1975—2017年綿陽市降水量變化規律研究

季 平，莫林謀

(河南省水利勘測設計研究有限公司四川分公司，四川 成都 610073)

近年來全球變暖趨勢明顯，影響到不同區域的降水模式和水循環過程[1]。聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC在2011年發布的特別報告中指出，極端天氣事件在未來還會增加，由此引發的洪澇災害、水資源短缺等問題將會日趨嚴重[2]。我國作為典型的發展中國家，隨著近年來經濟發展迅速、城市化進程加快，極端降水和洪澇災害的發生頻率也越來越高[3]，如2012年7月，北京遭遇特大暴雨，全市平均降水170mm，受災人數160.2萬[4]；2021年的鄭州“7·20”特大暴雨的小時降水最高達201.9mm，是目前為止我國陸地小時降水量極值[5]，極端降水的頻繁出現已經嚴重影響到社會的和諧穩定和可持續發展。

長時間的水文氣象序列，如降水、蒸發等，其演變規律除隨機性外，還具有一定的周期性和趨勢性特征[6- 7]。目前，關于時間序列特征的分析方法眾多，如滑動平均法[8]、Mann-Kendall秩次檢驗法[9]、游程檢驗法[10]和小波變換分析[11]等。許多學者針對水文氣象序列演變特征與規律開展了分析與研究，如姜洋[12]利用游程檢驗法對大伙房水庫近56年的降水蒸發變化趨勢進行了分析；王姣妍[13]采用降水距平百分率的方法對新疆近64年的降水時空分布特征和演化規律進行了分析，并得出了全區內降水呈增加趨勢的結論；Wu等[14]運用連續小波變換的方法對長江中下游的降水指標變化規律進行分析，并指出極端的降水突變發生在1980和1990年。以上研究表明，在氣候變化的影響下全球范圍內不同區域的降水都發生了較為明顯的變化，因此，定量分析氣候變化過程中區域降水的發展演變規律是水文領域的研究重點，對區域洪澇災害防治有重要意義。

綿陽市地處四川盆地西北部，降水受季風環流和復雜地形影響，時空分布不均，區域特征明顯[15]。近來研究表明，綿陽市整體降水呈減少趨勢[16]，但極端降水現象發生頻率呈增長趨勢[3]，如2003年發生的“8.8—8.9”暴雨，過程雨量超過290mm[17]；2008年9月下旬發生的持續暴雨[18]；以及2014年的“7.9—7.11”暴雨[19]等，解析綿陽市降水演變特征對提高當地洪災預防能力，保障當地社會經濟發展具有重要指導意義。因此，本文以綿陽市為研究對象，基于綿陽氣象站長時間序列降水資料，采用滑動平均法、累積距平法、Mann-Kendall檢驗法以及滑動T檢驗法相結合的復合研究方法，對綿陽市1975—2017年間的年降水量和汛期降水量的變化趨勢和突變特征進行分析探討，旨在為綿陽市的水資源開發管理、防洪減災等工作的開展提供理論依據。

1 研究區概況

綿陽市位于中國四川盆地西北部，涪江中上游區域綿陽市內多山地丘陵，地勢北高南低，高差達5092.8m，地形復雜。屬亞熱帶山地濕潤季風氣候[15]，冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨，年平均氣溫14.7～17.3℃，年平均降水量826～1417mm，降水量豐富但年際變幅較大，年內分布不均，主要集中在汛期，在雨水充沛年份易發生洪澇災害[20]。

2 數據來源和研究方法

2.1 氣象數據

本文所采用1975—2017年逐日氣象資料來源于綿陽氣象站，為便于研究綿陽區域內降水序列的年際變化和具有代表性的汛期降水序列年際變化，以6—9月為汛期，分別計算每年的全年總降水量和汛期內的降水量。

2.2 研究方法

本文綜合采用滑動平均法、累積距平法、Mann-Kendall檢驗法以及滑動T檢驗法這4種方法來研究綿陽區域降水趨勢及變化特征。

(1)滑動平均法(Moving average)

滑動平均法通過順序逐期增減新舊數據，以計算移動平均值的方法削弱時間序列的滑動周期，消除偶然變動因素，并依此找出事務發展趨勢，計算過程如下[21]：

(1)

式中，xi—原序列數值，即年降水量，mm；Mj—新序列數值，mm；n—原序列長度；k—滑動長度，本文使用5點滑動平均，即取k=2。

(2)累積距平法(Accumulative anomalies)

累積距平法通過計算序列中每個樣本的距平，并繪制從起始樣本到該樣本的距平累加和曲線，通過觀察該累加曲線來判斷數據點的離散程度和變化趨勢，進而確定序列值的變化趨勢和突變拐點，計算過程如下[22]：

(2)

(3)Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall檢驗法通過計算構造統計量秩序列，判斷序列發生突變的節點，計算方法如下[23]：

(3)

式中，Sk—樣本序列{x1，x2，…，xn}中第i個樣本大于第j個樣本的累計數。

假定序列樣本隨機獨立，定義信度水平統計量UFk[11]：

(4)

(5)

(6)

式中，UFk—正態分布；E(Sk)和Var(Sk)—Sk的均值和方差。

按原樣本序列的逆序{xn，xn-1，…，x1}重復上述過程，得到變化度統計量UBk[11]：

UBk=-UFk，k=n+1-k

(7)

設定顯著水平α，若UFk和UBk的變化曲線在臨界范圍內出現交點，則交點對應時間就是突變開始時間。

(4)滑動T檢驗法

滑動T檢驗法通過滑動點檢驗前后兩段子序列的平均值差異是否顯著來判斷是否發生突變，具體計算過程如下[6]：

將原始樣本序列{x1，x2，…，xn}在某一滑動點t的前后劃分為兩段子序列x1={xt-n1，xt-n1+1，…，xt}和x2={xt+1，xt+2，…，xt+n2}，定義統計量T：

(8)

(9)

設定顯著水平α，若某一滑動點滿足|T|>tα(n2+n2-2)，表面該滑動點前后子序列均值存在顯著性差異，即該點附近可能發生突變。

3 結果與討論

3.1 綿陽市降水趨勢性特征

采用5年滑動平均法對綿陽市1975—2017年間年降水序列和汛期降水序列進行趨勢擬合，結果如圖1所示。綿陽市的平均年降水和平均汛期降水分別為906.63mm和657.43mm，汛期降水量占全年降水量的72.51%；多年最大降水量為1569.78mm，出現在1981年，該年汛期降水量也為多年最大值，為1228.4mm；多年最小年降水量出現在1999年，僅為105.38mm，同年汛期降水量也為歷年最低，僅18.04mm。年降水和汛期降水變化呈下降趨勢，變化傾向為-47.4mm/10a和-41.1/10a見表1。

圖1 綿陽市降水量年際變化

表1 綿陽市降水量趨勢演變

年降水量和汛期降水量的正態分布特性如圖2所示。結果顯示，綿陽市歷史年降雨主要集中在800～1000mm之間，600mm以下和1200mm以上的較少；汛期降雨主要集中在600～800mm之間，200mm以下和1400mm以上的較少。

圖2 綿陽市降水量正態分布直方圖

3.2 綿陽市降水階段性特征

綿陽市1975—2017年間降水量具有明顯的階段性特征，累積距平變化趨勢如圖3所示，相關特征見表2。結果顯示，1970—1984年間年降水累積距平呈上升趨勢，期間年降水平均值1063.32mm，高于多年降水平均值，變異系數0.28，說明該時期降水較豐富；1985—1988年間平均降水為988.91mm，接近多年平均值，變異系數0.22，整體降水量變化幅度不大，無明顯趨勢；1989—2017年間平均降水為840.95mm，低于多年平均值的92.78%，變異系數為0.29，說明該時期降水量變化幅度增大，且呈現明顯下降趨勢。汛期降水有相似趨勢，在1970—1984年間呈上升趨勢，在1985—1988年間有所波動，在1989—2017年間變化幅度較大且呈下降趨勢。

3.3 綿陽市降水突變性特征

采用Mann-Kendall檢驗法和滑動T檢驗法相結合的方法分析綿陽市多年降水序列的突變點。信度水平統計量UFk和變化度統計量UBk的變化過程如圖4所示，95%置信區間的閾值線為±1.96；滑動T檢驗結果如圖5所示，95%置信區間的閾值線為±4.30。年降水量的UFk和UBk曲線交點出現在1977、1982、1986、1994年附近，同時滑動T檢驗結果顯示超出閾值線的點為1994年，因此，判斷1994年為年降水量的變異分割點。汛期的UFk和UBk曲線交點出現在1988年和1995年附近，滑動T檢驗結果的突變時間點為1987年，因此，推斷1987年是綿陽市汛期降水的變異分割點。年降水和汛期降水的突變時間點不同，這可能與氣候條件和降水的時空分布不均有關，1987年降水集中分布在汛期(6—9月)，占全年降水的83.30%，而1994年的降水年分布比較均勻，汛期降水低于全年降水的70%。

圖3 綿陽市降水量累積距平變化

表2 綿陽市降水量階段性變化

圖4 綿陽市降水量Mann-Kendall曲線

圖5 綿陽市降水量滑動T檢驗

變異點前后的綿陽市年降水量和汛期降水量變化情況見表3。結果顯示，年降水量前期平均值為978.74mm，后期減少13.81%，總體呈下降趨勢；汛期降水量后期較前期減少17.92%，呈較明顯下降趨勢。

表3 綿陽市降水量突變前后期

4 結語

基于綿陽氣象站1975—2017年逐日降水數據，以年降水量、汛期降水量為特征變量，采用滑動平均法進行趨勢分析，采用累積距平法進行階段性特征分析，采用Mann-Kendall檢驗法和滑動T檢驗法進行突變檢驗，得到結論如下。

(1)從趨勢性角度看，綿陽市1975—2017年多年平均降水量為903.63mm，汛期多年平均降水量657.43mm，年度和汛期的最大降水量出現年份統一，且整體變化趨勢相似，都呈下降趨勢，年降水變化傾向為-47.4mm/10a，汛期為-41.1/10a。

(2)從階段性角度看，綿陽市1975～2017年間年降水量和汛期降水量都具有明顯階段性特征，以1984年和1988年為界，年降水量和汛期降水量呈“上升-波動-下降”的趨勢，其中汛期降水的變化幅度比全年降水量的變化幅度大。

(3)從突變性角度看，綿陽市年降雨和汛期降雨的突變時間點有所不同，其中年降雨的突變時間為1994年，汛期降雨的突變時間為1988年，這可能與降水的年際分布不均有關。

研究結果對深入了解綿陽市多年降水趨勢和突變性變化特征具有重要意義，可為當地管理部門提前制定洪澇應對措施、優化水資源配置提供理論參考。