王穎華，張 鑫

（西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

研究區(qū)域降水量變化規(guī)律，可為降水和水資源的長期預測提供依據(jù)，同時也有利于研究氣候變化和人類活動對水循環(huán)的影響。關于降水量特征和變化趨勢的研究國內(nèi)學者已經(jīng)取得了很大的進展。這些研究結(jié)果表明，20世紀我國西北地區(qū)降水量處于下降趨勢，后期中西部降水量有明顯的增多趨勢，東部降水量持續(xù)偏少，干旱連年發(fā)生，西北地區(qū)東部和西部降水量的年代際變化有相反的趨勢［1－2］。青海省年降水量呈微增長的趨勢，夏季降水增加幅度大，秋季降水量增長幅度小，在昆侖山、巴顏喀拉山、達板山以北，阿尼瑪卿山、日月山以西的地區(qū)呈增加的趨勢，且以柴達木盆地增幅較大，以東的黃河流域降水略有減少，以南的長江流域變化趨勢不明顯［3－4］。通過對祁連山地區(qū)年總降水量進行經(jīng)驗正交展開（EOF）和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交展開（REOF）研究其異常的空間結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，結(jié)果表明年降水異常在空間上主要表現(xiàn)為整體一致的變化特點，其次表現(xiàn)為東西相反的趨勢［5］。

西寧市是青海省的政治經(jīng)濟文化中心，也是水資源供需矛盾比較突出的地區(qū)之一。研究西寧市降水量變化規(guī)律，對全市水資源的可持續(xù)利用和沿河經(jīng)濟的快速發(fā)展具有決定性的作用。為此，本文運用滑動平均值、線性傾向率和Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計法對比分析西寧市降水量特征及其變化趨勢，為西寧市未來水資源的合理利用和管理奠定基礎。

1 西寧市自然地理條件

西寧市屬青藏高原東部邊緣，黃河支流湟水上游，東經(jīng)101°49′17″，北緯36°34′13″。本區(qū)地勢西北高，東南高，呈現(xiàn)“四山夾三河”的形勢分布，即冷龍嶺－大通河－大坂山－湟水－拉雞（脊）山－黃河谷地－黃河南諸山脈。全市總面積是7 665 km2，市區(qū)面積是350 km2，建成面積是75 km2，海拔2 261 m，年平均降水量380 mm，蒸發(fā)量1 363.6 mm，年平均日照時數(shù)為1 939.7 h，年平均氣溫7.6℃，最高氣溫34.6℃，最低氣溫－18.9℃，屬大陸高原干旱氣候。夏季平均氣溫是17～19℃，氣候宜人，是消夏避暑勝地，有“中國夏都”之稱。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 資料來源

本文數(shù)據(jù)來自西寧市西寧站、大通站、湟中站和湟源站4個氣象站1960－2005年的逐日降水資料。為了分析方便，將一年劃分為四季，3－5月為春季，6－8月為夏季，9－11月為秋季，12月至次年2月是冬季，將整個降水量時間序列劃分為5個時段，即60年代、70年代、80年代、90年代和2000年以后（2000－2005年），采用泰森多邊形法計算西寧市的降水量，在此基礎上分析降水量隨時間的變化規(guī)律。

2.2 研究方法

2.2.1 滑動平均值法 一般地，設滑動計算時段的年數(shù)為m（m為奇數(shù)），則對于一個有n年數(shù)據(jù)（i＝1，2，…，n）的系列有：

xk——實測值；xj，m——第j個m年滑動平均值，j＝1，2，…，n－（m－1）／2。

2.2.2 線性傾向率法 以時間t為自變量，氣象要素為因變量，建立氣象要素關于時間的一元線性回歸方程：

式中：b1——趨勢變化率或氣象要素的變化傾向率，當b1＞0時氣象要素呈上升趨勢，當b1＜0時氣象要素呈下降趨勢，其絕對值越大則變化趨勢越明顯。

2.2.3 Mann-Kendall秩次相關法 在 Mann-Kendall檢驗中，假設H0為時間序列數(shù)據(jù)（X1，…，Xn），假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算公式為

當n＞10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量公式為

這樣，在給定的置信水平上，如果Z的絕對值大于時原假設是不可接受的。對于統(tǒng)計變量Z＞0時，上升趨勢；Z＜0時，下降趨勢。｜Z｜大于等于1.28，1.64，2.32時，分別表示通過了置信度90%，95%和99%的顯著性檢驗。

當Mann-Kendall檢驗進一步用于檢驗序列突變時，檢驗統(tǒng)計量與上述Z有所不同。

定義統(tǒng)計變量：

式中：E（Sk）＝k（k＋1）／4；var（Sk）＝k（k－1）（2k＋5）／72

若｜UFk｜＞UFa／2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時間序列X按逆序排列，再按照上式計算，同時使

當曲線UFk超過置信線時，如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。

2.2.4 均生函數(shù)模型

設時間序列x（t）＝｛x（1）x（2） …x（n）｝

式中：n——樣本容量。定義均生函數(shù)：

式中：i＝1，2，…，l，l＝1，2，…，m，nl＝int（n／l），m＝int（n／2）；m——最大周期長度。

對（i）作循環(huán)性外推，構(gòu)成均生函數(shù)周期性外延序列：

式中：t＝1，2，…，n＋q；q——預測步長，從而得到M個n＋q長度的周期函數(shù)序列，將這些序列作為預報因子，原始數(shù)據(jù)作為自變量，通常采用逐步回歸的方法建立回歸方程：

利用上式可以預測q年序列值。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水量變化特征分析

3.1.1 降水量年內(nèi)分配 表1表明西寧市多年平均年降水量是478 mm，全年降水量分配不均。降水量主要集中在5－9月，占全年降水量的82%；多年連續(xù)最大4個月降水量占71%；最大月（7月）降水量占20%，最小月（12月）則不到1%對全年降水量貢獻不大。春季（3月、4月）和秋季（10月、11月）降水量貢獻較小，占15%；冬季（1月、2月、12月）降水量貢獻最少占0～3%，其中湟源地區(qū)冬季基本上無降水，對全年降水量的貢獻基本忽略不計。

3.1.2 降水量年際和年代際變化 西寧市年降水量Cv值是0.15，極值比是2.01。4個代表站年降水量Cv值為0.15～0.20，且相差不大。其中偏離程度最大的是西寧站，最小的是大通站；全市降水量出現(xiàn)的最大年年份4個代表站都是1967年，全市極值比范圍為2.01～2.76（表2）。全市極值比偏小表明全市降水量變幅較?。淮送?，隨著多年平均年降水量的增加，Cv值和極值比基本上均呈減少趨勢，表明降水量年際變幅小。綜上分析表明西寧市降水量年際變化不強烈。由表3可看出，60年代后期降水量減少，60年代降水量減少最明顯，平均為－8%；70年代變化最小，平均為－1.3%；80，90年代距平相對增加，2000年以后又開始減少。綜上分析表明西寧地區(qū)降水量總體變化趨勢是減少。

表1 西寧市代表站降水量年內(nèi)分配

表2 西寧市代表站1960－2005年降水量極值統(tǒng)計

表3 西寧市代表站不同年代降水量統(tǒng)計

3.1.3 降水量豐枯變化 圖1表明，西寧站降水量曲線較其余三個代表站波動大些，各代表站變化趨勢基本一致，其中1966－1975年曲線呈波動下降趨勢，處于枯水期；1978－1988年西寧站和大通站處于枯水期，湟中和湟源站為豐水期；1990－1999年曲線緩慢增長處于豐水期；2000年以后西寧、大通站曲線呈上升趨勢，處于豐水期，湟中、湟源站則下降，處于枯水期；全市的降水量豐枯變化趨勢與大通站接近。

圖1 西寧市差積曲線

3.2 降水量變化趨勢分析

應用Mann-Kendall秩次相關法計算西寧市4個代表站及全市統(tǒng)計量檢驗值見表4。全年4個代表站檢驗值Zc均大于零，其中西寧站降水量十分顯著通過了99%的置信水平，其余3個站趨勢不顯著未通過90%，95%和99%置信水平，全市降水量增長不明顯；春季大通站降水通過了90%的顯著性檢驗，全市降水量增長趨勢不明顯；夏季西寧站通過了95%的顯著性檢驗，湟源站降水量有減少趨勢，全市夏季降水增長不明顯；秋季只有西寧站降水量略有增加，其余3個站降水量呈減少趨勢，全市降水量減少；冬季西寧站和湟源站降水量呈增長趨勢且均通過了95%的顯著性水平，湟中站降水也有增加趨勢，大通站降水呈減少趨勢，全市降水量呈增加趨勢。

表4 西寧市代表站Mann-Kendall檢驗值

上述運用Mann-Kendall方法不能全面說明西寧市季和年降水變化趨勢，下面將結(jié)合滑動平均值曲線圖和線性傾向率值進行對比得出綜合性的結(jié)論。

由圖2分析表明：全市線性傾向率是1.8 mm／10 a，結(jié)合表4，降水量微有增加趨勢。從11 a滑動平均值過程線圖2（e）分析，全市降水1972年前降水小于平均值，之后大于平均值，總體來看降水量有增加趨勢。以上分析也可結(jié)合降水距平，兩種方法分析結(jié)果一致；春季、夏季和冬季降水量增加，秋季降水量減少。

圖2 西寧市四季及全年降水趨勢

3.3 降水量突變分析

采用Mann-Kendall突變性檢驗法對西寧市年降雨量突變特性進行分析并繪制UF和UB曲線，結(jié)果見圖3所示。取置信度α＝0.05，雖然兩條線之間也有一些交點，但是UF沒有超過置信度線，說明在0.05的顯著性水平下，西寧市年降水量增長不顯著，未發(fā)生突變。

圖3 西寧市降水量突變分析

3.4 未來10 a降水量變化趨勢預測

建立均生函數(shù)［6－7］模型對西寧市2006－2015年10 a年降水量進行預測。預測結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明未來10 a西寧市地區(qū)降水量呈緩慢增長趨勢。

圖4 西寧市降水量預測變化趨勢

4 結(jié)論

西寧市多年平均降水量年內(nèi)分配不均，降水量主要集中在5－9月；降水量最大月是7月，最小月為12月。全市降水量年際變化不強烈，46 a來降水量有減少的趨勢。全市降水豐枯變化基本上是60年代處于枯水期，70，80年代湟中、湟源地區(qū)開始變?yōu)樨S水期，而大通、西寧仍是枯水期，90年代開始后全市都進入了豐水期，但是2000年以后湟中湟源地區(qū)變?yōu)榱丝菟?，大通西寧地區(qū)仍是豐水期。這種空間上的降水量分布不均主要還是由于西寧市的下墊面、氣候等條件因自然或人為活動發(fā)生變化，影響了降水量在時間上分布不同的緣故。將參數(shù)檢驗和非參數(shù)檢驗法結(jié)合分析，綜合得到全市春季降水變化相比其它季節(jié)變化明顯，且呈上升趨勢，秋季降水量呈下降趨勢，冬季降水量略有下降趨勢，全年降水量有增加趨勢，但是不顯著；年降水量增長趨勢不明顯，未發(fā)生突變；2006－2015年未來十年西寧市年降水量呈上升趨勢。

［1］陳冬冬，戴永久.近五十年我國西北地區(qū)降水強度變化特征［J］.大氣科學，2009，33（5）：923-935.

［2］宋連春，張存杰.20世紀西北地區(qū)降水量變化特征［J］.冰川凍土，2003，25（2）：143-149.

［3］朱元福，田輝春.青海省共和地區(qū)近50年氣候變化特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36（21）：9189-9191.

［4］燕華云，賈紹鳳.近50 a來青海水文要素變化特征分析［J］.冰川凍土，2003，25（2）：193-199.

［5］張曉明，魏鋒，陸燕.祁連山近45年降水異常的氣候特征［J］.干旱氣象，2006，24（3）：35-42.

［6］魏鳳英，曹鴻興.長期預測的數(shù)學模型及其應用［M］.北京：氣象出版社，1990：1-12.

［7］湯成友，官學文，張世明.現(xiàn)代中長期水文預報方法及其應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.