古藺縣近50年來降水序列趨勢分析

李小麗, 敖天其,2, 黎小東

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 成都 610065)

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古藺縣近50年來降水序列趨勢分析

李小麗1, 敖天其1,2, 黎小東1

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 成都 610065)

以1960—2009年古藺縣降水量觀測資料為基礎(chǔ)，運用數(shù)理統(tǒng)計、非參數(shù)Mann-Kendall(MK)和改進的非參數(shù)Mann-Kendall(MMK)趨勢檢驗等方法分析了該縣降水系列的年際、年內(nèi)變化趨勢，并通過比較MK和MMK趨勢檢驗法的計算結(jié)果來分析自相關(guān)性對降水序列趨勢顯著性的影響。結(jié)果表明：古藺縣近50年來年降水量總體在均值附近上下波動，呈緩慢下降趨勢；年內(nèi)降水量分配受季節(jié)影響顯著，春夏兩季降水量呈上升趨勢，秋冬兩季降水量呈下降趨勢；各降水序列進行趨勢檢驗時，無論考慮自相關(guān)性與否，均未通過5%顯著性水平；在使用MK方法時，古藺縣年降水序列和季降水序列均存在負向的自相關(guān)性，導(dǎo)致在同水平顯著程度上低估了序列的趨勢顯著性。

降水量; MMK趨勢檢驗法; 趨勢演變; 古藺縣

隨著全球氣候的變暖，大氣水循環(huán)過程受到影響，導(dǎo)致降水量分布格局及其區(qū)域差異的不確定性增大，而降水量的變化可用來評估氣候系統(tǒng)對水文的影響，因此研究不同區(qū)域降水量的變化特征是當前全球氣候變化研究的重要內(nèi)容之一[1-3]。近年來在全球變暖的影響下，部分地區(qū)的自然環(huán)境出現(xiàn)一系列反常現(xiàn)象：東海出現(xiàn)南海魚種，大氣環(huán)流異常，我國華北地區(qū)樹枝提前發(fā)芽等。極端天氣氣候事件頻繁增加，災(zāi)害性天氣強度增大，造成了年降水量嚴重失衡，原有的生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生改變。由于經(jīng)濟活動與氣候變化密切相關(guān)，降水量的變化勢必會影響相關(guān)國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。因此，在時間和環(huán)境不斷變化的條件下，本文就古藺縣近50 a降水量資料，分析長系列降水的趨勢變化特征和自相關(guān)性對序列趨勢顯著性的影響，有利于科學(xué)認識古藺縣的氣候演變規(guī)律，對后期預(yù)測未來降水的發(fā)展變化趨勢具有重要的指導(dǎo)意義[4]。

1 研究區(qū)概況

古藺縣屬四川盆地南緣山地的一部分，處于赤水河流域大婁山褶皺帶西段北側(cè)，北緯中緯度地區(qū)，屬亞熱帶濕潤區(qū)，具有明顯的季風氣候特點，四季分明，雨熱同季，無霜期長，年降水量偏少，熱量充足，受地形地貌影響，垂直氣候明顯。境內(nèi)除赤水河外共有小河21條，小溪225條，除桂花河外全部流入赤水河，左岸廣闊石灰?guī)r地區(qū)，巖溶發(fā)育，地下水分布較低，人均水資源占有量僅1 702 m3，屬于嚴重的資源性缺水縣。該縣年平均氣溫為16.8～18.2℃，多年平均降水量為774.5 mm。冬少霜雪，春末夏初多雨，盛夏多連晴高溫伏旱，秋季溫度下降較快，陰雨低溫，秋旱常有發(fā)生。降水量從北、南兩個方向向中部河谷地帶呈逐漸減少的趨勢。古藺縣是典型的農(nóng)業(yè)縣，糧食作物常年播種面積達7.67萬hm2，產(chǎn)量在2.5億kg左右，主產(chǎn)玉米、水稻，次有小麥、紅苕、土豆、高粱、豆類等，除滿足本區(qū)食用、釀酒外，尚有余糧可供調(diào)用。農(nóng)作物以水稻、玉米為主。經(jīng)濟作物以油菜、烤煙為主。畜牧業(yè)以豬、牛、羊為主?？h內(nèi)資源豐富，地貌多姿，氣候多樣，土壤多類，生物多種，非耕地開發(fā)栽種多種經(jīng)濟林木和發(fā)展食草牲畜十分有利，發(fā)展?jié)摿薮?。古藺河系長江二級支流，是赤水河在古藺縣境內(nèi)的六大支流之首，發(fā)源于云貴高原邊緣地帶古藺縣袁家溝，主河道自西向東在城區(qū)段穿城而過，主要承擔生產(chǎn)、納污、泄洪等城市生態(tài)水環(huán)境功能。

由于近年來古藺縣旱澇災(zāi)害頻發(fā)，該地區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)和安全受到極大威脅，嚴重影響了當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展。為了能進一步了解古藺縣的氣候變化特征，揭示降水的趨勢變化和演變規(guī)律，本文根據(jù)古藺縣的長系列降水觀測資料，采用數(shù)理統(tǒng)計、線性傾向、非參數(shù)Mann-Kendall(MK)和改進的非參數(shù)Mann-Kendall (MMK)趨勢檢驗等方法[5]對1960—2009年古藺縣降水序列進行特征分析，以期為瀘州市合理配置水資源，做好防洪減災(zāi)措施提供參考依據(jù)。

2 研究方法

Mann-Kendall法[6]是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，已被廣泛應(yīng)用于檢測水文時間序列的趨勢變化。Mann-Kendall方法使用的前提是假定時間序列是隨機獨立的，然而水文變量往往存在自相關(guān)性[7]，導(dǎo)致檢驗結(jié)果的顯著性受到影響。為了能消除自相關(guān)成分，提高Mann-Kendall法的檢驗?zāi)芰Γ疚牟捎梅菂?shù)MMK趨勢檢驗法[8-9]對1960—2009年古藺縣年降水量序列的變化趨勢進行顯著性檢驗，具體改進如下：

將時間序列XT分別除以樣本數(shù)據(jù)的均值，得到一組均值為1的新樣本數(shù)據(jù)Xt，計算新樣本序列秩次的趨勢估計量β：

(1)

式中：β>0，表示時間序列呈上升趨勢；β<0，表示時間序列呈下降趨勢。

假定新樣本序列Xt的趨勢項為線性Tt，去除樣本數(shù)據(jù)中的趨勢項，得到相應(yīng)的平穩(wěn)序列Yt：

Yt=Xt-Tt=Xt-β·t

(2)

求序列Yt對應(yīng)的秩次序列，計算其自相關(guān)系數(shù)ri：

(3)

(4)

(5)

MMK統(tǒng)計量S大于、小于、等于零時分別為：

(6)

3 降水序列特征分析

3.1 降水量年際變化

為了分析古藺縣降水量的年際變化規(guī)律和趨勢，本文選用多年均值、變差系數(shù)和極值比等參數(shù)進行表征[10]。根據(jù)對1960—2009年古藺縣的實測降水數(shù)據(jù)分析可知，古藺縣不同時段的降水量基本保持穩(wěn)定，子系列年降水量均值與長系列均值比較略有波動，但變化率均在6%以內(nèi)。而且不同時段的變差系數(shù)和極值比都相對較小，表明該地區(qū)降水序列的年際變化微弱，變化趨勢不顯著，具有一定隨機性[11]，見表1。

表1 古藺縣降水序列年際變化特征

3.2 降水量年內(nèi)變化

據(jù)1960—2009年的降水系列分析，古藺縣年降水量受季節(jié)影響顯著，夏季占年降水量的50.54%，春秋兩季分配相當，均占到年降水量的20%以上，而冬季只有5.63%。降水量主要集中在汛期(4—9月)，占全年降水量的75%左右，在夏季達到降水量的高峰。年內(nèi)各月降水量差異顯著，最大值出現(xiàn)在7月，占全年的17.87%，最小值出現(xiàn)在2月，僅占全年的1.82%，見表2。

表2 古藺縣降水序列年內(nèi)變化特征

3.3 降水量趨勢分析

3.3.1 年際變化規(guī)律 根據(jù)MMK趨勢檢驗法計算序列Yt的自相關(guān)系數(shù)，由圖1可知，年降水序列的自相關(guān)系數(shù)主要分布在[-0.20，0.20]，屬于弱相關(guān)序列。因此，本文僅對降水序列影響最大的第15階自相關(guān)系數(shù)進行MMK趨勢檢驗。比較MK和MMK趨勢檢驗法的計算結(jié)果可知，年降水序列總體呈緩慢下降趨勢，多年平均下降幅度僅為-7.63E-04 mm/a；在5%顯著性水平下，考慮序列的自相關(guān)性，導(dǎo)致趨勢統(tǒng)計量由-0.418減小為-0.432，但均未通過5%顯著性水平。表明該序列存在負向自相關(guān)性，在進行MK法檢驗時，趨勢的顯著性被弱化，詳見表3。

圖1 年降水序列自相關(guān)變化

根據(jù)線性傾向法[12]定性分析1960—2009年古藺縣降水序列的整體變化趨勢。由圖2可知，降水量數(shù)據(jù)隨時間變化構(gòu)成了一個離散的降水時間序列，年降水量波動起伏不大，總體呈減小趨勢，擬合直線的下降率為1.053 9，幾近于水平線，而對線性擬合直線進行顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)年降水量的擬合直線未達到5%顯著性水平，因此說明年降水量的減小趨勢相當緩慢，與上述方法得到的結(jié)果相同。

圖2 年降水時間序列圖

3.3.2 年內(nèi)變化規(guī)律 通過采用MMK趨勢檢驗法對1960—2009年古藺縣季節(jié)降水序列進行計算，得出序列的自相關(guān)系數(shù)多為弱相關(guān)性，因此，在趨勢檢驗時均采用對序列最具影響的自相關(guān)系數(shù)，見圖3。運用MK和MMK趨勢檢驗法對比分析，春、夏季節(jié)降水量的統(tǒng)計量β為正值，說明春、夏兩個季節(jié)降水量均處于上升趨勢，多年平均增長幅度分別為2.11 E-04 mm/a和1.57 E-04 mm/a；而秋、冬季節(jié)徑流量的統(tǒng)計量β為負值，說明秋、冬兩個季節(jié)降水量均處于下降趨勢，多年平均下降幅度分別為-3.71 E-03 mm/a和-3.36 E-03 mm/a；在考慮了序列自相關(guān)性影響的情況下，4個季節(jié)降水量趨勢統(tǒng)計量的絕對值均有增大，但未能超過5%顯著性水平，說明：古藺縣四季降水量的趨勢變化不顯著；由于MK方法忽略了降水序列的負向自相關(guān)性，導(dǎo)致各序列的趨勢顯著性均被弱化，詳見表4。

對1960—2009年古藺縣季降水序列采用線性傾向法進行趨勢變化分析，由圖4可知：春夏兩個季節(jié)降水量呈上升趨勢，秋、冬兩個季節(jié)降水量呈下降趨勢，但變動幅度都相當緩慢，均未通過顯著性為5%檢驗，表明季節(jié)降水量的趨勢變化均不顯著，與上述方法得出一致結(jié)論。

圖3 季降水序列自相關(guān)變化圖

圖4 季降水時間序列圖

4 結(jié) 論

(1) 古藺縣降水量年際變化趨勢沒有出現(xiàn)較大變動，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。而年內(nèi)分配極不均勻，降水量主要集中在夏半年，占年降水量的80%以上，而冬半年降水量不足20%，年內(nèi)最大月份降水量是最小月份的近10倍。由于降水量的季節(jié)分配不均，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

(2) 運用MK趨勢檢驗、MMK趨勢檢驗和線性傾向等方法對該縣年降水量進行趨勢分析，發(fā)現(xiàn)年降水序列存在負向自相關(guān)性，隨時間總體呈遞減趨勢，但趨勢變化并不顯著，降水量多年平均下降幅度僅為-7.63 E-04 mm/a；而對季節(jié)降水量進行趨勢分析，可知季降水序列也存在負向自相關(guān)性，春夏兩季隨時間呈遞增趨勢，秋冬兩季隨時間呈遞減趨勢，但均未通過5%顯著性水平，春夏兩季降水量的多年平均增長幅度分別為2.11 E-04 mm/a和1.57 E-04 mm/a；秋冬兩季降水量的多年平均下降幅度分別為-3.71 E-03 mm/a和-3.36 E-03 mm/a。

(3) 對比MK和MMK法對古藺縣近50 a來降水序列的趨勢檢驗結(jié)果，可知序列的自相關(guān)性對趨勢顯著性有直接影響。由于古藺縣降水序列存在弱相關(guān)性，十分接近獨立，采用MK趨勢檢驗法時沒有改變序列原來的趨勢顯著性，若序列存在較強自相關(guān)性，可能會導(dǎo)致序列的趨勢顯著性發(fā)生誤判。

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Analysis of Tendency of Precipitation in the Past 50 Years in Gulin County

LI Xiaoli1, AO Tianqi1,2, LI Xiaodong1

(1.CollegeofWaterResource&Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Based on the data of precipitation from 1960—2009 in Gulin County, the mathematical statistics method and the non-parametric Mann-Kendall (MK) trend test and the modified non-parametric Mann-Kendall (MMK) trend test were applied to analyze the inter-annual variability and annual variation characteristics. By comparison of the calculation results between the MK and MMK trend tests, we analyzed the effects of the serial autocorrelation on the significant level of the trend. The results showed that the inter-annual precipitation series of Gulin County fluctuated around the average mean and decreased slightly in recent 50 years in general; the distribution of annual precipitation was significantly affected by seasons; the precipitation had an increasing trend in spring and summer, while the downward trend was observed in autumn and winter; none of them was statistically significant at the significant level of 5% considering the serial autocorrelation or not, when precipitation sequences were in trend tests. By using method of the MK trend test, the inter-annual and seasonal precipitation series existed negative serial autocorrelations and led to underestimate the significance of sequence trend at the same significant level.

precipitation; MMK trend test; trend evolution; Gulin County

2016-03-25

2016-04-25

中國氣象局成都高原氣象研究所開放資助項目(LPM2014003);四川省科技廳科技支撐項目(2015SZ0212);四川省環(huán)境保護廳科技項目(11HBT-01)

李小麗(1990—),女,河北衡水人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)村非點源污染與分布式水文模型。E-mail:m18328005980@163.com

敖天其(1964—),男,重慶銅梁人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為農(nóng)村非點源污染與分布式水文模型。E-mail:als584@163.com

P426.6;TV125

A

1005-3409(2016)06-0140-05