季 平，莫林謀

(河南省水利勘測設(shè)計(jì)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(qū)域的降水模式和水循環(huán)過程[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會IPCC在2011年發(fā)布的特別報(bào)告中指出，極端天氣事件在未來還會增加，由此引發(fā)的洪澇災(zāi)害、水資源短缺等問題將會日趨嚴(yán)重[2]。我國作為典型的發(fā)展中國家，隨著近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化進(jìn)程加快，極端降水和洪澇災(zāi)害的發(fā)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(zāi)人數(shù)160.2萬[4]；2021年的鄭州“7·20”特大暴雨的小時降水最高達(dá)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(xiàn)已經(jīng)嚴(yán)重影響到社會的和諧穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

長時間的水文氣象序列，如降水、蒸發(fā)等，其演變規(guī)律除隨機(jī)性外，還具有一定的周期性和趨勢性特征[6- 7]。目前，關(guān)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(yàn)法[9]、游程檢驗(yàn)法[10]和小波變換分析[11]等。許多學(xué)者針對水文氣象序列演變特征與規(guī)律開展了分析與研究，如姜洋[12]利用游程檢驗(yàn)法對大伙房水庫近56年的降水蒸發(fā)變化趨勢進(jìn)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(guī)律進(jìn)行了分析，并得出了全區(qū)內(nèi)降水呈增加趨勢的結(jié)論；Wu等[14]運(yùn)用連續(xù)小波變換的方法對長江中下游的降水指標(biāo)變化規(guī)律進(jìn)行分析，并指出極端的降水突變發(fā)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(nèi)不同區(qū)域的降水都發(fā)生了較為明顯的變化，因此，定量分析氣候變化過程中區(qū)域降水的發(fā)展演變規(guī)律是水文領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，對區(qū)域洪澇災(zāi)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(fēng)環(huán)流和復(fù)雜地形影響，時空分布不均，區(qū)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(xiàn)象發(fā)生頻率呈增長趨勢[3]，如2003年發(fā)生的“8.8—8.9”暴雨，過程雨量超過290mm[17]；2008年9月下旬發(fā)生的持續(xù)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(dāng)?shù)睾闉?zāi)預(yù)防能力，保障當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要指導(dǎo)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(yàn)法以及滑動T檢驗(yàn)法相結(jié)合的復(fù)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(jìn)行分析探討，旨在為綿陽市的水資源開發(fā)管理、防洪減災(zāi)等工作的開展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

綿陽市位于中國四川盆地西北部，涪江中上游區(qū)域綿陽市內(nèi)多山地丘陵，地勢北高南低，高差達(dá)5092.8m，地形復(fù)雜。屬亞熱帶山地濕潤季風(fēng)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(nèi)分布不均，主要集中在汛期，在雨水充沛年份易發(fā)生洪澇災(zāi)害[20]。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 氣象數(shù)據(jù)

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(qū)域內(nèi)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(jì)算每年的全年總降水量和汛期內(nèi)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(yàn)法以及滑動T檢驗(yàn)法這4種方法來研究綿陽區(qū)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(shù)據(jù)，以計(jì)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(wù)發(fā)展趨勢，計(jì)算過程如下[21]：

(1)

式中，xi—原序列數(shù)值，即年降水量，mm；Mj—新序列數(shù)值，mm；n—原序列長度；k—滑動長度，本文使用5點(diǎn)滑動平均，即取k=2。

(2)累積距平法(Accumulative anomalies)

累積距平法通過計(jì)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(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度和變化趨勢，進(jìn)而確定序列值的變化趨勢和突變拐點(diǎn)，計(jì)算過程如下[22]：

(2)

(3)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法通過計(jì)算構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量秩序列，判斷序列發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)，計(jì)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(jì)數(shù)。

假定序列樣本隨機(jī)獨(dú)立，定義信度水平統(tǒng)計(jì)量UFk[11]：

(4)

(5)

(6)

式中，UFk—正態(tài)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(fù)上述過程，得到變化度統(tǒng)計(jì)量UBk[11]：

UBk=-UFk，k=n+1-k

(7)

設(shè)定顯著水平α，若UFk和UBk的變化曲線在臨界范圍內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)時間就是突變開始時間。

(4)滑動T檢驗(yàn)法

滑動T檢驗(yàn)法通過滑動點(diǎn)檢驗(yàn)前后兩段子序列的平均值差異是否顯著來判斷是否發(fā)生突變，具體計(jì)算過程如下[6]：

將原始樣本序列{x1，x2，…，xn}在某一滑動點(diǎn)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(tǒng)計(jì)量T：

(8)

(9)

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

3 結(jié)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(jìn)行趨勢擬合，結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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?yàn)?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(tài)分布特性如圖2所示。結(jié)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(tài)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(guān)特征見表2。結(jié)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(shù)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(shù)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(shù)為0.29，說明該時期降水量變化幅度增大，且呈現(xiàn)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(yàn)法和滑動T檢驗(yàn)法相結(jié)合的方法分析綿陽市多年降水序列的突變點(diǎn)。信度水平統(tǒng)計(jì)量UFk和變化度統(tǒng)計(jì)量UBk的變化過程如圖4所示，95%置信區(qū)間的閾值線為±1.96；滑動T檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，95%置信區(qū)間的閾值線為±4.30。年降水量的UFk和UBk曲線交點(diǎn)出現(xiàn)在1977、1982、1986、1994年附近，同時滑動T檢驗(yàn)結(jié)果顯示超出閾值線的點(diǎn)為1994年，因此，判斷1994年為年降水量的變異分割點(diǎn)。汛期的UFk和UBk曲線交點(diǎn)出現(xiàn)在1988年和1995年附近，滑動T檢驗(yàn)結(jié)果的突變時間點(diǎn)為1987年，因此，推斷1987年是綿陽市汛期降水的變異分割點(diǎn)。年降水和汛期降水的突變時間點(diǎn)不同，這可能與氣候條件和降水的時空分布不均有關(guān)，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(yàn)

變異點(diǎn)前后的綿陽市年降水量和汛期降水量變化情況見表3。結(jié)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(jié)語

基于綿陽氣象站1975—2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，以年降水量、汛期降水量為特征變量，采用滑動平均法進(jìn)行趨勢分析，采用累積距平法進(jìn)行階段性特征分析，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和滑動T檢驗(yàn)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，得到結(jié)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(xiàn)年份統(tǒng)一，且整體變化趨勢相似，都呈下降趨勢，年降水變化傾向?yàn)?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(diǎn)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(guān)。

研究結(jié)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(dāng)?shù)毓芾聿块T提前制定洪澇應(yīng)對措施、優(yōu)化水資源配置提供理論參考。