重慶城市化對指數化降水變率及新增雨系數影響的研究

張帷涵 金琳 巨娟麗 崔晨風 劉家璇

摘 要：為了探究城市化進程對城市降水量的影響，使用簡單移動平均法探究分區研究的可靠性和代表性;改進降水變率和增雨系數，定義2個全新的年際衡量指標—指數化降水變率，新增雨系數，從定性和定量2個角度研究城市化對二者的影響及相關關系。結果表明：重慶市城市化的水平受多方面的影響，在時間序列上呈現穩步上升的趨勢，如今已處于成熟階段并趨于穩定狀態。重慶市城市化進程促進同期的新增雨系數的增加，抑制城市中指數化降水變率的變化，使得年平均降水量在小范圍內波動，可通過控制城市化的發展進程協調城市降水量與降水變率，進而合理管控水資源循環過程，調整城市生態環境，改善人們生活環境，促進社會全面健康可持續發展。

關鍵詞：指數化降雨變率;新增雨系數;簡單移動平均法

中圖分類號 P426.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）04-0142-05

Abstract： To explore the impact of urbanization on urban precipitation，the simple moving average method are used to explore the reliability and representativeness of zoning research;precipitation variability and precipitation enhancement coefficient are improved;two new inter-annual metrics are defined—indexed rainfall variability， new rainfall coefficient;the impact of urbanization on the two and the related relationship from both qualitative and quantitative perspectives are studied.Research indicates： the level of urbanization in Chongqing is affected by many aspects， there is a steady upward trend in the time series，it is in a mature stage and tends to be stable.The urbanization process of Chongqing promotes the increase of the new rainfall coefficient during the same period， suppresses the change of indexed precipitation variability in the city， and the average annual precipitation fluctuate are made in a small range.The urban precipitation and precipitation variability can be coordinated by controlling the development process of urbanization， the cycle of water resources can be rationally controlled ， the urban ecological environment can be adjusted ， the people′s living environment can be improved， and? the comprehensive and healthy development of society can be promoted.

Key words： Indexed rainfall variability; New rainfall coefficient; Simple moving average method

1 引言

城市化是拉動中國經濟最重要的一個領域和空間，也是轉變經濟發展方式，調整優化結構的載體，城市化集群效應是區域經濟發展的有效帶動力，因此發展城市化對于整個國民經濟的平衡是至關重要的。隨著城市化的全面推廣，一些不合理的城市化行為引起下墊面條件及小氣候情況發生變化，造成水資源緊缺、污染等一系列生態水文問題，加大了人類活動對環境產生的壓力，極大的阻礙了城市化發展。

近年來，國內外關于城市化對城市降水的影響已有許多研究，在國外Jeremy E. Diem[1]研究發現隨著城市化的發展出現極端降水天氣的次數在增加，降水量增加的趨勢也處于整體增長狀態;Wolfgang Enke[2]通過進行檢測發現存在城市化增雨現象;Chao Lin Zhang[3]在多種下墊面情境下分析了城市的擴張對極端降水的影響;在國內趙娜[4]通過分析北京市城區郊區多種氣候指標的變化趨勢和特點，探討了城市化對背景區域氣候發展產生的影響;彭莉莉[5]采用百分位法分析極端強降水閾值，研究城市化發展的2個時期與地區四季降水特征的關系。

目前關于城市化與極端降水的研究成果基本揭示了極端天氣出現頻次的變化規律及區域降水閾值的情況，但關于城市化發展水平對降水量增量及降水變化速率影響的研究較少，本研究深入探究城市化進程對降水量增量及降水變化速率影響，為重慶氣象災害的預報、生態環境的建設、水資源的管理與利用等方面提供科學依據。

2 數據和方法

2.1 數據來源及分區[6] 重慶位于長江上游地區，地貌多以丘陵、山地為主，坡地面積較大，年平均降水量較豐富，年平均相對濕度多在70%～80%，在中國屬高濕區，因其豐富的氣候資源面臨頻繁的氣象災難。本文選取重慶地域東經105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′的21個站點，根據重慶統計年鑒所提供的1997—2017年各站點的經緯度，篩選出城區11個站點和郊區10個站點;在中國氣象共享網中得出各站點對應的1997—2017年的年平均降水量數據。

2.2 主成分分析法[7] 主成分分析法通過對原來多個變量的數據進行降維處理，最終得到能夠在最大程度上解釋原始數據方差的少量綜合指標。因為衡量城市化水平的大部分變量之間可能存在著某種相關關系，且數據占據空間較為龐大，如果將全部數據都帶入公式中可能會影響模型最終結果的精度，因此本文選用主成分分析法簡化衡量指標。通過使用SPSS軟件，得出KMO檢驗的數值結果為0.818>0.8，可以進行主成分分析。

2.3 移動平均法[8] 移動平均法是按照時間域的排列情況進行合理的推演移動，通過計算各部分的時序平均數來反映其長期變化趨勢的方法。由于年平均降水量數據受周期變化和無規律變動的影響，數據波動較不穩定且不易顯示出整體的變化情況，因此本文選擇使用簡單移動平均法來消除無關變動因素的影響，從而對降水量長期趨勢進行合理且客觀的分析和預測。

2.4 降水變率[9] 通過對比城區和郊區年平均降水量，得出年平均降水量的變化趨勢，降水變率可以在此基礎上反映出重慶市降水量的變化速度和程度。

降雨變率為：

Im=[PmQm]（m=1997，1998…2017） （1）

降水變率是在時間序列中，各年降水量的距平數與多年平均降水量比值的百分比。Im為降水變率;Pm為各年降水量的距平數，Qm為多年的平均降水量。降水變率的大小可以反映降水的年際降水的變化特征的穩定程度，降水變率大則說明降水量變化情況較為明顯，降水特征不穩定，反之可得降雨變率小的情況，因此可以通過降水率的正負來判斷降水量的增減情況，降水率的絕對值反映變化程度。

2.5 指數化降雨變率 由于降水變率的負值增減情況與其絕對值的增減情況正好相反，負值的降水率絕對值越大，反映的變化程度本應越大，其數值反而越小，這對于數據結果的分析產生一定的影響。本文改進了降雨變率，在此基礎上定義了全新的指標即“指數化降水變率”，它將所有的降水變率進行指數化，在正向化的同時放大其變化情況，使降水變率的結果更加直觀真實。

指數化降雨變率為：

Wm=[eIm]-0.5 （2）

以前的降水變率由正負值來分析和判斷降水量變化的快慢，但是由于正負增減規律恰好相反，會對結果的分析產生干擾。而本文改進了降水變率，定義的指數化后的降水變率，放大了數據的變化規律且將結果正向化，從而可以直接進行不同年份之間的比較，降水變率的變化情況更加明顯，有利于得出豐富且準確的結論。

2.6 新增雨系數 定性分析了降水量的變化趨勢后，需要定量研究降水量變化的多少。本文通過定義新增雨系數來定量分析重慶市的城市化情況對城區和郊區降水量的橫向影響效果。

新增雨系數為：

R增=ln[K城K郊] （3）

R增表示新增雨系數，[K城]，[K郊]分別表示城區和郊區各自的年平均降水量，新增雨系數的理論取值分兩部分，當[K城]>[K郊]時，R增>0，表示城區的降水量大于郊區的降水量，同理可得R增<0的情況。原始的增雨系數取值范圍為0～1，不能直接比較增雨系數，不利于對結果的觀察，本文改進后的新增雨系數利用對數的分布規則，將其取值范圍轉化為正負區間內，表現形式更加直觀明確且便于計算。

2.7 數據處理 因為各指標量綱不同，將城市化評價的5個指標從1997—2017年的數據導入SPSS進行標準化處理，計算指數化降水變率、新增雨系數時提取對應的數據在EXCEL中繪制散點圖;在SPSS中提取各主城分荷載得到荷載表;針對移動平均法，將數據導入MATLAB中，帶入代碼得出3年滑動平均曲線、5年滑動平均曲線。

4 結果與分析

4.1 城市化水平評價結果 將城市化得分和2個主成分所對應的指標全部進行標準化，將得分繪制成散點圖，得到2個主成分各指標得分的趨勢基本相符，驗證了主成分選取的可靠性，表示出城市化隨時間的變化情況即城市化水平整體呈逐年遞增的模式。

根據累積貢獻率原則，從上表中可以發現，通過SPSS處理數據得出的2個主成分累計貢獻率達到94.752%>85%，能夠累計解釋樣本94.752%的總變異，能夠進行主成分的提取。第一主成分的主要荷載分布于水泥，發電量，城鎮率。第二主成分荷載分布于本市生產總值和建設用地。將每年的各項指標標準化后的數據帶入主成分分析法的綜合評分公式[10]中，從時間角度對重慶市城市化程度進行綜合評價，得到城市化水平得分，將評價得分結果繪制成散點圖。

由城市化評價得分散點圖可以發現，從1997年重慶被設立為直轄市后，重慶市城市化水平呈現穩步上升的趨勢，并且在2007年增長速度逐年加快，由于2007年重慶市人民政府辦公廳出臺了市公安局解決進城農民工戶籍政策及三峽庫區移民的戶口遷移等規定。2017年后城市化評價得分逐漸趨于穩定，說明城市化發展工作已經取得了較大成果，基本實現全面建設城市化，相較于10年前的發展階段，此時城市化進程已處于成熟階段，因此進步速度沒有明顯加快。

4.2 城郊降水量變化趨勢 在分析城郊降水量變化趨勢之前應當確定城區郊區代表站選取是否具有可靠性和代表性[8]，需要排除城郊區間地形氣候等其他因素的影響。通過分別對比本文所選取的城區，郊區各站點降水量與重慶市年平均降水量之間的關系[8]，結合曲線圖可以發現，城區所選取的11個站點的平均降水量和郊區選取的10個站點的降水量與年降水量具有大致相同的變化趨勢。郊區21年平均降水量的平均值為1241.864mm，城區的21年平均降水量的平均值為1224.086mm。在整體時間序列中，年平均降水量雖沒有明顯的線性變化關系，但是降水量主要集中在1100mm～1550mm，大致范圍較為明確，總體的年平均降水量總體呈現逐漸減少的趨勢。1997—2007年的三種降水量在逐漸減少，并且在減少的過程中伴隨著小范圍變化現象;2007—2017年以后降水量有先增加后減少的趨勢，數據主要在1150mm上下輕微波動。因此可以得出結論，城區和郊區所選站點的降水量時間序列數據具有較好的一致性和可靠性，城區郊區的地形氣候等因素對降水量的研究影響不大，在接下來的對比研究中可以排除其他較小因素的作用效果，滿足本文的研究需求。

4.3 降水變率的時間序列變化特征[10] 對比城區郊區的降水變率可知，城區的降水變率范圍比郊區更大，但波動趨勢大致相同，說明城區的降水量變化比較不穩定，存在大幅度的變化，而郊區降水變率取值范圍較小，降水量較穩定。

通過上圖可以發現，正負值的降水變率經過指數化后都為正值，可以同時在坐標軸上方表示。因為增減規律相同，可以直接進行不同年份之間的比較，使得對比步驟更加方便簡潔。將數據結果進行放大后，降水變率的變化情況更加明顯，分析過程的依據更多，有利于得出豐富準確的結論。

隨著城市化近程度不斷推進，由上圖可以發現城郊兩區的指數化降水變率1997年達到最大值，從此之后整體呈逐年遞減的趨勢，與城市化隨時間變化遞增的趨勢完全相反。數據取值范圍大致在0.4～0.8，各極小值點的取值幾乎相同，整體水平較為穩定，1997—2007年的變化幅度明顯大于2007—2017年的變化幅度，且城區數值基本比郊區的數值大。指數化降水變率在1997、2001、2007年等出現了極大值，說明這些年的降雨情況比較不穩定。2007—2013年的恢復過程歷時較長，由于重大災害對生產生活產生了影響，使得大氣環境、下墊面、地表徑流等一系列環境因素產生變化，恢復過程需要大量時間。其中在城郊區中各有10年的指數化后降水變率大于平均值，約占所有年份的1/2，表明只有少數年份的變化情況較為復雜，整體趨勢依然保持較為穩定的變化。

因此得出結論，城市化的發展會降低城市的指數化降水變率，抑制城市中降水量的變化，使得年平均降水量趨于小范圍的波動狀態。城市化進程的推進帶動工業、生產業等多個領域中機械化、自動化多種人工智能技術的全面推廣，人民生產生活方式的全面改變導致人類活動對城市降水量的影響變得更有規律性。

由于重慶地區地處亞熱帶濕潤季風氣候區，降水變率一般應在10%左右，本文的數據結果以及曲線圖都可以驗證這一結論。降水變率主要在±10%范圍內變化，這種情況屬于正常范圍，降水變率超過±20%則處于異常狀態，應當引起相關部門的高度重視，因為發生大規模高強度的洪澇災害的可能性比較高，在進行水文預報等活動時，出現異常狀態的年份應當提前做好全方面的預防和準備工作，從而保障人民的人身財產安全。

4.4 新增雨系數結果分析 在1997—2017年，1997、2000、2001、2005、2007、2014年這6年的新增雨系數為負值，約占總時間域的0.28，說明只有少部分時間點發生了降水量減少的現象，大部分時間降水量都在逐年增加。1997—2007年，在這11年中新增雨系數為負值的年份占比0.45;而在2007—2017年這10年中該情況只占0.1，前11年所占比例比后10年所占比例的4倍還要多，因此降水量出現減少的年份主要集中在時間域的前半段。

新增雨系數可以反映該地區降水量的具體變化情況，作為研究地區降水量的一個有效指標，通過其時間序列的趨勢線可以發現新增雨系數的變化狀態符合重慶市城市化程度的發展情況，即城市化水平整體呈逐年增長的態勢。1997—2007年增長速度較為平穩，2007—2017年發展速度逐漸加快;新增雨系數的趨勢線大致滿足線性關系，且表現出逐年增長的狀態，說明隨著重慶市城市化進程的不斷加快，經濟水平的不斷提高，同期的新增雨系數也就越大，雨量增加現象發生的頻次在逐漸增多。

5 結論

（1）重慶市城市化水平從1997年開始呈現穩步上升的趨勢，并且在2007年增長速度逐年加快，2017年后基本實現全面建設城市化，城市化進程處于成熟階段，發展速度比較穩定。

（2）1997—2007年重慶市新增雨系數增長速度較為平穩，2007—2017年發展速度逐漸加快，隨著重慶市城市化進程的不斷加快，經濟水平的不斷提高，同期的新增雨系數也就越大，雨量增加現象發生的頻次在逐漸增多。城市化的發展促進新增雨系數的變化，二者呈現明顯的正相關關系。

（3）1997—2007年重慶市指數化降水變率的變化幅度明顯大于2007—2017年的變化幅度，且城區數值基本比郊區的數值大。指數化降水變率在1997、2001、2007年等出現了極大值，2007—2013年的恢復過程歷時較長。城市化的發展與年平均降水量之間呈明顯的負相關關系，推進城市化會降低城市的指數化降水變率，抑制城市中降水量的變化，使得年平均降水量趨于小范圍的波動。

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（責編：王慧晴）

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