蘇海民，何愛霞，袁新田

(宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

皖北平原近56年來降水時(shí)間分異規(guī)律研究

蘇海民，何愛霞，袁新田

(宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

利用皖北平原5個(gè)氣象站1957-2012年逐月降水資料，運(yùn)用線性趨勢分析、距平分析、小波分析和Mann-Kendall法對該區(qū)年降水量和季節(jié)降水量進(jìn)行年際和年代際分析，揭示該區(qū)降水量時(shí)間尺度變化特征，并分析其降水序列的周期變化和突變點(diǎn)。結(jié)果表明：(1)皖北平原降水趨勢總體呈增長趨勢，降水傾向率為8.51 mm/10 a，其中距平33年為負(fù)，23年為正。1960年代、1990年代和2000年代為豐水期。除夏季外，春季、秋季和冬季降水量總體變化趨勢不顯著，降水傾向率分別為-3.59 mm/10 a、-2.50 mm/10 a和2.13 mm/10 a，夏季降水增長趨勢明顯，降水傾向率為12.93 mm/10 a。(2)小波分析結(jié)果顯示，區(qū)域降水量存在不同尺度的周期變化，普遍存在10～15年的震蕩周期，5～10年的次周期和3～5年小周期。(3)皖北平原年降水量經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，在1994年發(fā)生突變，但變化不明顯，夏季突變與年降水量一致，春季、秋季和冬季降水量時(shí)間上沒有發(fā)生突變。

皖北平原；趨勢分析；小波分析；Mann-Kendall法

在工業(yè)化、城市化及人類活動(dòng)的影響下，全球CO2等溫室氣體的排放量不斷增加，氣候變暖已成為不爭的事實(shí)，氣候變暖必然會影響全球及區(qū)域降水的變化。G.Lenderink[1]研究表明氣溫每升高1 ℃大氣濕度將增加7%，而大氣濕度變化又會使全球水分循環(huán)更為活躍和復(fù)雜[2]。降水的年際、年代變化及降水方式等都會對人類生活、生產(chǎn)帶來重要影響。G.Lenderink[3]研究認(rèn)為，降水先小后大對于雨水入滲土壤、植物生長有益，若是先暴雨后小雨往往在較短的時(shí)間內(nèi)則可能導(dǎo)致洪澇、泥石流和水土流失等問題；羅琳[4]和李建柱[5]的研究表明，同樣的雨量如果降雨持續(xù)時(shí)間長，在某些以超滲產(chǎn)流為主的區(qū)域則可能難以形成地表徑流，從而影響水資源分布格局。降水變化更是對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，自20世紀(jì)80年代以來，降水變化已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了大量的研究成果[6-11]。這些研究涵蓋了大、中、小不同尺度的研究區(qū)，研究內(nèi)容包括降水時(shí)空分布、極端降水及對未來降水趨勢的預(yù)測等方面。但由于各地大氣環(huán)境、地形特征及緯度位置的不同，不同區(qū)域仍應(yīng)開展更加詳盡、細(xì)致的工作。

皖北平原是安徽省乃至全國重要的糧食生產(chǎn)基地，降水的多寡對區(qū)域經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要影響。前人針對安徽和淮河流域開展了豐富的研究，取得的一些研究成果。如：顧萬龍等[12]利用淮河流域84個(gè)氣象站資料分析年內(nèi)降水變化，表明年內(nèi)分配具有明顯的不均勻性，北部地區(qū)的降水相對較少；Xia Jun等[13]對淮河流域1960-2009年極端降水事件的時(shí)空變化趨勢及分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示大部分區(qū)域極端降水有增加趨勢，只有部分地區(qū)減少；劉忠平等[14]對安徽省極端降水事件判別方式進(jìn)行研究。但針對皖北平原降水時(shí)空變化研究報(bào)道尚不多見，鑒于此，本文以皖北平原為研究區(qū)，以5個(gè)典型氣象站1957-2012年降水資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用線性回歸分析和小波分析等方法對區(qū)域降水事件序列變化特征和規(guī)律進(jìn)行分析，揭示不同時(shí)間尺度上降水趨勢和異?，F(xiàn)象，以期為皖北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然災(zāi)害防御及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

皖北平原位于黃淮海平原南端，是指安徽省北部平原地區(qū)，行政區(qū)域包括蚌埠市、淮南市、宿州市、阜陽市、淮北市和亳州市6地，面積占安徽省總面積的26.77%，是安徽省面積最大、人口最多的一個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)，是中國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，多年來年均糧食產(chǎn)量占全省糧食總量的50%以上，具有“中原糧倉”之稱。區(qū)內(nèi)自然條件優(yōu)越，地勢平坦，平原面積廣闊，氣候以暖溫帶氣候?yàn)橹鳎纱汉?，雨熱同期，多年平均降水量?00～800 mm左右，具有溫帶和亞熱帶氣候過渡性質(zhì)，氣象災(zāi)害多發(fā)，糧食產(chǎn)量很不穩(wěn)定。

2 數(shù)據(jù)資源與研究方法

從皖北地區(qū)23個(gè)氣象站點(diǎn)中選擇蚌埠、宿州、阜陽、亳州和碭山5個(gè)代表站點(diǎn)1957-2012年逐月平均降水為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，皖北地區(qū)年平均降水量、季節(jié)平均降水量分別取5個(gè)站點(diǎn)的平均值，多年平均降水量為1957-2012年平均值，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行序列檢驗(yàn)，對一些缺測和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除和插補(bǔ)。建立皖北平原地區(qū)降水時(shí)間變化序列，用于分析降水多時(shí)間尺度變化規(guī)律。其中，12～2月為冬季、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季。

本文主要使用的研究方法有4種：線性回歸分析、累計(jì)距平分析[15]、小波分析[16,17]和Mann-kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析[18,19]。線性回歸模型使用最小二乘法預(yù)測研究時(shí)段內(nèi)降水變化趨勢，通過擬合函數(shù)的線性傾向率反映降水變化趨勢的大小，線性傾向率為正，表示趨勢增加，傾向率越大，變化越明顯，反之亦然；累計(jì)距平分析是用來反映降水要素長期演變趨勢及持續(xù)變化過程，可以劃分降水變化的階段性；小波分析用于降水時(shí)間周期變化分析；Mann-kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析用來檢驗(yàn)降水時(shí)間的突變分析。所有數(shù)據(jù)處理在Excel和DPS統(tǒng)計(jì)軟件中完成。

3 結(jié)果分析

3.1 降水年內(nèi)、年際變化

皖北平原地區(qū)氣候具有暖溫帶向亞熱帶過度的性質(zhì)，氣候多變，降水年際差異明顯，時(shí)間上降水量相差懸殊，多年平均降水為848.41 mm，多雨年為少雨年的2～3倍，最大降水量2003年達(dá)到1 359.82 mm，最小降水量為1966年的539.50 mm，分別為多年平均降水量的0.63倍和1.61倍。從圖1和表1可以看出，56年來降水趨勢有一定變化，總體皖北平原年降水量有增長趨勢，1957-2012年降水傾向率為8.51 mm/10 a。計(jì)算了1957-2012年的降水距平和累計(jì)距平，皖北平原56年降水距平33年降水量少于多年平均降水量，23年多于平均值，累計(jì)距平曲線自60年代中期至90年代后期呈下降趨勢，降水總量不斷減少，進(jìn)入21世紀(jì)，降水逐漸呈增長趨勢。1950年代后期、1970年代、1980年代和2011-2012年降水量略低于多年平均降水，平均距平為負(fù)，為少雨期，累計(jì)距平曲線在波動(dòng)中呈下降趨勢。1960年代、1990年代和2000年代年平均距平值為正，降水總量呈增長趨勢，為豐水期。

圖1 1957-2012年皖北平原年降水量、降水距平和累計(jì)距平變化

a年均降水距平春季降水距平夏季降水距平秋季降水距平冬季降水距平1957-1960805.01-43.41166.570.52430.15-29.20134.76-25.9773.549.541961-1970854.215.80174.788.74457.03-2.32169.318.5853.09-10.911971-1980828.72-19.69180.4814.13436.3-23.05149.87-10.8662.07-1.931981-1990821.31-27.10141.88-24.16425.65-33.70190.0929.3663.70-0.301991-2000863.8215.41178.4612.42458.66-0.69163.392.6663.30-0.702001-2010922.5874.17165.85-0.19544.7085.35146.87-13.8474.7210.722011-2012692.31-156.10108.84-57.2389.79-69.55133.15-27.5760.53-3.47

皖北平原春季降水量年際變化顯示，1957-2012年春季降水量基本與多年平均降水量持平，總體呈減少趨勢，降水傾向率為-3.59 mm/10 a。期間降水量變化相差懸殊，其中1963、1974、1991和1998年降水異常偏多，遠(yuǎn)高于56年平均降水量；1962、1979和2000年降水量遠(yuǎn)低于平均降水量。表1中1980、2000年代和2011-2012年降水距平為負(fù)值，降水明顯減少；1960、1970和1990年代降水距平為正，降水偏多。由圖2和表1夏季降水量回歸曲線看出，56年間皖北平原夏季降水具有明顯的年代和年際變化，總體呈增長趨勢，變化趨勢較大，降水傾向率達(dá)到12.93 mm/10 a。從降水距平來看，只有2000年代為正，其余均為負(fù)值，1960和1990年代基本接近正常值，而且1988年是夏季降水的分界點(diǎn)，之前降水呈下降趨勢，之后開始逐漸增加，降水量比1988年以前增長了3.14倍，表現(xiàn)出降水進(jìn)入多雨期。秋季降水呈減少趨勢，降水傾向率為-2.50 mm/10 a，1950年代后期、1970和2000年代及2011-2012年降水距平均為負(fù)值，說明降水偏少，而其余3個(gè)年代降水量為豐水年，尤其是1980年代。而冬季降水量基本比較穩(wěn)定，大部分年份降水量接近多年平均降水量64 mm，只有1989年和2001年降水距平較大，而且皖北地區(qū)冬季降水總體也呈緩慢增長趨勢，降水傾向率為2.13 mm/10 a。冬季降水不斷增多，這與全球氣候變暖可能有一定關(guān)系。從年代際看，2000年代降水距平為正值，降水偏多。

3.2 降水周期分析

圖3給出了皖北平原地區(qū)年及季節(jié)降水序列變化的小波分析結(jié)果，限于篇幅，冬季小波分析及突變分析圖沒有給出。從年降水量序列圖中可以看到，區(qū)域年降水量存在不同尺度的周期變化，2000年以后存在15年的震蕩周期，1970年代又存在10年的次周期，其余年份變化周期基本都在3～5年，且貫穿整個(gè)研究序列。春季在1980年代存在15～20年的變化周期，1960-1980年代存在10年的降水變化周期，1990年代以后又存在3～5年的小周期，且整個(gè)研究期間存在。夏季降水量周期變化基本上與年降水量變化相一致，因?yàn)橥畋逼皆瓰榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，降水主要集中在夏季而導(dǎo)致。秋季在1990年代以前降水周期以10年為主，1980-1990年代中期降水以15年左右的周期為主，2000年以后以頻繁的3～5年周期交替存在。冬季降水在1960-1990年代降水周期以10～20年為主，1990-2010年代存在5～10年的震蕩周期。總體看來，年降水量及季節(jié)降水量以5～10年變化的周期最突出。

圖2 1957-2012年皖北平原季節(jié)降水量年際變化

圖3 1957-2012年皖北平原年降水量和季節(jié)降水量小波變化系數(shù)

3.3 降水突變分析

對皖北平原年和季節(jié)降水量進(jìn)行突變分析，繪制M-K曲線圖(圖4)。圖4年降水量突變檢驗(yàn)顯示，年降水量UF曲線在1957-1964年間呈波動(dòng)上升趨勢，曲線在零值以下；1966-2003年UF曲線基本在零值附近波動(dòng)；2003年之后呈上升趨勢，且在零值以上，表明皖北平原年降水量經(jīng)歷了減少→增加的變化過程。UF和UB曲線在研究期內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，在1994年附近通過95%信度檢驗(yàn)，說明年降水量在該位置發(fā)生突變，UF曲線沒有超出信度線，表明變化不明顯。1957-2012年間，皖北平原春季UF曲線基本在波動(dòng)中下降，在1981年前，UF曲線在零值以上，1982年以后基本都在零值下，表明降水經(jīng)歷從多到少的變化。經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，UF和UB曲線的交點(diǎn)均沒有通過95%的顯著性檢驗(yàn)，表明研究期內(nèi)春季降水量沒有發(fā)生突變。夏季突變曲線顯示，1957-1978年間UF曲線在波動(dòng)中下降，基本零值以下；1979年以后，UF曲線呈不斷上升趨勢，在2003年之后上升速度明顯增大，表明夏季降水量表現(xiàn)出減少→增加的發(fā)展趨勢。UF和UB曲線在95%的顯著性檢驗(yàn)中交于1994年，為降水量突變點(diǎn)的開始時(shí)間，但突變變化不顯著。這也與年降水量突變時(shí)間一致。秋季降水變化趨勢基本與春季相同，UF曲線在波動(dòng)中不斷下降，在1996年前大于零，表明降水呈增加趨勢，尤其在1963年前后UF曲線超出信度線，說明降水增長較為明顯；1996年之后在零值以下，表明降水呈減少趨勢。降水在研究期內(nèi)沒有明顯的突變點(diǎn)。冬季降水趨勢變化表現(xiàn)為，1968年前UF曲線在零值以下，降水為減少趨勢；1969年以后UF曲線基本在零值以上，降水表現(xiàn)為增長趨勢。在95%的顯著性檢驗(yàn)中，UF和UB曲線交點(diǎn)沒有通過，說明在冬季降水也沒有發(fā)生突變。

圖4 1957-2012年皖北平原年降水量和季節(jié)降水量突變檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

本文利用線性回歸、小波分析和M-K突變分析工具等對皖北平原地區(qū)5個(gè)典型氣象站56年降水規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：

(1)皖北平原降水量時(shí)間上相差懸殊，多年平均降水為848.41 mm，多雨年為少雨年的2～3倍。56年來降水趨勢總體而言年降水量有增長趨勢，降水傾向率為8.51 mm/10 a。皖北平原56年降水距平33年為負(fù)，23年為正。1960年代、1990年代和2000年代降水總量呈增長趨勢，為相對豐水期。從季節(jié)上看，除夏季外，春季、秋季和冬季降水量總體變化趨勢不顯著，降水傾向率分別為-3.59 mm/10 a、-2.50 mm/10 a和2.13 mm/10 a；夏季降水變化較為明顯，總體上呈增長趨勢，降水傾向率為12.93 mm/10 a。1988年是夏季降水的分界點(diǎn)，1988年之后開始逐漸增加，降水量比以前增長了3.14倍。

(2)小波分析結(jié)果顯示：區(qū)域年降水量存在不同尺度的周期變化，2000年以后存在15年的長震蕩周期，1970年代又存在10年的次周期，其余年份變化周期基本都在3～5年，且貫穿整個(gè)研究序列。季節(jié)降水周期變化中也都存在10、15和5～10年的變化?？傮w上以5～10年變化的周期最突出。

(3)對于時(shí)間突變，皖北平原年降水量56年經(jīng)歷了減少→增加的變化過程。經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，在1994年附近通過95%信度檢驗(yàn)，說明年降水量在該位置發(fā)生突變，但變化不明顯。春季、秋季和冬季降水量時(shí)間上沒有發(fā)生突變，夏季UF和UB曲線在95%的顯著性檢驗(yàn)中交于1994年，為降水量突變點(diǎn)的開始時(shí)間，但突變變化不顯著。

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[責(zé)任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Time Variability of Precipitation of Northern Plain in Anhui Province in Past 56 Years

SU Hai-min,HE Ai-xia,YUAN Xin-tian

(School of Environmental and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

A total of 56 years of monthly precipitation data in 5 meteorological stations of the Northern Plain in Anhui Province from 1957 to 2012 were applied by trends analysis,wavelet analysis and Mann-Kendall abrupt change analysis to analyze time variation features of interannual and interdecadal precipitation. The results indicated that:(1)the annual precipitation showed a rising trend with the tendency rate 8.51 mm/10 a.more than the average annual precipitation in 33 years and less in 23.And there were 3 abundant water periods in 1960,1990 and 2000.In addition,we found that the seasonal variation trend of precipitation was not significant except in summer at the rate-3.59 mm/10 a,12.93 mm/10 a,-2.50 m/10 a and 2.13 mm/10 a,respectively;(2)Wavelet analysis indicated that precipitation series existed oscillation period of 10 to 15 years,time period of 5 to10 years and small period of 3 to 5 years of the Northern Plain in Anhui Province in 56 years;(3)After the sliding test,the annual precipitation mutation occurred in 1994 but with no obvious change and mutation,which was in line with summer.Nevertheless,there were no mutations in spring,autumn and winter.

northern plain in Anhui Province;trends analysis;wavelet analysis;Mann-Kendall method

安徽省高校重點(diǎn)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013A244,KJ2013Z322)；安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題(2014YKF01)；宿州學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2014yyb06)；宿州學(xué)院學(xué)術(shù)技術(shù)骨干項(xiàng)目(2014XJGG06)

蘇海民(1979-),男，山東鄄城人，副教授，碩士；研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境。

S 161.6

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.04.014

來稿日期：2015-04-03