王 鑫 時曉寧 任修琳

(1.北京市密云水庫管理處，北京 101512；2.北京市水務(wù)工程建設(shè)與管理事務(wù)中心，北京 100036)

降水量是區(qū)域水資源量的重要補(bǔ)給來源，對于增加水資源量、改善生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。通過天然降水，可增加地表水面面積，補(bǔ)給地下水。北京市是一座水資源緊缺的大型城市，2014年底南水北調(diào)中線一期工程全線建成通水，“南水”進(jìn)京后成為保障北京城市用水需求的主力水源，為地下水提供了“休養(yǎng)生息”的機(jī)會。在全球氣候變化的大背景下，北京獨特的群山環(huán)繞地形加之處在西風(fēng)帶系統(tǒng)與太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)交互作用帶，北京地區(qū)的降水結(jié)構(gòu)變化顯著，極端天氣和暴雨事件頻發(fā)[1-3]。

國內(nèi)許多專家學(xué)者對區(qū)域降水特征開展了研究[4-6]，已取得了一些成果，但對于北京地區(qū)相關(guān)研究較少。本研究基于長時間序列2000—2019年北京市111個雨量站降水量資料，采用線性回歸法、累積距平法、Mann-Kendall檢驗法和ArcGIS插值方法[7-8]，分析了北京市近20年的降水變化趨勢和降水時空分布及變化特征，為北京市的水資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位，全市總面積16400km2，其中山區(qū)面積10200km2，約占總面積的62%；平原區(qū)面積為6200km2，約占總面積的38%。在地形地貌上，北京地勢西北高、東南低，西部、北部和東北部三面環(huán)山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。由于山脈交接、斷裂、下陷和侵蝕作用，形成了古北口、南口、永定河入口三個通道，影響北京氣候。在水文氣象上，北京屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季涼爽，冬季寒冷干燥，四季分明。受西風(fēng)帶影響，冬春盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)。年平均風(fēng)速2～3m/s，春季風(fēng)速最大，平均達(dá)3.5～4m/s。1956—2000年期間，多年平均降水量為585mm，降水總量為98億m3，其中山區(qū)降水量577mm，降水總量60億m3；平原降水量597mm，降水總量38億m3。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究根據(jù)監(jiān)測站點坐標(biāo)有無以及監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失情況，最終選取北京市111個雨量站年、汛期、非汛期3個不同時期降水量資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。年統(tǒng)計為每年的1—12月之和，汛期統(tǒng)計為5—10月之和。北京市雨量站空間分布見圖1。

圖1 北京市雨量站空間分布

2.2 研究方法

2.2.1 線性回歸法

線性回歸法是利用數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析確定兩種或兩種以上變量間相互關(guān)系的一種常見的統(tǒng)計分析方法。

2.2.2 累積距平法

累積距平法常用來判斷變化趨勢，利用各個時間節(jié)點的累積距平值繪制累積距平曲線，根據(jù)累積距平曲線的起伏可以直觀判斷長期的演變趨勢和持續(xù)性變化情況，并可以初步判斷發(fā)生突變的節(jié)點。

2.2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是提取趨勢變化的有效方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常數(shù)值的干擾，被廣泛應(yīng)用在水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的趨勢檢驗中[9]。

2.2.4 ArcGIS插值法

ArcGIS插值法被廣泛應(yīng)用于空間統(tǒng)計分析中，利用已知降水量數(shù)據(jù)的空間分布結(jié)構(gòu)，進(jìn)行空間插值分析，能夠預(yù)測某一區(qū)域內(nèi)樣本數(shù)據(jù)以外的降水量值。

研究采用線性回歸法、累積距平法分析北京市降水量的時間變化趨勢，運用Mann-Kendall趨勢檢驗法確定年降水量的突變特征，利用ArcGIS插值法分析北京市降水量的空間分布及變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量時間分布規(guī)律

2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量見表1。由表1可知，2000—2019年北京多年平均降水量為532mm，年最大降水量為711mm(2012年)，年最小降水量為410mm(2002年)；汛期(5—10月)多年平均降水量為482mm，汛期最大降水量為636mm(2016年)，最小降水量為365mm(2002年)；非汛期多年平均降水量為51mm，非汛期降水量最大值為122mm(2012年)，最小值為14mm(2006年)。

表1 2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量

將2000—2019年降水量、汛期降水量、非汛期降水量，通過3年滑動平均和趨勢線表示出來(見圖2)。

從圖2可以看出，2000—2019年北京市的降水量總體呈增加的趨勢。2008年以前3年滑動平均降水曲線基本處于多年平均線以下，說明2008年以前北京市降水量較少；2008年以后，3年滑動平均降水量曲線基本處于多年平均以上，說明2008年以后北京市降水量增多。

圖2 北京市2000—2019年年降水量

汛期降水量趨勢與年降水量基本一致(見圖3)，2008年汛期降水量583mm，超過了20年平均汛期降水量482mm，3年滑動平均降水曲線明顯升高；而非汛期的降水量、3年滑動平均降水曲線波動較大(見圖4)，非汛期降水量總體偏少，只有2012年達(dá)到122mm，其余年份均小于100mm，這也與北京市冬、春季干旱少雨的氣候特征一致。

圖3 北京市2000—2019年汛期降水量

圖4 北京市2000—2019年非汛期降水量

北京市2000—2019年降水距平值和累積距平值見圖5。從圖5可以看出，2002—2008年降水距平值以負(fù)值為主，是累積距平曲線的下降段，表明北京市年降水量在這一時期處于減少的狀態(tài)；2008—2019年降水距平值以正值為主，累積平均值呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，表明北京市年降水量在這一時期明顯增加。

圖5 北京市2000—2019年降水距平值和累積距平值

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對北京市2000—2019年年降水量數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果見圖6。所有UFk組成一條曲線UF，反序列得到另一條曲線UB，選取顯著性水平為95%的置信度(α=0.05)對其進(jìn)行評價，即U0.05/2=±1.96，將統(tǒng)計量曲線UF、UB和±1.96兩條直線均繪在同一張圖上。如果UF的值大于0，則表明降水?dāng)?shù)列呈上升趨勢，小于0則表明降水量呈下降趨勢。將UF超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，如果UF和UB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)的時刻便是突變開始的時間[10]。

圖6 降水量的Mann-Kendall突變分析

從圖中可以看出：

a.按時間順序升序排列計算的統(tǒng)計量UF大多數(shù)為正值，且其值隨時間逐漸變大，可知年降水量在2000—2019年呈上升趨勢，這與線性分析、累積距平分析的結(jié)果相符。

b.2011—2013年、2015—2019年這兩個時間段的UF曲線超過臨界線，說明此兩段時間內(nèi)的降雨為突變狀態(tài)。

c.在2002年、2006年和2014年曲線UF與UB出現(xiàn)相交點，表示降水趨勢發(fā)生改變，這與年降水量變化相符合，這三年為降水量從下降趨勢變?yōu)樯仙厔莸墓拯c。

3.2 降水量空間分布特征

依據(jù)現(xiàn)有雨量站的降水?dāng)?shù)據(jù)繪制北京市多年平均降水量的等值線圖(見圖7)。從圖7中可以看出，北京市年降水量空間分布并不均勻，降水量較大區(qū)域(深灰色)集中在北部迎風(fēng)帶(密云西部、懷柔東部)、平谷東部，多年平均降水量均大于600mm；而延慶西部、大興、通州南部相對較少，這可能與夏季主要影響北京降水的氣團(tuán)方位和運動途徑有關(guān)。從圖7還可以看出，北京市降水量基本在400mm以上，這與北京市屬于半濕潤地區(qū)的情況相符合。

圖7 2000—2019年北京市年降水量時空變化情況

2000—2019年北京市汛期降水量時空變化情況見圖8。汛期降水空間形態(tài)與年降水量相似度較高，空間特征基本吻合，汛期降水量大，對北京市降水量的貢獻(xiàn)率均超過80%，從圖8中可以看出，大部分地區(qū)的降水量均高于400mm。同樣，在北部迎風(fēng)帶、平谷東部汛期降水量較大，多達(dá)500mm以上。在門頭溝北部、延慶西南部汛期降水量最少，均在400mm以下。

圖8 2000—2019年北京市汛期降水量時空變化情況

4 結(jié) 語

本文基于北京市111個雨量站降水量數(shù)據(jù)，分析了2000—2019年北京市降水量時空分布特征，得出如下結(jié)論：

a.時間分布上，2000—2019年北京市的降水量總體上呈增加的趨勢。多年平均降水量為532mm，年降水量波動范圍為410～711mm。峰值出現(xiàn)在2012年，年降水量為711mm；2002年降水量最低，僅為410mm。汛期(5—10月)多年平均降水量為482mm，非汛期多年平均降水量為51mm。

b.空間分布上，北京市年降水量空間分布差異明顯，東北部與西南部較高，西北部與東南部較低，降水量主要集中在北部迎風(fēng)帶(密云西部、懷柔東部)、平谷東部，多年平均降水量均大于600mm；而延慶西部、大興、通州南部相對較少。

c.通過Mann-Kendall趨勢檢驗，北京市的降水量總體上呈增加趨勢，與線性分析、累積距平分析的結(jié)果相符。突變點在2002年、2006年和2014年，與年降水量趨勢變化相符。

通過對北京市降水量時空分布特征的研究，可以清楚地了解北京市近20年降水量的變化特征，為北京市的水資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)。為適應(yīng)北京市水資源精細(xì)化管理要求，下一步應(yīng)結(jié)合氣象、防洪排澇等因素，加強(qiáng)對于局地降水量以及降水過程的分析研究工作。