基于Mann-Kendall的秦皇島市降水多時間尺度分析

蘇萬磊

(河北省秦皇島水文勘測研究中心，河北 秦皇島 066000)

1 概 述

氣候變化和人類活動導致世界許多地區水資源日益短缺。在過去的幾十年已經進行了許多研究，以確定不同地理區域氣候變化的趨勢和變異性[1-3]。這些研究大多是通過分析氣候和水文要素，如降水、氣溫、土壤濕度和地表徑流進行的，降水被認為是地表徑流和其他水資源可變性和有效性的最重要驅動力之一[4-5]。由于降水量呈下降趨勢，分布不均，部分流域生態環境問題嚴重，中國北方海河流域是我國面臨嚴重缺水問題的地區之一。本文以秦皇島為研究對象，秦皇島市屬于海河流域同時也為沿海城市，由于該地區人口較多，經濟增長迅速，水資源可利用性有限，多年平均水資源總量為15.37×108m3，人均水資源量僅為535 m3/a，為全國平均水平的1/4，為全球平均水平的1/14。生態環境退化是由于該地區地表水不足和地下水過度開采造成的。由于缺乏對降水時空變化的綜合分析，無法對水庫進行系統管理，導致流域水資源利用效率低下。

在本研究中，分析3個氣象站1961-2019年的月降水量和年降水量，以獲得可靠的估計值，來描述秦皇島市降水趨勢和分布。本研究的目標是：①通過識別研究區域內降水的總體趨勢和分布來描述其變化；②分析降水的季節性及其隨時間和空間的變化。本文的研究結果可為水資源規劃與管理提供參考與借鑒。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文擬利用市區及周邊地區的3個氣象站點(秦皇島、昌黎、撫寧)1961-2019年逐月降水實測資料，運用算術平均構建該流域月、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，對秦皇島市降水量分布與旱澇災害進行研究。本文采用的月降水量資料來源于中國氣象科學數據服務共享網，各站點降水要素均具有較好的連續性。

2.2 研究方法

本文以秦皇島市近59年的逐月降水量數據為基礎，分別對區域的季、年際的年平均降雨量進行線性回歸分析以及對年均降雨量年代際的分析，試圖在季、年際、年代際等不同時間角度劃分下分析降水量變化特征，運用Mann-Kendall趨勢檢驗的序列檢驗和線性回歸分析，確定研究區降水量的突變和時間趨勢。

3 降水量時間變化特征

3.1 降水量的季節變化特征

秦皇島市季平均降水量差異大，四季降水量占比見圖1。其中，夏季降水量占絕對的優勢，其次是秋季和春季，冬季的降水比重最少。從4個季節的平均降水量變化趨勢來看，四季均呈減少趨勢，但減少的幅度不同，其中春秋冬季分別為-0.7、-2.3和-0.3 mm/10a，傾斜率變化未通過α=0.05的顯著性水平檢驗，說明降水量減少趨勢不明顯；夏季降水量呈顯著減少，降水量變化為-13.8 mm/10 a(r=-0.34，P<0.05)。見表1。

圖1 秦皇島市降水四季占比

表1 3站點四季降水變化傾向率 /mm·a-1

由降水量的季節變化可知，秦皇島市近59年的降水量減少主要是以夏季的顯著減少為特點。由秦皇島市各季節平均降水量變化的5年移動曲線(圖2)可看出，流域各季節平均降水量具有不同的階段性變化特征。春季，最大季降水量為202.6 mm，發生在1990年；最小季節降水量為14.7 mm，發生在1965年，所以春季降水最大波動為187.9 mm。

圖2 秦皇島市四季多年平均降水變化趨勢

從圖2(a)中可以看出，1961-1976年及1991-2001年兩段時間降水波動較大，并且在后段時間出現降水的最大值，其余時間段為窄幅波動，降水量偏少，且為緩慢下降趨勢。夏季，最大季降水量為1 038.5 mm，發生在1969年；最小季節降水量為370.0 mm，發生在2015年，所以夏季降水最大波動為668.5 mm。

從圖2(b)中可以看出，1961-1976年及2006-2016年兩段時間降水波動較大，并且在這兩段時間出現多次降水的枯豐交替，其余時間段為窄幅波動，降水量偏少，整體為下降趨勢。秋季，最大季降水量為235.3 mm，發生在2012年；最小季節降水量為15.3 mm，發生在2006年，所以秋季降水最大波動為220.0 mm。

從圖2(c)中可以看出，在整個時間段內降水的波動幅度比較大，并且整體呈減少趨勢。冬季，最大季降水量為57.2 mm，發生在1979年；最小季節降水量為0.3 mm，發生在2019年，所以冬季降水最大波動為56.9 mm。

從圖2(d)中可以看出，總體來說降水量偏少，且為緩慢下降趨勢。

3.2 降水量年際變化特征

秦皇島市近59年的年平均降水量為642.3 mm，其線性變化呈減少趨勢，線性方程為y=-1.706 1x+693.47，平均年降水量以17.06/10 a的速率遞減，減少傾向率未通過α=0.05的顯著性水平檢驗，59年內減少100.65 mm，減少趨勢同樣不顯著。市區年均降水量年際變化較大，年均降水量的最大值為1 273.5 mm，出現在1969年；降水量最小值為352.0 mm，出現在2014年，兩者相差921.5 mm。從秦皇島市年均降水量變化的5年移動平均曲線(圖3)可以看出，1961-1981年以及2009-2019年年平均降水量震動幅度較大，1982-2010年年平均降水量波動較小，整體呈緩慢下降趨勢。

圖3 秦皇島市多年平均降水變化趨勢

運用市區及周邊3個站點近58年的降水資料對市區年均降水量進行M-K突變檢驗(圖4)發現，在置信水平0.05的基礎上，市區年平均降水量的UF和UB曲線僅存在一個交點，發生在1980年，且交點在置信區間內，在這一年降水量由多向少轉變，并且市區年平均降水量從1980年開始明顯減少，并且在1990-2010年長期處于相對枯水狀態。

圖4 秦皇島市多年降水突變檢驗

3.3 降水量年代際變化特征

由表2得出，秦皇島市區年代平均降水量變化較為平緩。其中20世紀60年代平均降水量值為711.6 mm，高出年平均降水量69.3 mm；20世紀90年代開始降水量減少明顯，且為年代最少，為563.5 mm。從季平均降水量的年代際變化可知，降水量主要集中在夏秋兩季節。春季平均降水量的年代際變化最大波動幅度為49.1 mm，其中以20世紀80年代季均降水最多，為111.2 mm；2110年以后春季均降水量最少，為62.1 mm。夏季平均降水量的年代際變化最大波動幅度為149.2 mm，其中以20世紀60年代季均降水最多，為527.4 mm；21世紀00年代降水量最少，為378.2 mm。秋季平均降水量的年代際變化最大波動幅度為24.9 mm，其中以20世紀60年代季均降水最多，為100.7 mm；20世紀90年代季均降水量最少，為75.8 mm。冬季平均降水量的年代際變化最大波動幅度最小為7.6 mm，各年代降水量較穩定，基本都在7～15 mm之間波動，進入少雨期。

表2 秦皇島市年平均降水量及季平均降水量的年代際變化 /mm

4 結 論

通過對秦皇島地區降水進行研究得出以下主要結論：

1) 秦皇島市季平均降水量差異大，春夏秋冬四季降水量占全年降水量的比值分別為15.4%、61.4%、18.3%和4.9%；且四季降水變化率為負，皆呈減少趨勢。

2) 秦皇島市1961-2019年的年平均降水量為642.3 mm，年平均降水量呈減少的趨勢，平均年降水量以17.06/10 a的速率遞減，年均降水量的最大值出現在1969年，降水量為1 273.5 mm；降水量最小值出現在2014年，降水量為352.0 mm，兩者相差921.5 mm。

3) 市區年代平均降水量變化較為平緩，20世紀60年代平均降水量值最高，90年代開始降水量減少明顯，且為年代最少。

4) 降水突變發生在1980年，降水量由多向少轉變，并且市區年平均降水量從1980年開始明顯減少，并且在1990-2010年長期處于相對枯水狀態。