李 娜，孫穎娜，齊 凡，閻 爍

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

洪澇災(zāi)害與降水量的改變密不可分。由于我國(guó)跨越多個(gè)緯度地區(qū)，不同緯度地區(qū)氣候變化差別一般比較大。氣候變化一般表現(xiàn)在光照時(shí)間、溫度、水體自身特性等一系列波動(dòng)變化，因此氣候變化一定對(duì)人類生活環(huán)境有著很大影響。為此，分析降水的變化特征對(duì)我們的生活和發(fā)展都有著深遠(yuǎn)意義。

任國(guó)玉等[1]通過(guò)分析氣象因素的隨機(jī)變化特征，得出氣象因素與降水的變化密切相關(guān)，而且與地域范圍有很大聯(lián)系。常軍等[2]對(duì)黃河流域內(nèi)年降水量變化特征進(jìn)行分析，得出黃河流域內(nèi)年降水量呈下降趨勢(shì)，為水利事業(yè)做出卓越貢獻(xiàn)。曾小凡等[3]分析了長(zhǎng)江流域降水量，分析發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域內(nèi)年降水量具有區(qū)域性特性，隨著年降水量不同，時(shí)間變化特征也不相同，且差異較明顯。劉丙軍等[4]通過(guò)分析珠江流域下游地區(qū)降水量的時(shí)空特征，得出降水量時(shí)空分布上不平均，且空間分布與時(shí)間分布差異明顯。曾思棟等[5]分析了永定河降水量，得出永定河降水量呈遞減趨向，而且趨勢(shì)明顯。Tosic等[6]在分析黑山和塞爾維亞夏秋季的降水中發(fā)現(xiàn)降雨變化特征，為其預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。Michele等[7]通過(guò)對(duì)意大利的日照、水質(zhì)等進(jìn)行了分析研究發(fā)現(xiàn)，意大利的溫度較高，空氣干燥，由于潮濕天氣的減少導(dǎo)致了降水的減少。通過(guò)以上研究得出，由于區(qū)域的差異性，降水變化也存在明顯差異。所以通過(guò)對(duì)某一地區(qū)降水的隨機(jī)特征進(jìn)行準(zhǔn)確性研究，是未來(lái)降水預(yù)測(cè)科學(xué)研究的根本依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)地處三江平原東南部，隸屬黑龍江農(nóng)場(chǎng)總局建三江分局，南與創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)相望；北和濃江農(nóng)場(chǎng)相鄰；東與洪河農(nóng)場(chǎng)相接；西與青龍山相連，總控制面積76 666.7 hm2，耕地面積55 333.3 hm2占總控制面積的72%，農(nóng)場(chǎng)內(nèi)主要糧食作物為小麥、大豆、水稻、玉米。

農(nóng)場(chǎng)位于松花江、黑龍江和烏蘇里江三角洲地帶，屬于黑龍江省第三積溫帶，是寒溫帶大陸性太平洋季風(fēng)氣候，夏季溫暖濕潤(rùn)，年降雨量350～840 mm，年無(wú)霜期125～130 d，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，地下水儲(chǔ)量和補(bǔ)給量極為豐富。

2 研究方法

2.1 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是一種常用的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法。為了減小數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)研究結(jié)果的影響，運(yùn)用選取平均值的方式處理數(shù)據(jù)來(lái)減少實(shí)驗(yàn)誤差。這也可以使序列變化的趨勢(shì)性和階段性更加直觀的呈現(xiàn)出來(lái)。

對(duì)序列x1,x2,…，xn的幾個(gè)前期值取平均值，與此同時(shí)對(duì)后期值也做相同處理，以此求出新的序列yt，使原序列更加光滑，這種方法就叫做滑動(dòng)平均法，其公式如下：

(1)

式中：m的取值具有關(guān)鍵性作用，它決定了滑動(dòng)平均所取前期值和后期值的個(gè)數(shù)。本文取m等于2，即滑動(dòng)平均為5年滑動(dòng)平均。

2.2 線性趨勢(shì)法

設(shè)樣本量為n，某氣候變量為x，其所對(duì)應(yīng)時(shí)間為t，建立方程來(lái)描述x與t的關(guān)系如式(2)所示。

x=a+bt(t=1,2,…,)

(2)

式中：a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)。采用最小二乘法計(jì)算得出a、b值，計(jì)算公式如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

式中：b為趨勢(shì)分析系數(shù)，b×10即氣候傾向率，mm/10 a。

2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

定義x1,x2,…,xn為某一時(shí)間序構(gòu)造秩序列ri,ri表示當(dāng)1≤j≤i時(shí)的樣本累積數(shù)。定義sk如式(5)、(6)所示：

(5)

(6)

sk的均值E(sk)與方差Var(sk)定義如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

假定時(shí)間的序列隨機(jī)獨(dú)立，統(tǒng)計(jì)量UFK計(jì)算如式(9)所示：

(9)

其中UFK為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，該計(jì)算中其值為0，k給定一顯著水平α，臨界值Uα通過(guò)查詢正態(tài)分布表得知，當(dāng)|UFK|>Uα表明序列存在一個(gè)明顯趨勢(shì)變化，UFK在文中表示為UF。將上式利用到反序列中，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，UBK的值可以用計(jì)算值乘以-1得到，本文中UB表示UBK。

進(jìn)一步分析序列x變化趨勢(shì),利用序列中UFk和UBk的值，同時(shí)確定突變時(shí)間，指出突變區(qū)域。當(dāng)序列呈上升趨勢(shì)，則UFk>0；反之則UFk<0；當(dāng)其超過(guò)臨界線時(shí)，則序列變化趨勢(shì)顯著。

3 降水量時(shí)間特征分析

3.1 年際變化特征

選取前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)1981—2010年逐年降水量數(shù)據(jù)為分析樣本，采用趨勢(shì)性分析和M-K突變檢驗(yàn)特征分析方法對(duì)降水量進(jìn)行時(shí)間特征分析。

(1)趨勢(shì)性分析。在年際變化規(guī)律中，近30 a來(lái)前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年降水量一直呈下降的趨勢(shì)。由于周期性的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)將數(shù)據(jù)運(yùn)用5 a滑動(dòng)平均方法進(jìn)行處理，結(jié)果表明：近30 a來(lái)前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)降水量沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，大體上呈波動(dòng)狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。

圖1 年降水量總體變化特征

(2)突變性分析。采用M-K方法分析前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年降水量突變特征，其分析結(jié)果如圖2所示。

前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)UF-UB曲線在1982年和1998年存在交點(diǎn)，即在1982和1998年降雨量發(fā)生突變，1982年后降雨量變化呈下降的趨勢(shì)。年降雨量在1998年之前較平穩(wěn)，在1998年降雨量達(dá)到最大，1998年之后呈下降趨勢(shì)。

圖2 年降水量M-K突變分析

3.2 年內(nèi)變化特征

選取前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)1981—2010年30 a前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)逐月降水?dāng)?shù)據(jù)為分析樣本，采用趨勢(shì)分析和M-K突變檢驗(yàn)特征分析方法對(duì)降水量進(jìn)行時(shí)間特征分析。

(1)趨勢(shì)性分析。通過(guò)M-K突變分析圖可以直觀看出：在年際變化上，近30 a來(lái)前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)春季年際傾向率為正值，降水量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；夏季、秋季冬季年際傾向率都為負(fù)值，降水量均呈下降的趨勢(shì)。由于周期性變化對(duì)研究結(jié)果有影響，為了消除影響，故將數(shù)據(jù)運(yùn)用5 a滑動(dòng)平均方法進(jìn)行處理，結(jié)果表明1981—2010年降水量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3～圖6)。

圖3 春季降水量總體變化特征

圖4 夏季降水量總體變化特征

圖5 秋季降水量總體變化特征

圖6 冬季降水量總體變化特征

(2)突變性分析。采用M-K方法分析前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年季降水量的突變特征，其分析結(jié)果如圖7～圖10所示。

如圖7所示，春季UF-UB曲線在1998年存在1個(gè)交點(diǎn)，說(shuō)明前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)在1998年春季降水量發(fā)生突變，春季降水量趨勢(shì)表現(xiàn)為在1998年后下降；如圖8所示，夏季UF-UB曲線有2001年和2002年2個(gè)交點(diǎn)，即在2001年和2002年降水量發(fā)生突變，表示為夏季的降水量在2001年后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在2002年后呈上升趨勢(shì)；如圖9所示，秋季UF-UB曲線有1981年、1982年、1998年3個(gè)交點(diǎn)，即在1981年、1982年和1998年降水量發(fā)生突變，降水量主要趨勢(shì)表現(xiàn)為在1981年、1982年和1998年后均下降，且1991年和1992年下降趨勢(shì)不顯著，1998年降水量下降趨勢(shì)極顯著；如圖10所示，冬季UF-UB曲線有2003年1個(gè)交點(diǎn)，即在2003年降水量發(fā)生突變，具體表現(xiàn)為2003年以后降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖7 春季降水量M-K突變分析

圖8 夏季降水量M-K突變分析

圖9 秋季降水量M-K突變分析

圖10 冬季降水量M-K突變分析

4 結(jié) 論

本文以前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年月降水量(1981—2010年)為研究對(duì)象，采用了滑動(dòng)平均法、趨勢(shì)分析法和M-K突變檢驗(yàn)分析法。在應(yīng)用Excel，Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和編程的基礎(chǔ)上，對(duì)前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年際、年內(nèi)降水量進(jìn)行具體時(shí)間特征分析，得出以下結(jié)論：

(1)降水量年際變化趨勢(shì)。前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)UF-UB曲線有1982年和1998年2個(gè)突變點(diǎn)，即前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)年降水量1982年后呈下降的趨勢(shì)，年降水量在1998年之前較平穩(wěn)，在1998年降水量達(dá)到最大，1998年之后呈下降趨勢(shì)。

(2)降水量季節(jié)變化趨勢(shì)。春季UF-UB曲線有1998年1個(gè)突變點(diǎn)，表示為春季的降水量在1998年后呈下降趨勢(shì)；夏季UF-UB曲線有2001年和2002年2個(gè)突變點(diǎn)，表示為夏季的降水量在2001年后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在2002年后呈上升趨勢(shì)；秋季UF-UB曲線有1981年、1982年、1998年3個(gè)突變點(diǎn)，表現(xiàn)為降水量在1981年、1982年和1998年均呈下降趨勢(shì)，且1991年和1992年下降趨勢(shì)不顯著，1998年降水量下降趨勢(shì)極顯著；冬季UF-UB曲線有2003年1個(gè)突變點(diǎn)，具體表現(xiàn)為1998年降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。