1991—2020年南寧機場降水特征分析

彭淼機

（民航廣西空管分局，廣西 南寧530048）

1 研究背景

降水是重要的天氣現象之一，在航空氣象中占據著重要的地位，對航空活動有著重大的影響。近年來航班量的激增，使得航空業迎來了快速的發展。分析南寧機場降水變化特征具有重要的實際意義，可以為南寧機場在發展和預防災害方面提供決策的依據。近年來，眾多學者對不同地方的降水特征展開了深入的研究。蒙芳秀等[1-2]對東北地區夏季極端降水進行了研究，劉睿姝等[3-4]研究了沈陽市的降水趨勢變化及突變情況，王曉霞等[5-7]研究了天津市降水量的變化趨勢。

本文基于南寧機場基準觀測點1991—2020年間逐日降水數據，采用線性回歸分析法、距平分析法、Mann-Kendall突變檢驗法等方法，分析南寧機場降水季節變化、年變化以及日降水量極值的變化特征。以此豐富南寧機場降水特征的相關研究，為南寧機場的降水評估和防洪工作提供一定的參考。

2 資料和方法

2.1 資料

本文所用到的降水量資料來源于南寧機場05號跑道基準觀測點1991—2020年逐日降水量資料。季節的劃分：上一年12月至當年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季[8]。

2.2 方法

利用線性回歸分析法、距平分析法研究降水量的季節變化和年變化特征，利用Mann-Kendall突變分析法對年降水量進行突變分析，根據中國氣象局極端降水檢測指標中極端降水閾值的確定方法研究南寧機場日降水量極值的特征。

Mann-Kendall突變分析法是一種非參數統計檢驗方法，對序列分布沒有要求，對于n個樣本量的時間序列X={x1，x2，x3，…，xn}，構造一個秩序列Sk，然后計算UFk和UBk，使得UBk=-UFk[1]。UFk為標準正態分布，對于給定的0.05顯著性水平，若UFk＜0，表示序列呈現上升趨勢，UFk＜0表示序列呈現下降趨勢，|UFk|＞1.96，表明序列存在顯著的上升或下降趨勢。同理，若UBk＞0，表示序列呈現上升趨勢，UBk＜0表示序列呈現下降趨勢，若|UBk|＞1.96，同樣表明序列存在顯著的上升或下降趨勢。如果UFk和UBk兩條曲線相交于臨界值之間，那么交點對應的時刻就是突變出現的時刻。

3 南寧機場降水特征分析

3.1 南寧機場降水量季節變化分析

圖1為南寧機場1991—2020年四季降水量隨年份變化的曲線，季節降水量為該年當季的累計降水量。南寧機場各個季節降水量中，夏季的平均降水量最多，為657.92 mm；春季的平均降水量次之，為269.84 mm；秋季的平均降水量再次之，為248.82 mm；冬季的平均降水量最少，為106.63 mm。一年的降水主要集中在春季和夏季，春季和夏季的降水占了全年的72.3%。結合圖1可以發現，四個季節的降水量都表現出上升的趨勢，其中秋季降水上升的趨勢最為明顯，冬季秋季降水上升的趨勢最為平緩，春季和夏季的趨勢介于冬季和秋季之間。春季降水量的波動較為平緩，除了1997年出現明顯偏多外，其他年份都在小范圍內波動，1997年春季降水達686.0 mm，是春季平均降水量的2.5倍以上，春季降水最小的年份是1992年，為99.5 mm。夏季降水量的波動最為明顯，每年之間變化都比較大，夏季降水量最大的年份是2016年，為967.0 mm，共有6年夏季降水達到了900.0 mm以上，夏季降水量最小的年份是2000年，為359.9 mm。秋季降水量前10年的波動較為平緩，后20年波動則較為明顯，秋季降水量的最大值是528.7 mm，出現在2014年，秋季降水量的最小值是67.8 mm，出現在2004年，30年內出現了4年秋季降水量低于100 mm。冬季降水量除了1991年和2016年以外整體較為平穩，1991年出現了30年以來的最小冬季降水量，僅為14.1 mm，2016年則出現了30年以來最大的冬季降水量，為311.1 mm，是30年冬季降水量平均值的2.9倍以上，也僅有2016年的冬季降水量達到了200 mm以上，其余的年份都在200 mm以內波動。

圖1 南寧機場1991—2020年季節降水量及變化趨勢

3.2 南寧機場降水量年際變化分析

圖2是南寧機場1991—2020年年降水量距平圖，其中年降水量為當年累計降水總量，平均值為30年年降水量的平均值。結合圖2可以發現，2010年之前的20年年降水量距平多在0 mm以下，也就是是前20年的降水總體偏少；在2010年之后的10年年降水量距平多在0 mm以上，即后10年總體為一個偏多的情況。結合多項式擬合可以看出，前15年的年降水量變化不大，從2005年開始，后15年的年降水量有明顯增大的趨勢。南寧機場1991—2020年年降水量序列的氣候傾向率為14.978 mm/年，年降水量在850～1 780 mm之間波動，總體是一個線性上升的趨勢。南寧機場1991—2020年年降水量平均值是1 283.5 mm，年降水量最大出現在2016年，該年降水量為1 771.4 mm，年降水量最小出現在2000年，全年降水僅有856.3 mm，年降水量最大值和最小值之間相差了915.1 mm。結合南寧機場降水量季節變化分析可以發現，2016年不僅是年降水量最大的年份，也是夏季降水量和冬季降水量最大的年份；而2000年則不僅是年降水量最小的年份，還是夏季降水量最小的年份。也就是說四季降水量中，夏季降水量對一年的降水量貢獻最大，夏季降水的極值很大程度上決定了年降水的極值情況。

圖2 南寧機場1991—2020年年降水量距平圖

3.3 南寧機場年降水量突變分析

利用Mann-Kendall突變檢驗法，給定顯著性水平α=0.05，即臨界值Zα=±1.96，對南寧機場1991—2020年年降水量進行檢驗分析，分析結果如圖3所示。結合圖3中的UF曲線可以發現，絕大多數年份，南寧機場年降水量有明顯的上升趨勢。特別是1994—1995年、2016—2020年的上升趨勢均超過了顯著性水平為0.05的臨界線，甚至有的年份超過了0.01顯著性水平的臨界線（Z0.005=±2.56），表明南寧機場降水的上升趨勢十分顯著。2000年、2005年、2007年和2009年的UF值在零線附近波動，表明南寧機場降水的變化趨勢并不明顯。僅在2004年的UF值小于0，表明南寧機場年降水量呈現下降趨勢，但未超過臨界值-1.96，表明下降趨勢并不顯著。根據UF和UB兩條曲線相交的位置確定突變點，表明南寧機場年降水量不存在突變點。

圖3 南寧機場1991—2020年年降水Mann-Kendall突變檢驗

3.4 南寧機場日降水量極值分析

圖4顯示的是南寧機場1991—2020年日降水量逐年的極大值，圖中的閾值是南寧機場1991—2020年間偏大的極端降水閾值。該閾值是根據中國氣象局發布的極端降水指標中關于極端降水閾值的確定得到的。具體的過程是：先取南寧機場1991—2020年日降水的極值和次極值，構建一個60個樣本的序列，將序列進行由小到大的排序，取第95百分位數（也就是倒數第三位數），最終得到南寧機場1991—2020年間偏大的極端降水閾值，該閾值的值是191.4 mm。南寧機場1991—2020年間共出現了3次日降水量極端偏多事件，分別發生在2001-07-03（222.8 mm）、2013-11-11（201.1 mm）以及2016-06-04（191.4 mm）。2001-07-03南寧機場受2001年第3號臺風“榴蓮”的影響主要以陣性降水為主，2013-11-11南寧機場受第30號臺風“海燕”的影響主要以陣性降水為主，2016-06-04南寧機場受低層暖濕輻合影響也是以陣性降水為主。因此，南寧機場降水量極端偏多事件主要由陣性降水引起，1991—2020年日降水量最大值則是由臺風引起。結合圖4可以發現，日降水量極值在前10年波動比較平緩，后20年波動比較顯著，并且呈現出線性上升的趨勢，氣候傾向率為8.83 mm/10年。在1991—2020年間南寧機場日降水量極值僅有一年未達到暴雨（50.0～99.9 mm）級別，但也達到了49.8 mm（2000年），其余年份均達到暴雨級別，其中有16年更是達到了大暴雨（100.0～249.9 mm）級別。

圖4 南寧機場1991—2020年日降水量極值時間序列

4 結論

本文利用線性回歸分析法、距平分析法、Mann-Kendall突變檢驗法等方法，對南寧機場1991—2020年降水特征進行分析，得出以下結論。

南寧機場1991—2020年春、夏、秋、冬四季的平均降水量分別是269.84 mm、657.92 mm、248.82 mm、106.63 mm。除夏季降水波動較為明顯以外，其余三個季節的降水量隨著年份的變化均較為平緩。夏季降水無論在降水量還是降水日數上，對一年的貢獻都是最大的。

南寧機場1991—2020年年降水量平均值是1283.5mm，年降水量最大的年份是2016年（1771.4mm），最小的年份是2000年（856.3 mm），兩者之間相差了915.1 mm。年降水量序列的氣候傾向率為14.978mm/年，總體是一個線性上升的趨勢。

Mann-Kendall突變檢驗法分析表明，南寧機場年降水量絕大多數年份有明顯的上升趨勢，其中1994—1995年、2016—2020年的上升趨勢十分顯著，僅在2004年呈現下降趨勢，并且下降趨勢不顯著。UF和UB兩條曲線相交的情況表明南寧機場年降水量不存在突變點。

南寧機場1991—2020年間偏大的極端降水閾值是191.4 mm，共出現了3次日降水量極端偏多事件，分別出現在2001年、2013以及2016年。南寧機場降水量極端偏多事件主要由陣性降水引起，1991—2020年日降水量最大值（222.8 mm）是由臺風引起。日降水量極值呈現出線性上升的趨勢，氣候傾向率為8.83mm/10年。