西寧市降水量特征及變化趨勢分析

王穎華，張 鑫

（西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

研究區(qū)域降水量變化規(guī)律，可為降水和水資源的長期預測提供依據(jù)，同時也有利于研究氣候變化和人類活動對水循環(huán)的影響。關于降水量特征和變化趨勢的研究國內學者已經(jīng)取得了很大的進展。這些研究結果表明，20世紀我國西北地區(qū)降水量處于下降趨勢，后期中西部降水量有明顯的增多趨勢，東部降水量持續(xù)偏少，干旱連年發(fā)生，西北地區(qū)東部和西部降水量的年代際變化有相反的趨勢［1－2］。青海省年降水量呈微增長的趨勢，夏季降水增加幅度大，秋季降水量增長幅度小，在昆侖山、巴顏喀拉山、達板山以北，阿尼瑪卿山、日月山以西的地區(qū)呈增加的趨勢，且以柴達木盆地增幅較大，以東的黃河流域降水略有減少，以南的長江流域變化趨勢不明顯［3－4］。通過對祁連山地區(qū)年總降水量進行經(jīng)驗正交展開（EOF）和旋轉經(jīng)驗正交展開（REOF）研究其異常的空間結構及其演變規(guī)律，結果表明年降水異常在空間上主要表現(xiàn)為整體一致的變化特點，其次表現(xiàn)為東西相反的趨勢［5］。

西寧市是青海省的政治經(jīng)濟文化中心，也是水資源供需矛盾比較突出的地區(qū)之一。研究西寧市降水量變化規(guī)律，對全市水資源的可持續(xù)利用和沿河經(jīng)濟的快速發(fā)展具有決定性的作用。為此，本文運用滑動平均值、線性傾向率和Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計法對比分析西寧市降水量特征及其變化趨勢，為西寧市未來水資源的合理利用和管理奠定基礎。

1 西寧市自然地理條件

西寧市屬青藏高原東部邊緣，黃河支流湟水上游，東經(jīng)101°49′17″，北緯36°34′13″。本區(qū)地勢西北高，東南高，呈現(xiàn)“四山夾三河”的形勢分布，即冷龍嶺－大通河－大坂山－湟水－拉雞（脊）山－黃河谷地－黃河南諸山脈。全市總面積是7 665 km2，市區(qū)面積是350 km2，建成面積是75 km2，海拔2 261 m，年平均降水量380 mm，蒸發(fā)量1 363.6 mm，年平均日照時數(shù)為1 939.7 h，年平均氣溫7.6℃，最高氣溫34.6℃，最低氣溫－18.9℃，屬大陸高原干旱氣候。夏季平均氣溫是17～19℃，氣候宜人，是消夏避暑勝地，有“中國夏都”之稱。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 資料來源

本文數(shù)據(jù)來自西寧市西寧站、大通站、湟中站和湟源站4個氣象站1960－2005年的逐日降水資料。為了分析方便，將一年劃分為四季，3－5月為春季，6－8月為夏季，9－11月為秋季，12月至次年2月是冬季，將整個降水量時間序列劃分為5個時段，即60年代、70年代、80年代、90年代和2000年以后（2000－2005年），采用泰森多邊形法計算西寧市的降水量，在此基礎上分析降水量隨時間的變化規(guī)律。

2.2 研究方法

2.2.1 滑動平均值法 一般地，設滑動計算時段的年數(shù)為m（m為奇數(shù)），則對于一個有n年數(shù)據(jù)（i＝1，2，…，n）的系列有：

xk——實測值；xj，m——第j個m年滑動平均值，j＝1，2，…，n－（m－1）／2。

2.2.2 線性傾向率法 以時間t為自變量，氣象要素為因變量，建立氣象要素關于時間的一元線性回歸方程：

式中：b1——趨勢變化率或氣象要素的變化傾向率，當b1＞0時氣象要素呈上升趨勢，當b1＜0時氣象要素呈下降趨勢，其絕對值越大則變化趨勢越明顯。

2.2.3 Mann-Kendall秩次相關法 在 Mann-Kendall檢驗中，假設H0為時間序列數(shù)據(jù)（X1，…，Xn），假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算公式為

當n＞10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量公式為

這樣，在給定的置信水平上，如果Z的絕對值大于時原假設是不可接受的。對于統(tǒng)計變量Z＞0時，上升趨勢；Z＜0時，下降趨勢。｜Z｜大于等于1.28，1.64，2.32時，分別表示通過了置信度90%，95%和99%的顯著性檢驗。

當Mann-Kendall檢驗進一步用于檢驗序列突變時，檢驗統(tǒng)計量與上述Z有所不同。

定義統(tǒng)計變量：

式中：E（Sk）＝k（k＋1）／4；var（Sk）＝k（k－1）（2k＋5）／72

若｜UFk｜＞UFa／2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時間序列X按逆序排列，再按照上式計算，同時使

當曲線UFk超過置信線時，如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。

2.2.4 均生函數(shù)模型

設時間序列x（t）＝｛x（1）x（2） …x（n）｝

式中：n——樣本容量。定義均生函數(shù)：

式中：i＝1，2，…，l，l＝1，2，…，m，nl＝int（n／l），m＝int（n／2）；m——最大周期長度。

對（i）作循環(huán)性外推，構成均生函數(shù)周期性外延序列：

式中：t＝1，2，…，n＋q；q——預測步長，從而得到M個n＋q長度的周期函數(shù)序列，將這些序列作為預報因子，原始數(shù)據(jù)作為自變量，通常采用逐步回歸的方法建立回歸方程：

利用上式可以預測q年序列值。

3 結果與分析

3.1 年降水量變化特征分析

3.1.1 降水量年內分配 表1表明西寧市多年平均年降水量是478 mm，全年降水量分配不均。降水量主要集中在5－9月，占全年降水量的82%；多年連續(xù)最大4個月降水量占71%；最大月（7月）降水量占20%，最小月（12月）則不到1%對全年降水量貢獻不大。春季（3月、4月）和秋季（10月、11月）降水量貢獻較小，占15%；冬季（1月、2月、12月）降水量貢獻最少占0～3%，其中湟源地區(qū)冬季基本上無降水，對全年降水量的貢獻基本忽略不計。

3.1.2 降水量年際和年代際變化 西寧市年降水量Cv值是0.15，極值比是2.01。4個代表站年降水量Cv值為0.15～0.20，且相差不大。其中偏離程度最大的是西寧站，最小的是大通站；全市降水量出現(xiàn)的最大年年份4個代表站都是1967年，全市極值比范圍為2.01～2.76（表2）。全市極值比偏小表明全市降水量變幅較??；此外，隨著多年平均年降水量的增加，Cv值和極值比基本上均呈減少趨勢，表明降水量年際變幅小。綜上分析表明西寧市降水量年際變化不強烈。由表3可看出，60年代后期降水量減少，60年代降水量減少最明顯，平均為－8%；70年代變化最小，平均為－1.3%；80，90年代距平相對增加，2000年以后又開始減少。綜上分析表明西寧地區(qū)降水量總體變化趨勢是減少。

表1 西寧市代表站降水量年內分配

表2 西寧市代表站1960－2005年降水量極值統(tǒng)計

表3 西寧市代表站不同年代降水量統(tǒng)計

3.1.3 降水量豐枯變化 圖1表明，西寧站降水量曲線較其余三個代表站波動大些，各代表站變化趨勢基本一致，其中1966－1975年曲線呈波動下降趨勢，處于枯水期；1978－1988年西寧站和大通站處于枯水期，湟中和湟源站為豐水期；1990－1999年曲線緩慢增長處于豐水期；2000年以后西寧、大通站曲線呈上升趨勢，處于豐水期，湟中、湟源站則下降，處于枯水期；全市的降水量豐枯變化趨勢與大通站接近。

圖1 西寧市差積曲線

3.2 降水量變化趨勢分析

應用Mann-Kendall秩次相關法計算西寧市4個代表站及全市統(tǒng)計量檢驗值見表4。全年4個代表站檢驗值Zc均大于零，其中西寧站降水量十分顯著通過了99%的置信水平，其余3個站趨勢不顯著未通過90%，95%和99%置信水平，全市降水量增長不明顯；春季大通站降水通過了90%的顯著性檢驗，全市降水量增長趨勢不明顯；夏季西寧站通過了95%的顯著性檢驗，湟源站降水量有減少趨勢，全市夏季降水增長不明顯；秋季只有西寧站降水量略有增加，其余3個站降水量呈減少趨勢，全市降水量減少；冬季西寧站和湟源站降水量呈增長趨勢且均通過了95%的顯著性水平，湟中站降水也有增加趨勢，大通站降水呈減少趨勢，全市降水量呈增加趨勢。

表4 西寧市代表站Mann-Kendall檢驗值

上述運用Mann-Kendall方法不能全面說明西寧市季和年降水變化趨勢，下面將結合滑動平均值曲線圖和線性傾向率值進行對比得出綜合性的結論。

由圖2分析表明：全市線性傾向率是1.8 mm／10 a，結合表4，降水量微有增加趨勢。從11 a滑動平均值過程線圖2（e）分析，全市降水1972年前降水小于平均值，之后大于平均值，總體來看降水量有增加趨勢。以上分析也可結合降水距平，兩種方法分析結果一致；春季、夏季和冬季降水量增加，秋季降水量減少。

圖2 西寧市四季及全年降水趨勢

3.3 降水量突變分析

采用Mann-Kendall突變性檢驗法對西寧市年降雨量突變特性進行分析并繪制UF和UB曲線，結果見圖3所示。取置信度α＝0.05，雖然兩條線之間也有一些交點，但是UF沒有超過置信度線，說明在0.05的顯著性水平下，西寧市年降水量增長不顯著，未發(fā)生突變。

圖3 西寧市降水量突變分析

3.4 未來10 a降水量變化趨勢預測

建立均生函數(shù)［6－7］模型對西寧市2006－2015年10 a年降水量進行預測。預測結果如圖4所示。結果表明未來10 a西寧市地區(qū)降水量呈緩慢增長趨勢。

圖4 西寧市降水量預測變化趨勢

4 結論

西寧市多年平均降水量年內分配不均，降水量主要集中在5－9月；降水量最大月是7月，最小月為12月。全市降水量年際變化不強烈，46 a來降水量有減少的趨勢。全市降水豐枯變化基本上是60年代處于枯水期，70，80年代湟中、湟源地區(qū)開始變?yōu)樨S水期，而大通、西寧仍是枯水期，90年代開始后全市都進入了豐水期，但是2000年以后湟中湟源地區(qū)變?yōu)榱丝菟冢笸ㄎ鲗幍貐^(qū)仍是豐水期。這種空間上的降水量分布不均主要還是由于西寧市的下墊面、氣候等條件因自然或人為活動發(fā)生變化，影響了降水量在時間上分布不同的緣故。將參數(shù)檢驗和非參數(shù)檢驗法結合分析，綜合得到全市春季降水變化相比其它季節(jié)變化明顯，且呈上升趨勢，秋季降水量呈下降趨勢，冬季降水量略有下降趨勢，全年降水量有增加趨勢，但是不顯著；年降水量增長趨勢不明顯，未發(fā)生突變；2006－2015年未來十年西寧市年降水量呈上升趨勢。

［1］陳冬冬，戴永久.近五十年我國西北地區(qū)降水強度變化特征［J］.大氣科學，2009，33（5）：923-935.

［2］宋連春，張存杰.20世紀西北地區(qū)降水量變化特征［J］.冰川凍土，2003，25（2）：143-149.

［3］朱元福，田輝春.青海省共和地區(qū)近50年氣候變化特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36（21）：9189-9191.

［4］燕華云，賈紹鳳.近50 a來青海水文要素變化特征分析［J］.冰川凍土，2003，25（2）：193-199.

［5］張曉明，魏鋒，陸燕.祁連山近45年降水異常的氣候特征［J］.干旱氣象，2006，24（3）：35-42.

［6］魏鳳英，曹鴻興.長期預測的數(shù)學模型及其應用［M］.北京：氣象出版社，1990：1-12.

［7］湯成友，官學文，張世明.現(xiàn)代中長期水文預報方法及其應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.