量突變年發生在1991、1996年,1991年后降水量呈增加趨勢,1996年后呈下降趨勢；秋季降水量突變年發生在1967、2006年,1967年后降水量呈減少趨勢,2006年后降水量呈增加趨勢；冬季降水量突變年發生在1979年,1979年后降水量呈明顯的增加趨勢。

表3 原州區各時段降水量發生突變年份Table 3 Abrupt change of precipitation of each period in Yuanzhou District

4 結論

(1)原州區60 a來平均降水量為439.6 mm,且以0.17 mm/a的平均速率在逐年遞減。年降水量的72.8%集中在汛期(6—9月),冬季降水量最少,僅占年降水量的1.6%。變差系數以冬季最高,春季、秋季、夏季和汛期依次降低。年降水總量和汛期、夏季降水量呈減小趨勢；春季、秋季和冬季的降水量呈增加趨勢,除冬季外,其他時間段的變化趨勢并不顯著。不同時段的降水量突變年份有所差異,但也存在一定的相似性。其中年降水和汛期、秋季降水突變發生的年份比較接近,春、夏和汛期均在1991年發生突變。冬季降水在1979年發生顯著的突變。

(2)原州區降水高度集中在汛期和夏季,城區要充分做好防洪排澇工作。與此同時要進一步考慮雨水的合理利用,以實現社會經濟的可持續協調發展。固原市作為西北地區4個海綿城市建設試點之一,要充分結合實地情況,探索在降水量集中、年間降水量波動較大等地區特征的建設經驗與運行情況,為以后半干旱地區海綿城市建設技術的推廣打好基礎。

(3)盡管原州區的降水量呈緩慢的下降趨勢,但從近幾年的降水實測數據來看,突發暴雨的頻率有所增加。所以要引起防汛、氣象、市政等相關部分的高度重視,在監測手段和防汛預警能力方面都需要進一步加強。