基于集中度(期)的亳州市降水規(guī)律研究

何愛霞，張言彩

宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000

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基于集中度(期)的亳州市降水規(guī)律研究

何愛霞，張言彩

宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000

利用亳州市1957～2012年逐月降水數(shù)據(jù)，采用降水集中度(期)、Mann-Kendall突變分析及Morlet小波變換法，研究亳州市近56年降水變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)1957～2012年亳州市年降水量呈波動上升趨勢，變化率為2.57 mm/10a，降水的年際和年代際變化較大；(2)降水集中度年際變化明顯，且降水較集中，最大值為0.700，最小值為0.312，平均值為0.519。降水集中期普遍集中在195～225°，降水主要集中在7月份；(3)不均勻系數(shù)的變化范圍為0.739～1.965，降水年內(nèi)分配不均勻；(4)從周期振蕩來看，亳州市的降水周期以5～8年為主，降水集中度的周期以15年為主。

亳州市；降水集中度(期)；不均勻系數(shù)；Mann-Kendall突變分析；Morlet小波分析

近年來,隨著全球氣候變化和極端異常天氣的頻繁發(fā)生，人們對氣候的關(guān)注也越來越密切，降水作為影響氣候的一個重要因素，也引起了廣大學者的重視。降水集中度、集中期，作為研究氣候降水規(guī)律的一個重要參數(shù)，能較好地反映降水分布不均勻性的時空變化規(guī)律。當前，已有學者對降水集中度、集中期和不均勻系數(shù)進行了研究[1-3]，張錄軍利用降水集中度和集中期研究長江上中下游不同河段的雨季降水量在時空上的變化規(guī)律和分布特征[4]；胡昌瓊等對湖北省梅雨期的降水集中度和集中期的時間和空間變化規(guī)律及其變化特征進行了研究[5]；張?zhí)煊畹壤媒邓卸群图衅冢芯课覈A北地區(qū)汛期降水量的時空分布特征及變化規(guī)律[6]；張林梅等利用降水集中度和集中期對新疆阿勒泰地區(qū)的降水規(guī)律及分布特征進行了研究[7]。但針對亳州市或皖北地區(qū)降水變化的研究尚不多見。亳州市作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大市，在穩(wěn)定安徽乃至全國糧食生產(chǎn)中具有重要作用?；诖?，本文選取亳州市1957～2012年的降水數(shù)據(jù)，利用降水集中度、集中期分析亳州市降水的變化特征，以期掌握亳州市的氣候狀況及降水變化規(guī)律，有效地預防旱澇災害，指導亳州市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

亳州市地處安徽省西北部，北和商丘市相接，西鄰周口市，南鄰阜陽市，東接淮北市、蚌埠市，處于北緯32°5′～35°05′和東經(jīng)115°53′～116°49′之間，總面積約為9983平方千米。亳州市位于暖溫帶南緣，屬于暖溫帶半濕潤氣候，處于我國濕潤區(qū)半濕潤區(qū)的過渡地帶，氣候的過渡性特征顯著，季風性特征明顯，氣候溫和，雨量適中，光熱充足，無霜期長，四季分明，降水主要集中在夏秋季節(jié)。亳州市的年均溫約為14.7℃，年均日照時數(shù)為2320小時，年均無霜期長達216天，年均降水量822 mm。常見自然災害有旱澇、大風、干熱風、霜凍、冰雹等，其中旱澇災害較為頻繁也最為嚴重，給亳州市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展帶來了重大的影響，因此，研究亳州市的降水變化規(guī)律對預防和治理該地的旱澇災害有著非常重要的意義。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降水數(shù)據(jù)來源于國家氣象中心發(fā)布的1957～2012年亳州市雨量監(jiān)測站的逐月降水量。

2.2 降水集中度和集中期的定義

集中度是利用每個月的降水量反映年內(nèi)降水量的時間分布特征的重要指數(shù)[8]。它把月降水量看作是矢量，把每月都看成30天，把1月份方向看成15°，以后每月依次按30°等差遞增，從1～12月的方位角分別為15°，45°，…，345°。把每個月的降水量看作x、y兩個方向的分量，那么x、y兩個方向的矢量合成及總向量可表示為：

則降水集中度和集中期為：

由公式可知，PCD表示研究時段降水的集中程度。若研究時段內(nèi)降水分布均勻，則PCD為0；若PCD值越接近與1，表示降水越集中在某個時段內(nèi)[9]。而集中期[10]表示的是合成向量的方位角，反映了降水量的最大值集中的年內(nèi)時段。

3 結(jié)果分析

3.1 降水的時間變化分析

3.1.1 降水的年內(nèi)變化分析

從圖1中可以看出，亳州市的年降水量主要發(fā)生在5～9月份，降水量占年總降水量的73.8%，且最大降水量在7月份，多年月平均降水量為217.37mm，占多年平均降水量的27.11%。其次是6月份和8月份，最小降水量在12月，多年月平均降水量為15.48mm，占多年平均降水量的1.9%,1～6月的降水量呈增長的趨勢，7月份的降水量達到一年中的最大值，7～12月的降水量呈下降趨勢，降水的季節(jié)變化顯著。

圖1 1957～2012年亳州市多年月平均降水量

3.1.2 降水的年際變化分析

從圖2可以看出，亳州市1957～2012年降水的年際和年代際變化顯著，呈波動增長趨勢，線性傾向率為2.57mm/10a。多年平均降水量為801.5mm,其中1963年為1472.10mm，降水量最大，是多年平均降水量的1.83倍；1978年為472.7mm，降水量最少，僅僅是多年平均降水量的58.91%。1960年代初降水量較大，且降水的變化較明顯；1960年代中期至1990年代中期，降水的波動變化較平緩，降水變率較??；1990年代中期至20世紀以來，降水漸增，且波動幅度變大，降水逐漸趨于不穩(wěn)定；最近幾年，降水又有所減少。

圖2 1957～2012年亳州市年降水量圖

表1顯示，1960年代、1990年代和21世紀的前十年降水偏多，降水距平為正，其中1990年代的降水距平只有0.49%，降水量接近多年平均值。2000年代降水距平為6.75%，為豐水期，其中1963年、1964年、1985年、1998年、2000年和2003年的降水均平百分率都在30%以上，1963年達到83.65%，2003年達到72.03%。1950年代后期、1970年代、1980年代以及2011和2012年的降水偏少，降水距平為負值，26年有15年的降水距平為負。1978年、1981年、1986年和1988年的降水距平百分率都在-25%以上，尤其是1950年代后期和2011年以及2012年，降水距平百分率也分別達到-11.65%和-18.87%。這些數(shù)據(jù)說明亳州市的降水年際和年代際變化顯著，且降水呈波動的上升趨勢。

表1 1957～2012年亳州市降水距平變化

3.2 降水集中度和集中期的變化特征分析

圖3、4表示1957～2012年亳州市降水集中度年際變化圖與集中期的年際變化圖，從圖3中可以看出，亳州市的降水集中度呈明顯的波動上升趨勢。亳州市的降水集中度在0.312～0.700之間變化，多年平均降水集中度為0.519。若集中度大于多年平均值時，認為該年的降水較集中；若集中度小于多年平均值時，認為該年的降水分配均勻[4]。1966～1976年的11年中有8年集中度都小于平均值、1987～1994年的8年里有7年的集中度都小于平均值，說明這些年份的降水都以不集中為主；而1982～1986年的連續(xù)5年里降水集中度都大于多年平均值、2004～2008年的5年里集中度也都大于多年平均值，降水較集中。由此說明亳州市的降水集中度具有一定的連續(xù)性，且降水集中度的年際變化也較大，如1959年的降水集中度為0.312，而1965年的集中度竟達0.700，為1959年的兩倍多，表明亳州市的降水集中度的年際變化較大。

圖3 1957～2012年亳州市降水集中度的年際變化圖

圖4 1957-2012亳州市降水集中期的年際變化圖

從圖4可以看出，1957～2012年的56年中亳州市的降水集中期的變化范圍為155.87°～238.04°，且大部分都在195°～225°之間波動。根據(jù)方位角的轉(zhuǎn)換可知，亳州市的降水量主要集中在7月份，從圖中可以看出56年中有39年的降水集中在7月份，11年集中在6月份，4年集中在5月份，2年集中在8月份，即降水的年內(nèi)分配較不均勻，主要集中在7月份。且最大降水出現(xiàn)的時間早晚都有差異。如2011年的集中期為238.01°，說明該年的降水最大值出現(xiàn)在8月中旬，1991年的集中期為155.87°，降水最大值提前到5月20日左右。

3.3Mann-Kendall突變分析

對亳州市的年降水量和降水集中度的變化規(guī)律，本文采用Mann-Kendall突變分析法[4]進行分析。圖5分別為亳州市的降水集中度及年降水量的Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線，圖中UF曲線為降水的順序統(tǒng)計曲線，UB曲線為降水的逆序統(tǒng)計曲線，圖中的兩條紅色直線為臨界線，其值為±1.96，且其顯著性水平值為0.05。若曲線的數(shù)值>0，則說明序列呈上升趨勢；若<0，則說明序列呈下降趨勢；若曲線超過臨界線，則說明序列上升或下降的趨勢顯著。若兩條曲線在臨界線之間相交，則交點所對應的時間就是突變開始的時間。從圖5看出，在1957～2012年的56年里，UF曲線和UB曲線多次相交，但大部分都沒有經(jīng)過T檢驗，只有1994年經(jīng)過了T檢驗，即只有1994年發(fā)生了突變。1994年的突變表現(xiàn)為下降趨勢，到2001年下降趨勢更為明顯，至2004年下降至最低，之后開始轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?。降水量UF曲線和UB曲線也多次相交，與集中期的Mann-kendall統(tǒng)計量曲線相似，也只有1994年通過了T檢驗，即只有1994年發(fā)生了突變，其他年份都沒有發(fā)生突變。1994年突變后表現(xiàn)為下降趨勢，到2003年下降趨勢更為顯著，下降至臨界值以下，之后開始呈現(xiàn)上升趨勢。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，降水集中度和年降水量都有突變發(fā)生，且突變發(fā)生的年份相同，突變后上升和下降的趨勢也大體一致，說明降水集中度和年降水量在時間上的變化具有相似性。

圖5 1957～2012年亳州市降水集中度和降水量Mann--Kendall統(tǒng)計量曲線

3.4 周期變化分析

為了進一步研究亳州市56年來降水集中期和年降水量的年際和年代際變化特點，運用Morlet小波變換法[4]對亳州市的降水集中期和年降水量進行分析。圖6分別是1957～2012年亳州市降水集中度和年降水量的Morlet小波變換圖。從圖6看出，1957～2012年的56年里亳州市PCD一直存在著15年左右的顯著周期，在1995～2005年還存在著5年的周期變化，但振幅較15年的周期弱。年降水量在1950年代末有15年左右的周期變化，1960～2003年的周期為5～8年，2003～2012年有20年的周期變化。

4 結(jié) 論

(1)1957～2012年亳州市的降水量大致呈波動上升的趨勢，年際和年代際變化顯著。1960年代初、1970年代末和20世紀初的降水較豐富，1960年代中期、1970年代中期和1980年代中期的降水較少。

圖6 1957～2012年亳州市降水集中度(左)和降水量(右)的Morlet小波變換圖 注：橫坐標上的刻度1～56表示的是1957～2012年。

(2)1957～2012年亳州市的降水集中度的年際變化較大，56年來的變化范圍為0.312～0.700，平均值為0.519，PCD相對較大，降水較集中，年內(nèi)變化大。PCD的變化具有一定的連續(xù)性，總體上呈波動增長的趨勢。降水集中期的變化范圍為155.87°～238.01°，平均值為197.21°，最大降水量主要集中在7月份。

(3)亳州市的降水不均勻系數(shù)變化顯著，其變化范圍在0.739～1.965之間，平均值為1.093。1950年代末至1960年代初波動較大，1960年代中期至1970年代相對穩(wěn)定，1980年代后降水不均勻性又趨于增長，降水不均勻系數(shù)從總體上呈波動上升的趨勢。

(4)亳州市年降水量的變化周期主要為5～8年，也存在著15年的周期變化；降水集中期的變化周期主要為15年。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.032

2016-02-15

安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心開放課題“宿州市城市景觀河道底泥重金屬分布特征及健康評價”(2014YKF01)；宿州學院自然科學研究項目“皖北平原氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響”(2014yyb06)；宿州學院學術(shù)技術(shù)骨干項目(2014XJGG06)。

何愛霞(1979-)，女，山東菏澤人，碩士，講師，主要研究方向：國土資源開發(fā)與整治。

S161.6

A

1673-2006(2016)06-0115-04