王 偉 文 武 任中杰

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局,江蘇 徐州 221018)

降水是地表和地下水資源量時(shí)空變異性的主要控制因子,降水不均勻的空間分布和時(shí)間變化上的不穩(wěn)定性是導(dǎo)致干旱、極端降水等自然災(zāi)害頻發(fā)最直接的原因[1-4]。 降水量的時(shí)空分布規(guī)律直接影響著區(qū)域干旱和洪澇等自然災(zāi)害的發(fā)生,因此研究區(qū)域降水的變化規(guī)律,可以為合理利用雨水資源,提高應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害能力提供科學(xué)的幫助,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對(duì)不同地區(qū)降水量的時(shí)空分布特征及趨勢(shì)進(jìn)行了分析,MALLICK J et al.[5]利用Mann-Kendall 系列檢驗(yàn)、創(chuàng)新趨勢(shì)分析、去趨勢(shì)波動(dòng)分析等方法對(duì)沙特阿拉伯Asir 地區(qū)年降水量變異性和趨勢(shì)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明研究區(qū)未來(lái)降水出現(xiàn)了負(fù)趨勢(shì);AGOSSOU G T et al.[6]采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)和Sen’s slope 方法,對(duì)多哥北部地區(qū)月降水量和年降水量、最低氣溫和最高氣溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明以上地區(qū)年降水量均呈增加趨勢(shì);王安琪等[7]利用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、滑動(dòng)平均法和線性回歸法從年降水量和季降水量?jī)蓚€(gè)角度分析了大凌河流域朝陽(yáng)地區(qū)降水量的變化,發(fā)現(xiàn)朝陽(yáng)區(qū)降水量呈下降趨勢(shì);馬子平等[8]應(yīng)用Mann-Kendall 趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)及回歸分析的方法,分析了山西滹沱河流域降水的時(shí)空分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)夏季平均降水量呈微弱的增加趨勢(shì),呈東南向西北遞減的空間分布特征。

針對(duì)徐州市降水量時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)的研究[9-11]比較有限,為更精確研究徐州市降水量的年內(nèi)年際演變趨勢(shì)及其時(shí)空分布特征,本文根據(jù)徐州市1956—2021 年的實(shí)測(cè)降水資料,采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、Theil-Sen 斜率法、線性回歸方程等方法計(jì)算評(píng)價(jià)年均降水量的年際變化及其演變趨勢(shì)、突變以及降水空間分布的基本規(guī)律,為徐州市降水預(yù)測(cè)和防汛抗旱以及提前制定應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害對(duì)策提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

徐州市位于江蘇省西北部、黃淮海平原的南部之間。 徐州市大部分為平原地區(qū),少部分低山丘陵多分布在徐州北部賈汪地區(qū),地勢(shì)西北高東南低。 屬溫帶季風(fēng)性氣候區(qū),一年四季分明,多年平均氣溫14℃,多年平均年降水量800 ～930mm,汛期(5—9 月)降水集中,易發(fā)生城市內(nèi)澇。

本文分析計(jì)算所使用的降水量資料為20 個(gè)國(guó)家基本雨量站1956—2021 年降水量資料(李集雨量站始于1974 年),數(shù)據(jù)來(lái)源于江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局,降水量資料經(jīng)過(guò)整編且通過(guò)審查,翔實(shí)可靠。本次研究中的時(shí)間尺度為年,20 個(gè)基本雨量站站點(diǎn)空間分布也比較均勻,具有代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

在M-K 檢驗(yàn)中[12],原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)X=(x1,…,xn),是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)分布的樣本;備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn),對(duì)于所有的i≤n,j≤n,且i≠j,xi和xj的分布并不相同,趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算公式如下:

式中:xi、xj為時(shí)間序列的第i、j個(gè)數(shù)據(jù)值;n為數(shù)據(jù)樣本長(zhǎng)度;sgn 為符號(hào)函數(shù),具體定義如下:

統(tǒng)計(jì)量S服從正態(tài)分布,其均值為0,方差Var(S)按下式計(jì)算:

式中:ti是第i組的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目。

當(dāng)n≥8 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過(guò)式(4)計(jì)算:

在雙邊的趨勢(shì)檢驗(yàn)中,對(duì)于給定的α置信水平,若|Z|＞|Z1-α/2|,則原假設(shè)是不可接受的,即在置信α水平上,時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在顯著的上升或下降趨勢(shì)。 對(duì)于統(tǒng)計(jì)變量Z,若其大于0,則序列呈上升趨勢(shì);若其小于0,則序列呈下降趨勢(shì)。

當(dāng)Z的絕對(duì)值分別大于等于1.28、1.64、2.32 時(shí),表示分別通過(guò)了置信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

1.2.2 Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)

對(duì)時(shí)間序列X(含有n個(gè)樣本),構(gòu)造一個(gè)秩序列:

在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下,定義統(tǒng)計(jì)量:

若|UF|＞|Uα|,則表明序列有顯著的趨勢(shì)變化。再根據(jù)時(shí)間序列X的逆序,按上述相同過(guò)程,求出UB。若UF 和UB 兩曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在兩條臨界線范圍內(nèi),則交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

1.2.3 Theil-Sen 斜率估算

斜率β為時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)性大小的計(jì)算值,用于衡量趨勢(shì)大小,當(dāng)β＞0 時(shí)反映上升趨勢(shì),反之則反映下降趨勢(shì)。

式中:1＜i＜j＜n;Median 表示中位數(shù)。

2 降水量特征分析

2.1 多年降水量時(shí)空變化特征

2.1.1 降水量時(shí)間變化特征

徐州市1956—2021 年的平均年降水量為835.1mm,整體呈下降趨勢(shì)。 根據(jù)平均年降水量資料,求得線性回歸方程(見圖1),降水傾向率為0.6mm/a。 研究區(qū)降水量年際變化幅度較大,在66 年的觀測(cè)周期內(nèi),降水量最大為1247.6mm,降水量最小為511.8mm,分別出現(xiàn)在2021 年和1988 年,兩者相差735.8mm。 從徐州市平均年降水量變化的5 年滑動(dòng)平均曲線(見圖1)可以看出,1956—1978 年和2020—2021 年兩個(gè)時(shí)間區(qū)間降水量波動(dòng)幅度較大,1962—1968 年、1972—1979年和2007—2012 年整體呈下降趨勢(shì),1968—1971 年、2000—2007 年和2012—2021 年整體呈上升趨勢(shì),1979—2000 年整體呈小幅波動(dòng),且低于多年平均年降水量。

圖1 徐州市多年平均年降水量

2.1.2 降水量空間分布特征

從雨量站分布及年降水量表(見表1)可以看出,在空間分布上徐州市多年降水量整體呈梯度變化,自西北向東南遞增,西北部降水明顯弱于東南部。 降水量最高和最低分別為大王集的942.1mm 和沙莊的700.8mm,兩個(gè)地區(qū)相差241.3mm,說(shuō)明平均年降水量分布不均勻,且地域性差異較大。

表1 雨量站分布及年降水量

2.2 降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)

在顯著性水平α=0.05 時(shí),對(duì)徐州市不同雨量站年降水量時(shí)間序列進(jìn)行Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn),結(jié)果見表1。 從表1 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果看,雨量站降水量檢驗(yàn)值均為負(fù)值;只有6 個(gè)雨量站通過(guò)置信度為95%的顯著性檢驗(yàn),占比30%;其余各站及徐州市整體均未通過(guò),說(shuō)明徐州市在1956—2021 年間降水量下降趨勢(shì)并不顯著。

基于年尺度的徐州市全域及細(xì)分雨量站降水趨勢(shì)斜率β值見表2,由表2 可見,各雨量站的斜率β均為負(fù)值,即1956—2021 年間各雨量站的年降水量均呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì),但斜率β值呈現(xiàn)出西北地區(qū)偏小、東南地區(qū)偏大的趨勢(shì)。

表2 徐州市年降水量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

2.3 降水量突變檢驗(yàn)

在顯著性水平α=0.05 時(shí),臨界值U0.05=±1.96。對(duì)年降水量序列進(jìn)行Mann-Kendall 突變檢驗(yàn),分析繪制出關(guān)于UF 和UB 的徐州市年平均降水量突變檢驗(yàn)曲線圖(見圖2),從計(jì)算結(jié)果及圖2 可知,1981—1984年、1986—1997 年、1999—2004 年和2014—2015 年的|UF|＞|Uα|,說(shuō)明以上年份徐州市年降水量有顯著的下降趨勢(shì)。 自1956 年開始,除個(gè)別年份(1958 年、1962—1966 年)外,UF 值均小于0,說(shuō)明降水量整體呈下降趨勢(shì)。

圖2 徐州市年降水量突變檢驗(yàn)曲線

2012—2014 年檢驗(yàn)結(jié)果超出置信區(qū)間,結(jié)合多年平均年降水量,說(shuō)明在2012—2014 年,降水量上升趨勢(shì)顯著,此范圍為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。 進(jìn)一步分析UF 和UB 曲線的交叉點(diǎn),發(fā)現(xiàn)交叉位置分別在1962年、1967 年、1973 年、1977 年、2007 年,且交點(diǎn)在臨界線之間,說(shuō)明徐州市降水量在1962 年、1967 年、1973年、1977 年和2007 年發(fā)生轉(zhuǎn)折,開始出現(xiàn)了突變,降水量在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)開始發(fā)生枯-豐交替。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于徐州市1956—2021 年的降水資料,采用多種方法對(duì)徐州市降水趨勢(shì)、突變特征及時(shí)空分布情況進(jìn)行了不同角度的分析,得出以下結(jié)論:

a.徐州市1956—2021 年的平均年降水量呈下降趨勢(shì),但下降趨勢(shì)并不顯著,降水傾向率為0.6mm/a,空間分布不均勻且地域性差異較大,整體呈梯度變化,自西北向東南遞增。

b.徐州市在1956—2021 年除個(gè)別年份(1958 年、1962—1966 年)外,UF 值均小于0,降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 在此期間平均年降水量UF 和UB 曲線有7個(gè)交點(diǎn),發(fā)生7 次突變,說(shuō)明徐州市在2016—2021 年經(jīng)歷了7 次枯-豐交替。

本文分析成果,對(duì)了解徐州市降水量空間分布特征及變化趨勢(shì),合理利用雨水資源,合理配置防汛抗旱物資,提高防汛抗旱能力,具有一定的參考價(jià)值。 但是,本文缺少年內(nèi)不同月份、不同季度多年降水量趨勢(shì)變化分析和對(duì)未來(lái)降水的預(yù)測(cè),分析結(jié)果具有局限性。以后還需加強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)的管理工作,提高研究能力,更好地服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。