楊繼翔

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018

自第一次工業(yè)革命以來，人類的生產(chǎn)力得到了質(zhì)的飛躍，創(chuàng)造了巨大的效益，對周圍環(huán)境也產(chǎn)生了影響，而且隨著生產(chǎn)力水平的不斷提升，人類對環(huán)境的影響越來越大[1]。進入21世紀(jì)之后，受到氣候變化和人類活動的影響，流域水文要素也發(fā)生了變化，各種極端水文事件層出不窮[2]。水文要素是水文情勢的主要物理量，也是反映河流水文情勢變化的主要尺度，影響著人類社會的發(fā)展[3]。

在各項水文要素中，降水是重要的組成部分。針對我國降水量動態(tài)變化和人為影響因素，截至目前已經(jīng)有大量研究學(xué)者對此方面展開了大量的實地調(diào)研、模型建立、水文演算，并可以初步分析出某一地區(qū)的降水變化情況[4]?；贛ann-Kendall檢驗法對濱州市2011—2020年全年降水量的年際變化進行分析，得出濱州市近10年來降水的統(tǒng)計特性，為市區(qū)合理開發(fā)利用水資源提供保障[5]。

1 研究區(qū)概況

濱州市位于36°41′19″N~38°16′14″N，117°15′27″E~118°37′ 03″E，東西最大跨徑120 km，南北最大跨徑175 km，總面積9 660 km2。該市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬春風(fēng)多雨少，夏秋炎熱多雨，多年平均降水量為600 mm左右，多年平均水資源總量為30.67億m3，其中多年平均當(dāng)?shù)厮Y源量10.16億m3，多年平均客水資源量20.52億m3，人均水資源占有量265 m3[6]。

2 研究數(shù)據(jù)

分析計算數(shù)據(jù)來自各年《山東省統(tǒng)計年鑒》各市降水量中的濱州市部分，所選取的資料系列從測驗方法、條件以及水流特性等方面分析[7]，均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)可靠且準(zhǔn)確。

Mann-Kendall趨勢分析法計算公式如下：

式中xk和xi為連續(xù)的氣候、水文等數(shù)據(jù)序列，n為數(shù)據(jù)集合的總長度，t為每個單位的寬度，Σ表示所有單位的總和。

衡量趨勢大小的指標(biāo)：

式中1＜j＜i＜n，β代表的是斜率，正的則是上升，負(fù)的代表下降，值的大大小代表趨勢明顯與否。

Mann-Kendall檢驗如下所示：

零假設(shè)H0：β=0。

Mann-Kendall突變檢驗方法是應(yīng)對不穩(wěn)定且不連續(xù)的變化過程提出的檢驗方法，該方法對變化要素從相對穩(wěn)定狀態(tài)變化到狀態(tài)的變化檢驗非常有效，計算相對簡單[8]。這種方法經(jīng)過氣象水文專業(yè)使用后，排除外界相關(guān)影響因素效果良好且對其檢驗結(jié)果無影響，適用于非正態(tài)分布的水文氣象資料[9]。Mann-Kendall突變檢驗方法如下。

對于有n個樣本的時間序列x，構(gòu)造一個秩序列：

可見，秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

式 中，UK1=0，E(sk)和var(sk)是sk的均值和方差。

在x1，x2，…，xn相互獨立，且相同連續(xù)分布時，由下式算出：

UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出的統(tǒng)計量序列。把再按時間序列的逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時使UD=-UF，UD=0。給定顯著性水平α，臨界值，將UF和UD兩個統(tǒng)計量曲線和顯著性水平線繪在同一個圖上。

在檢驗曲線圖中，若UF線在臨界線內(nèi)變動，則表明變化曲線趨勢和突變不明顯；UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢；當(dāng)超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為突變的時間區(qū)域。如果UF和UD兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時間。

在計算結(jié)果中，若Z＜0，則表示濱州市降水統(tǒng)計量呈下降趨勢；若Z＞0，則表示濱州市降水統(tǒng)計量呈上升趨勢；若Z＝0，則表示濱州市降水統(tǒng)計量沒有趨勢。取z的絕對值和置信值的比較，得出在此種條件下有沒有顯著性趨勢。當(dāng)Z的絕對值≥2.32、1.64、1.28等數(shù)值時，則代表濱州市降水統(tǒng)計值的置信度分別為99.0%、95.0%、92.0%，即趨勢性檢驗水平分別為0.01、0.05、0.10。

3 降水量分析

濱州市2011—2020年降水量分別為481.8、683.5、816.0、439.6、678.2、606.6、613.3、846.0、622.6、625.9 mm，變化趨勢見圖1。該市近10年平均降水量為641.3 mm，年際變化較大，在2018年達(dá)到最大值為846.0 mm，在2014年達(dá)到最小值439.6 mm，其極差為406.4 mm，比值達(dá)到1.92。該市年降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，由線性擬合得到擬合方程：y=8.9097x-17316（R2=0.0454）。

圖1 濱州市2011—2020年降水量趨勢圖

4 降水量變化分析

降水量變化分析是掌握一個地區(qū)降水環(huán)境的關(guān)鍵，為了進一步掌握濱州市的降水量的動態(tài)變化趨勢，針對濱州市2011—2020年年降水量，使用Python-pymannkedall程序?qū)?0年進行編程分析：import pymannkendall as mk, data=[481.8，683.5，816.0，439.6，678.2，606.6，613.3，846.0 ，622.6，625.9]，mk1=mk.original_test(data), print(mk1)。程序得到參數(shù)：P=0.5915，Z=0.5367，Tau=0.1556，S=7.0，var_s=125.0，slope=4.825，intercept=602.5375。

Z值為正值，印證上升趨勢，但分別都及Z的絕對值≤2.32、1.64、1.28，小于置信度為99%、95%、92%的顯著性檢驗及趨勢檢驗水平分別為0.01、0.05、0.10，說明在年降水量變化過程中，降水無顯著性增長。

再分別計算2011—2020年月降水量：1月份Z=0.6286，S=8.0，上升趨勢；2月Z=0.0000，S=1.0，無 趨 勢；3月Z=0.8944，S=11.0，上升趨勢；4月Z=1.0733，S=13.0，上升趨勢；5月Z=0.3578，S=5.0，上升趨勢；6月Z=-0.1789，S=-3.0，下降趨勢；7月Z=-0.4490，S=-6.0，下降趨勢；8月Z=1.7889，S=21.0，上升趨勢；9月Z=-0.8944，S=-11.0，下 降 趨 勢；10月Z=-0.1789，S=-3.0，下 降 趨 勢；11月Z=-1.0733，S=-13.0，下降趨勢；12月Z=-0.5367，S=-7.0，下 降 趨 勢。

其中，8月Z≥1.64，證明8月在為置信度95%呈上升趨勢，其他月份均無顯著性趨勢。

根據(jù)Mann-Kendall檢驗法，計算出各年的UF和UD值，如表1所示，2011—2020年UF值分別為0、1、1.57、0、0、-0.19、-0.15、0.74、0.63、0.63，UD值分別為0.63、0、0.49、1.35、0.56、1.47、0.68、-0.52、1、0。

表1 Mann-Kendall檢驗?zāi)杲邓侩p線值

如圖2所示，濱州市2011—2020年的UF曲線和UD曲線在多處地方相交，分別在2011—2012年、2013—2014年、2017—2018年、2018—2019年、2019—2020年共5處交點，說明在這10年間濱州市年降水量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有5處疑似年降水量突變點，可后續(xù)結(jié)合小波分析法、滑動T檢驗法等方法進一步確定。

圖2 Mann-Kendall突變年降水量相交圖

5 降水量影響因素分析

作為全球各類生物生存的基本環(huán)境，氣候在全球系統(tǒng)中扮演著最重要的角色，氣候的任何變化都會直接或間接影響全球各個自然生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)，其影響效應(yīng)有正有負(fù)。在全球變暖的趨勢下，兩極永久冰川、凍土和山頂積雪減少，部分河流徑流增多，氣溫升高也導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，降水變多，符合濱州市降水量連年增長的事實。目前，對于氣候變化可能造成的極端天氣的變化，如厄爾尼諾現(xiàn)象、干旱、洪水、熱浪、雪崩、風(fēng)暴、沙塵暴等，其機制尚不明確，發(fā)生頻率和強度可能會提高。由這些極端事件引起的后果也會變得更加嚴(yán)重。如干旱發(fā)生頻率和強度的提高，加劇草地土壤侵蝕，因而將擴大荒漠化或沙漠化的范圍。

人類的生產(chǎn)力得到了質(zhì)的飛躍，雖然創(chuàng)造了巨大的效益，但對周圍環(huán)境也產(chǎn)生了影響。而且隨著生產(chǎn)力水平的不斷提升，人類對環(huán)境的破壞越來越嚴(yán)重。在人類日常生活和生產(chǎn)活動中，因化石燃料的大量燃燒而釋放大量溫室氣體，環(huán)境也隨之發(fā)生了變化。

6 建議

建立數(shù)據(jù)庫，其建設(shè)內(nèi)容主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專用數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫4個部分組成。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫儲存水利及與水利密切相關(guān)行業(yè)的數(shù)據(jù)，我國基本已經(jīng)建立水文數(shù)據(jù)庫、水利工程數(shù)據(jù)庫、水資源數(shù)據(jù)庫、水土監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫都具有共享性好、社會需求量大的特點。專用數(shù)據(jù)庫基本涉及水利行業(yè)保密資料，不會輕易公開，該數(shù)據(jù)庫以滿足專業(yè)應(yīng)用需求為主，原則上滿足某一特定需求的數(shù)據(jù)都可進入該數(shù)據(jù)庫。元數(shù)據(jù)庫是對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和專用數(shù)據(jù)庫各類實體數(shù)據(jù)進行描述的數(shù)據(jù)。主題數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的重點領(lǐng)域，它是一個工程或項目概念。

氣象部門要實現(xiàn)智慧化運行，打破行業(yè)信息壁壘，使得信息共享落于實處，加強與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然資源行業(yè)、環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的合作。針對降水變化的區(qū)域位置開展信息監(jiān)測、分析評價、優(yōu)化調(diào)度等方面的聯(lián)動，推進各方工程業(yè)務(wù)的融合，構(gòu)建信息共享平臺，降低信息獲取的時間成本。

7 結(jié)論

運用Mann-Kendall檢驗法對濱州市2011—2020年的年降水量進行了探究并得出了以下結(jié)論。

（1）從年際變化來看，平均降水量為641.3 mm，年際變化較大，在2018年達(dá)到最大值846.0 mm，在2014年達(dá)到最小值439.6 mm，其極差為406.4 mm，比值達(dá)到1.92。該市年降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，由線性擬合得到擬合方程：y=8.9097x-17316。

（2）根 據(jù)Mann-Kendall檢 驗 結(jié)果，Z=0.5367為正值，證明其上升趨勢，但分別都小于置信度為99%、95%、90%的顯著性檢驗，說明在年降水量變化過程中，降水無顯著性增長。2011—2020年，8月Z≥1.64，證明8月在為置信度95%呈上升趨勢，其他月份均無顯著性趨勢。

（3）根 據(jù)Mann-Kendall檢 驗 結(jié)果，2011—2020年濱州市的UF和UD在5處地方相交，降水量突變點偏多，說明降水量波動大，可能與氣候變化和相關(guān)人類活動有關(guān)。

通過研究2011—2020年濱州市降水變化情況，可以初步了解氣候變化情況，為水資源的合理應(yīng)用提供保障。