關(guān)中地區(qū)降水特征分析

關(guān)中地區(qū)降水特征分析

馮晶, 錢會

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，關(guān)中地區(qū)作為陜西省的核心發(fā)展地區(qū)，其水資源短缺問題日趨嚴峻.由于資源性缺水、工程性缺水、水質(zhì)性缺水問題的交互影響，導(dǎo)致關(guān)中地區(qū)用水緊張.通過Mann-Kendall檢驗，對關(guān)中地區(qū)1951—2013年的降水變化趨勢和突變特征進行了詳細的分析.發(fā)現(xiàn):自1951年起降水量在波動中基本呈現(xiàn)減少趨勢；關(guān)中地區(qū)的降水豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，但降水量無論是上升還是下降，趨勢都不顯著.

關(guān)鍵詞：關(guān)中;降水特征;Mann-Kendall檢驗中圖分類號：TV125；P426.614文獻標識碼：A文章編號：1002-5634(2015)03-0008-05

收稿日期:2015-03-31

作者簡介：劉學(xué)山(1964—),男,湖南岳陽人,高級工程師,主要從事抽水蓄能電站建設(shè)、管理方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.012

收稿日期:2015-05-04

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201301039);貴州省水利廳科技專項經(jīng)費資助項目(KT201313).

作者簡介：黃鑫(1982—)，女，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事水資源管理與保護等方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.003

關(guān)中地區(qū)位于陜西省中部，介于秦嶺和渭北北山之間，西起寶雞，東至潼關(guān)，海拔325～800 m，東西長約300 km，西窄東寬，面積約3.4×104km2，號稱“八百里秦川”.隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾日益突出，由于地下水過度超采，導(dǎo)致了地面沉降、地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生[1-3].近年來，關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，關(guān)天經(jīng)濟區(qū)、西咸新區(qū)、絲綢之路經(jīng)濟帶的建設(shè)都對水資源的供給提出了更高的要求.數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，關(guān)中地區(qū)的降雨量比較豐富.因此，通過對關(guān)中地區(qū)的降雨特征進行深入分析，利用關(guān)中地區(qū)有利的地質(zhì)、地貌及水文地質(zhì)條件，合理利用、配置關(guān)中地區(qū)的雨水資源來彌補地下水和地表水的不足顯得尤為重要[4-6].

1研究方法

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者致力于降水特征的研究.如：John Abbot等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法預(yù)測了澳大利亞的降水趨勢；龐文保等[8]對榆林、西安、漢中夏季降水量的歷年變化進行了分析；衛(wèi)旭東等[9]利用陜西省20個觀測站1951—2000年的降水資料，分析了陜西省降水量的變化特征，并對降水量進行了預(yù)測；白愛娟等[10]根據(jù)陜西省的降水資料，對冬季、夏季和年降水量場進行了分區(qū)，并研究了陜西省降水量變化的區(qū)域特征和年際變化及長期趨勢特征；錢會等[11]運用基于滑動平均-加權(quán)馬爾科夫鏈法對寧夏石嘴山市的降水進行了預(yù)測.

本次研究基于關(guān)中盆地的特殊地形和氣候，通過對現(xiàn)有資料的統(tǒng)計，結(jié)合Mann-Kendall法分析關(guān)中地區(qū)降水趨勢和突變特征，以期為關(guān)中地區(qū)雨水資源的利用提供科學(xué)依據(jù)[12-13].Mann-Kendall檢驗法[14-18]是一種基于秩的非參數(shù)型檢驗方法，其優(yōu)點是樣本可以不遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量.該方法一般用于降水的趨勢及突變檢驗.

在趨勢檢驗中，原假設(shè)H0包含n個樣本獨立的、同分布的隨機變量.備選假設(shè)H1是雙邊檢驗，表示數(shù)據(jù)集X中存在一個單調(diào)的趨勢.Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗計算公式為

當(Xj-Xk)分別大于0、等于0、小于0時，對應(yīng)的sgn(Xj-Xk)分別為1、0、-1.其中，S為正態(tài)分布，其均值為0，方差

當n>10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量通過下式計算：

在雙邊趨勢檢驗中，統(tǒng)計變量Z大于0時，是上升趨勢；小于0時，是下降趨勢.根據(jù)Z絕對值的大小，判斷置信度區(qū)間.

在突變檢驗中，實測值構(gòu)成一個時間序列，按時間順序表示為Xt=(X1，X2，…，Xn)，需要對其確定所有對偶值(Xi，Xj，j>i)中Xi與Xj的大小關(guān)系:

其中

定義統(tǒng)計量

UFk為標準正態(tài)分布，給定顯著水平α，若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢.按時間序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1重復(fù)上述過程，同時使UFk=-UBk，k=n,n-1,…,1，UB1=0.得到逆序列值UBk圖形，計算步驟同上.

繪制UFk與UBk曲線圖.若UFk大于0，表明序列呈上升趨勢；若UFk小于0，表明序列呈下降趨勢.當UFk超過置信度線時，表明上升或下降趨勢顯著.超過置信度線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域.如果UFk和UBk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時.

2結(jié)果與討論

2.1　年際降水量變化規(guī)律

根據(jù)關(guān)中地區(qū)5個氣象站1951—2013年的降水觀測資料，對其變化趨勢進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1并如圖1—5所示.由表1可以看出，關(guān)中地區(qū)的年降水量為506.54～829.75 mm，與西北其他地區(qū)相比，處于較高水平，說明關(guān)中地區(qū)的降水資源相對豐富.同時，由表1及圖1—5還可看出，銅川、西安、寶雞、華山站的降水量基本呈現(xiàn)下降的趨勢.其中華山站的降水量通過了99%的置信度檢驗，減少趨勢最為明顯；寶雞、西安站的減少趨勢略小，分別通過了90%和95%的置信度檢驗；只有咸陽站呈上升趨勢.對比西安站和華山站的降水量，西安站年降水量最大值出現(xiàn)在1983年，為903.2 mm;最小值出現(xiàn)在1995年，為312.2 mm；在1958—1959年波動比較大，降水量下降了454.6 mm.華山站的年降水量最大值出現(xiàn)在1964年，為1 262.3 mm，最小值出現(xiàn)在1997年，為465.3 mm；華山站降水量整體波動范圍比較大.總體來說，關(guān)中地區(qū)的降水量大部分呈下降趨勢，只有咸陽站呈上升趨勢，但上升趨勢不明顯.表1表明關(guān)中地區(qū)的降水分布基本與陜西省一致[19]，呈現(xiàn)南多北少的現(xiàn)象.

表1　關(guān)中各站點降水量及 Z值統(tǒng)計表

圖1　銅川站歷年平均降水量

圖2　西安站歷年平均降水量

圖3　寶雞站歷年平均降水量

圖4　華山站歷年平均降水量

圖5　咸陽站歷年平均降水量

利用Mann-Kendall檢驗法得出的突變檢驗結(jié)果如圖6—10所示.圖6中西安站在1953—1961、1964年降水量呈增長趨勢，1965年降水量有明顯的下降趨勢，且在1979—1980、1982、1995、1997、2001—2002年降水量下降比較明顯，通過了95%的置信度檢驗.根據(jù)圖中UFk和UBk交點位置，判斷西安站降水量的減少屬于突變現(xiàn)象，降水量自1965年由逐年增大的趨勢變?yōu)橹鹉杲档偷内厔?

圖6　西安站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線

圖7中寶雞站自1953年起降水量呈逐年下降的趨勢，但不顯著，僅在2008年有明顯下降，通過了95%的顯著性檢驗.其中在1957、1960—1961、1966、1968—1969、1975—1976、1980、1981—1984、2011、2012年均存在突變，總體來說,降水量的多年變化狀況比較復(fù)雜.圖8為華山站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線，可見華山站降水量在1953—1958年(除了1955年)基本呈上升趨勢，自1959年開始呈逐年下降趨勢，1985年開始呈直線下降趨勢，尤其自1993年開始下降趨勢顯著，通過了95%的顯著性檢驗.

圖7　寶雞站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線

圖8　華山站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線

圖9、圖10分別為咸陽、銅川站的降水量M-K曲線，咸陽站在1987—1994、2007—2013年降水量呈上升趨勢，在1995—1998年降水量增加、減少變化比較頻繁，2000—2006年降水量一直呈下降趨勢，但不顯著.總體來看，咸陽地區(qū)在研究時段內(nèi)的突變點較多，降水狀況復(fù)雜多變.銅川站降水量M-K統(tǒng)計量曲線中突變點較多，1971—1992年降水量下降與上升趨勢交替出現(xiàn)，1993年后降水量呈緩慢下降趨勢.

圖9　咸陽站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線

圖10　銅川站歷年降水量M-K統(tǒng)計量曲線

根據(jù)關(guān)中地區(qū)降水量的突變檢驗結(jié)果，自1980年后，關(guān)中地區(qū)的降水出現(xiàn)了集中的突變情況，整體降水量逐漸下降.以華山、西安、寶雞站為例，這3個站點自1965年后降水量一直呈現(xiàn)下降趨勢，且在20世紀90年代降水量下降比較顯著.銅川、咸陽站在20世紀90年代降水量增加與減少的情況交替出現(xiàn)，降水過程多變；銅川站降水量在20世紀90年代后呈現(xiàn)降水減少的現(xiàn)象.大氣降水作為關(guān)中地區(qū)地表水和地下水的重要補給水源，大氣降水量的逐漸減少，很大程度上減少了關(guān)中地區(qū)的可利用水資源量.

2.2　年內(nèi)降水量分布規(guī)律及其利用

關(guān)中地區(qū)的降水隨季節(jié)變化明顯.根據(jù)關(guān)中地區(qū)的氣候條件，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月到來年2月.以西安站為例，西安地區(qū)各月平均降水量和各季節(jié)降水比例分別如圖11及表2所示，西安站降水主要集中在夏季和秋季，約占全年降水的79.3%，冬季降水最少.由于關(guān)中地區(qū)降水時空分布不均，冬季、春季降水稀少，而夏季、秋季降水豐富，不利于雨水的直接利用.關(guān)中地區(qū)其他站降水的季節(jié)變化情況與西安站有類似的規(guī)律.由于關(guān)中地區(qū)降水隨季節(jié)的這種顯著變化，給雨水資源的充分利用帶來了極大的困難.往往是在人們需要水的時候，天氣比較干旱，沒有降雨發(fā)生；而在不需要水或需水不是那么迫切的時候，有大量降雨發(fā)生.通過對關(guān)中地區(qū)水文地質(zhì)條件的分析[20-21]，關(guān)中地區(qū)的地下水有很好的儲水條件，在盆地的南北兩側(cè)的洪積扇地帶及河流高階地上，含水層包氣帶厚度大，顆粒粗，有很好的儲水條件，應(yīng)充分利用這一條件，把豐水季節(jié)的雨水及盆地南北兩側(cè)溝谷中的洪水通過人工補給的方式滲入地下，增加地下水的補給量，使豐水期的雨水和洪水能夠儲存在地下，以備需要的時候開發(fā)出來供人們使用.

圖11　西安地區(qū)各月平均降水量

季節(jié)季降水量/mm占全年比例/%春128.5422.5%夏234.5041.1%秋184.0232.2%冬24.174.2%

從季節(jié)上來看，關(guān)中地區(qū)的降水量在時間上基本都呈下降趨勢，波動范圍大小不一，如圖12所示.

圖12　不同季節(jié)關(guān)中各站點歷年降水量變化

春季，寶雞、華山、西安站降水量在波動中均呈現(xiàn)下降趨勢.Z值檢驗結(jié)果見表3.寶雞、西安、華山站降水量下降趨勢依次遞增，西安、華山站降水量下降明顯，都通過了99%的置信度檢驗，其中華山站降水量在1978—1979年、1995—1998年起伏比較大.夏季，寶雞站降水量穩(wěn)定，沒有明顯的增減，西安站降水量在波動中緩慢上升，而華山站的降水量有明顯的下降趨勢且通過了90%的置信度檢驗.秋季，3個站降水量均呈下降趨勢，但在1972—1989年、1995—2011年波動起伏比較大，豐枯轉(zhuǎn)化比較頻繁.冬季，除寶雞站降水量在緩慢上升，其余各站降水量均呈下降趨勢.總體上看，關(guān)中地區(qū)季降水量在東西方向上變化顯著，降水量變化趨勢由西向東逐漸增強，其中華山站降水量變化趨勢最為明顯，降水過程復(fù)雜多變.銅川、咸陽站降水的季節(jié)變化與上述類似，這里不再贅述.

表3　關(guān)中各站四季降水量 Z值檢驗結(jié)果

3結(jié)語

1)從年際降水來看，關(guān)中地區(qū)自1951年到2013年降水量在波動中基本呈緩慢下降趨勢，突變點較多,只有咸陽站的降水量呈緩慢上升趨勢.關(guān)中地區(qū)的降水突變主要集中在20世紀90年代，降水過程復(fù)雜多變，豐水年與枯水年交替出現(xiàn).降水總體上呈現(xiàn)南多北少的現(xiàn)象，降水由西向東總體呈遞增趨勢.

2)關(guān)中地區(qū)的降水主要集中在夏季、秋季.西安站夏季的降水量占全年降水量的41.1%，秋季的降水量占全年降水量的32.2%.主要降水的月份在5—10月，占全年降水量的79.3%.季節(jié)性變化對關(guān)中各個站點的影響顯著.統(tǒng)一表現(xiàn)為由西向東降水量的變化趨勢逐漸增大，其中華山站降水量下降趨勢最顯著.

3)關(guān)中地區(qū)降水資源豐富，但季節(jié)性變化較大，應(yīng)充分利用關(guān)中地區(qū)山前洪積扇地區(qū)包氣帶厚度大、有較大儲存空間的特有條件，加強地下水的人工補給，把豐水期的雨水資源及山區(qū)地表徑流儲存在地下，以備枯水季節(jié)使用，從而緩解關(guān)中地區(qū)水資源短缺的壓力.

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Analysis of Precipitation Characteristics in Guanzhong Area

FENG Jing, QIAN Hui

(College of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China)

Abstract:With the rapid development of social economy, Guanzhong area as a core development area of Shaanxi Province, the problem of water resources is becoming more and more serious. Due to the interaction between water resources and the problems of engineering and the qualified water shortage, the water use of Guanzhong area is stressed. In this paper, we analyzed the changing tendency of precipitation and the jump features in Guanzhong area from 1951 to 2013 by Mann-Kendall test. These characteristics are found that the precipitation with the fluctuation characteristics has the decreasing tendency since 1951, the high flow years and low flow years of precipitation alternatively appear in Guanzhong area, but the uptrend and the downtrend are not obvious.

Keywords:Guanzhong； precipitation characteristics； Mann-Kendall test

(責(zé)任編輯：蔡洪濤)