1971—2010年無棣縣降水變化趨勢分析

徐青文+路淑文+劉樹棣+王明濤+付華波

摘要：根據(jù)無棣縣大監(jiān)站及區(qū)域站1971-2010年40年降水資料，利用非參數(shù)檢驗法以及線性回歸擬合法分析40年來無棣縣的年總降水量、季節(jié)降水量以及年降水日數(shù)的變化規(guī)律以及突變性、穩(wěn)定性等特征。結果表明，1971-2010年40年內(nèi)無棣縣年降水量呈上升趨勢，波動較大，不存在突變。年降水日數(shù)總體呈微弱的減少趨勢，年均降水日為65 d。降水主要集中在夏季，季節(jié)差別明顯，夏季平均降水量比冬季多367.81 mm。春季降水量上升趨勢較為明顯，夏、秋、冬季降水呈不同程度的減少趨勢。按時段劃分，4～10月降水時段主要集中在6～8時。無棣縣的大雨、暴雨日數(shù)增多，該強度降水量也呈上升趨勢。

關鍵詞：無棣縣；降水量；降水日數(shù)；非參數(shù)檢驗

中圖分類號：P426.61+4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）12-2234-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.12.010

Analysis of Precipitation Change Tendency in Wudi County During 1971-2010

XU Qing-wen， LU Shu-wen， LIU Shu-di， WANG Ming-tao， FU Hua-bo

（Wudi Meteorological Bureau， Binzhou 251900，Shandong，China）

Abstract： According to the precipitation data of Dajian station and regional station in Wudi county in almost forty years （1971-2010）， using nonparametric test and linear regression methods， the change rules， mutability， stabilities and other characteristics of annual total precipitation， seasonal precipitation and annual precipitation days of Wudi county were analyzed in the past forty years. The results showed that the annual total precipitation showed a rising trend in the past forty years and fluctuated greatly and had no mutability. On the whole， annual precipitation days had a weak tendency to reduce and the average precipitation days was 65 days. Precipitation concentrated mainly in summer and it varied obviously in different seasons and the average summer precipitation was 367.81 mm more than winter precipitation. Spring precipitation had a distinct rising trend while precipitations in summer， autumn and winter had reducing trends at different levels. Precipitation period from April to September was mainly from six oclock to eight oclock when it was divided by time frame. The days of heavy rain and torrential rain in Wudi county increased and precipitation of such intensity showed a rising trend.

Key words： Wudi county； precipitation； precipitation days； nonparametric test

無棣縣位于山東省最北部，瀕臨渤海，地處黃泛平原和濱海平原區(qū)，盛產(chǎn)棉花、小棗等作物[1，2]，而且無棣地下鹵水資源分布廣、儲量大、濃度高，有利于鹽業(yè)發(fā)展。無論是棉花、小棗等農(nóng)作物的生產(chǎn)還是海鹽的產(chǎn)出都與降水這一氣象因子息息相關。降水也影響無棣縣當?shù)厮囊蛩氐臅r空變化[3，4]，研究降水的變化規(guī)律對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進農(nóng)業(yè)發(fā)展提質(zhì)增效以及水資源的合理規(guī)劃利用都有極其重要的意義。

研究降水變化趨勢的方法有很多，常用的有線性擬合法、累積距平曲線法、R/S方法、小波分析法、正交函數(shù)展開法等[5，6]。這些方法在降水、氣溫等氣象因子的變化趨勢研究分析中被廣泛使用。劉艷輝等[7]利用一元線性回歸方程對臺山市降水變化趨勢進行分析；羅玉等[8]使用滑動平均等統(tǒng)計法研究了西南地區(qū)極端降水的變化趨勢；段麗瑤等[9]利用經(jīng)驗正交展開法和旋轉經(jīng)驗正交展開法分析了環(huán)渤海地區(qū)夏季降水的時空變化特征；夏興生等[10]利用氣候傾向率、多項式曲線對濱州市的暴雨氣候特征及洪澇災害特點進行了分析。本研究結合董旭光等[11]對山東省近50年降水變化特征的研究，利用線性回歸擬合、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗等方法對1971-2010年40年無棣縣的年降水量、降水日數(shù)、降水時段的變化趨勢、突變等特征進行了簡要分析，以便更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、海鹽生產(chǎn)進行服務。

1 無棣縣地理氣候概況

無棣縣位于山東省最北部、渤海西南岸，東經(jīng)117°31′-118°12′，北緯37°41′-38°17′，地勢西南高，東北低，整個縣域南北長70 km，東西寬60 km，總面積1 998.12 hm2，占濱州市總面積的21.2%。無棣縣屬北溫帶東亞季風區(qū)域大陸性氣候，四季分明，干濕明顯。春季多風干燥，夏季濕熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季長而干冷。

2 資料來源與數(shù)據(jù)分析

2.1 資料來源

利用無棣國家一般氣象站降水資料進行分析，該站位于無棣縣城院前街2號，資料站點號為54722，資料年限為1971-2010年，共計40年，選取年降水量、各季降水量、年降水日數(shù)等數(shù)據(jù)進行分析。定義日降水量大于0.1 mm的天數(shù)為降水日數(shù)。季節(jié)劃分以12月至次年2月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季。降水強度的等級劃分為：日降水量在0.1～10.0 mm為小雨日，10.0～25.0 mm為中雨日，25.0～50.0 mm為大雨日，50.0 mm以上為暴雨日。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 線性回歸擬合 利用線性回歸擬合對降水量或降水日數(shù)進行趨勢分析[12-14]。將年降水量、季節(jié)降水量、降水日數(shù)等降水數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行線性擬合，列出線性回歸方程，從而得出描述數(shù)據(jù)變化的一元線性方程。

計算過程中，以年份為自變量，以降水量或者降水日數(shù)為因變量，建立線性回歸方程：y（t）=ax+b。其中，a為降水量（降水日數(shù)）的變化趨勢即變率，若a>0，則表示降水量（降水日數(shù)）呈上升趨勢，若a<0，則表示降水量（降水日數(shù)）呈下降趨勢。|a|的數(shù)值代表了上升或下降趨勢變化的速率。

2.2.2 Mann-Kendall突變檢驗 使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗來檢測氣象因子的突變性。突變指的是相對穩(wěn)定態(tài)下的不連續(xù)跳躍，氣象學范疇內(nèi)，在天氣不斷變化的過程中存在的不連續(xù)性即為突變。造成突變的原因有兩種，一種是天氣系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的沒有外界影響的狀態(tài)下出現(xiàn)的突變，這種突變通常會有周期性的變化；另一種是由于外力作用影響下的突變，如人為遷站而導致的氣象數(shù)據(jù)突變。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法最初由Mann[15]和Kendall[16]提出并發(fā)展的，該方法既可以用于檢測氣象因子的變化趨勢，也可以對氣象因子的突變點進行分析檢驗[17-19]。

在Mann-Kendall檢驗中，原假設時間序列H0（x1，x2，…，xn）是n個獨立的、隨機變量分布的樣本，備擇假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj分布不相同。構造檢驗統(tǒng)計量的秩序列：

其中，E（Sk）=k（k-1）/4，Var（Sk）=k（k-1）（2k+5）/72（1≤k≤n）。UF1=0，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα，則表明序列有明顯的趨勢變化。將時間序列x按照逆序排列，得出反序列UBk=-UFk，且k=n+1-k（k=1，2，…，n）。

通過分析UFk、UBk序列可以得出序列x的變化趨勢，確定突變的時間點與突變區(qū)域。若UFk數(shù)值大于0則表明序列為上升趨勢，反之則為下降趨勢，當二者都超過臨界直線時，表明上升或下降的趨勢較為明顯。若二者的曲線存在交點，而且交點在臨界直線之間，那么交點所對應的時間就是突變開始的時間。

3 結果與分析

3.1 年降水量的變化趨勢

無棣縣1971-2010年的年降水量變化規(guī)律見圖1。由圖1可知，無棣縣的年降水量變化幅度較大，年降水量最多的年份總降水量為952.9 mm，降水量最少的年份總降水量為238.1 mm，40年的年均降水量為555.1 mm。對這40年的年降水量進行回歸分析，可得回歸方程y=0.591 5x+542.94，從擬合方程來看，無棣縣的年降水量呈上升趨勢，但上升并不明顯，上升趨勢為0.591 5 mm/年。

計算年降水量的變異系數(shù)可得，年降水量的變異系數(shù)最大為1.798 6，出現(xiàn)在2010年，最小為0.836 2，出現(xiàn)在2007年。無棣縣40年里的年降水量隨時間變化較大，穩(wěn)定性較差。使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法對年降水量進行突變檢驗，得出年降水量不存在突變點。

3.2 降水量的季節(jié)變化趨勢

根據(jù)無棣縣的季節(jié)降水量統(tǒng)計值，可知無棣縣年降水量主要集中在夏季，約占各季總降水量的68.91%，季節(jié)差別較明顯，夏季平均降水量為382.49 mm，較冬季多367.81 mm。

根據(jù)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法統(tǒng)計，由圖2可知，春季降水量突變發(fā)生在2008年，2008年之后，正向序列UFk曲線向正方向發(fā)展，與春季降水的線性擬合得出的一元線性方程的變化趨勢相同，春季降水符合y=1.039 1x+53.603的線性擬合。由圖3可知，冬季降水量的突變發(fā)生于1972年，UFk曲線向負方向發(fā)展，同樣與線性擬合得出的變化趨勢相同，呈下降趨勢。且通過對四季降水量趨勢進行線性擬合發(fā)現(xiàn)，除春季外，其他3個季節(jié)的降水量變化均有逐年遞減的發(fā)展趨勢。其中，夏、秋、冬季降水量分別符合y=-0.270 7x+388.04、y=-0.131 6x+85.255、y=-0.064 1x+15.995的變化趨勢。

3.3 降水量的月變化趨勢

按照月份分析，無棣縣的降水主要集中在7、8月（圖4），7月平均降水量達173.0 mm，約占降水總量的31.20%。6、7、8月3個月的總降水量明顯高于其他月份，約占總降水量的68.98%，這符合無棣縣降水量的季節(jié)變化規(guī)律。

各月降水中，3、4、6、10月的降水量突變較為明顯（圖略）。3月的突變時間為1986、1989、1991年。4月和6月的降水量突變集中在2005-2010年，10月降水量的3次突變發(fā)生在1975年以前。

3.4 降水日數(shù)變化趨勢

由圖5可知，無棣縣的降水日數(shù)以0.251 7 d/年的速率逐年減少，符合線性方程y=-0.251 7x+70.335的變化規(guī)律。其中，最大降水日數(shù)出現(xiàn)在1990年，為89 d，最小降水日數(shù)出現(xiàn)在1999年，為50 d，變化幅度并不大。40年的年均降水日數(shù)為65 d。根據(jù)降水日數(shù)的突變性檢驗圖可知，降水日數(shù)的突變時間點為1972年，降水日數(shù)的正向序列曲線向負方向變化，說明降水日數(shù)在減少。

3.5 降水時段分析

由于資料缺乏，暫用1999-2010年4～10月無棣縣小時降水量進行統(tǒng)計分析。由圖6可知，無棣縣0時至8時的降水量以及降水次數(shù)明顯高于其他時段。2時至7時降水次數(shù)較多，均在150次以上，6時最多，為183次。其中，6～8時的降水次數(shù)約為489次，占總降水次數(shù)的15.32%，12～14時降水次數(shù)所占比重最小，為9.71%。從降水總量來看，4、6、7、8、17時的降水總量都在400 mm以上，其中7時的降水量最多，為489.7 mm，6時次之，為453.0 mm，8時為434.2 mm。降水量最少的時段為12時，降水總量不足6時降水量的一半，為210.8 mm。由此可知，無棣縣的降水集中在6～8時，該時段降水約占總降水量的16.82%，3～5時降水量所占比重次之，為14.38%，其中，12～14時降水量最少，約占總降水量的8.24%。

3.6 極端降水天氣及各等級強度降水分析

根據(jù)1971-2010年無棣縣的日極端降水量統(tǒng)計結果（圖略），極端日降水量的變化趨勢符合y= -0.012 8x+88.108，有微弱的下降趨勢。其中，40年的極端日降水量中最大的數(shù)值為194.9 mm，出現(xiàn)在1992年7月24日，最小值為41.2 mm，出現(xiàn)在2002年8月5日。

對日降水量出現(xiàn)的月份進行統(tǒng)計比較，如表1所示，8月出現(xiàn)極端日降水的概率最高，為46.34%。

1971-2010年各等級降水強度與降水日數(shù)的變化規(guī)律見圖7。由圖7a可知，40年內(nèi)無棣縣的小雨日數(shù)符合y=-0.215 95x+53.927的擬合規(guī)律，各年總降水量可用y=-3.019 1x+1 285.1的一元線性方程進行擬合。由此可得，小雨日數(shù)與該等級強度的總降水量都在逐年下降，而從圖7b、7c、7d中可知，中雨、大雨、暴雨日數(shù)都呈上升趨勢。從圖8可知，中雨、大雨、暴雨各等級的降水總量不斷上升，其中暴雨的降水總量上升趨勢最為明顯，為7.898 3 mm/年。根據(jù)統(tǒng)計結果，大雨與暴雨日數(shù)主要集中在6、7、8月，2、5、9、10月也有出現(xiàn)，但次數(shù)較少。這符合1971～2010年無棣縣月降水總量的分布規(guī)律，也是造成夏季降水總量較多的原因之一。

綜上分析可知，1971-2010年無棣縣年總降水量呈逐年上升趨勢，而降水日數(shù)呈不斷減少的變化規(guī)律，可能是由于中雨、大雨、暴雨等降水日數(shù)與降水量的增多引起的，中等以上等級強度的降水量增多可能占主要原因，具體成因及分析還需要進一步研究。

4 小結

根據(jù)無棣縣國家一般氣象站1971-2010年40年的降水統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用線性回歸擬合、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗等方法揭示了無棣縣40年的降水變化趨勢、突變等特征，主要得出以下結論。

1）1971-2010年無棣縣年降水量變化符合線性方程y=0.591 5x+542.94，呈逐年上升趨勢。年降水量的波動性較大。

2）無棣縣的季節(jié)降水集中在夏季，除春季降水量有上升趨勢以外，其他季節(jié)降水量都呈下降趨勢。春季與冬季降水量存在突變點，春季降水量突變發(fā)生在2008年，冬季的突變時間為1972年。

3）從各月降水量分析可知，6、7、8月3個月的降水總量數(shù)值最大，約占總降水量的68.98%。其中，3、4、6、10月的降水突變較為明顯，突變次數(shù)較多。無棣縣的大雨、暴雨日數(shù)主要集中分布在6、7、8月，符合月降水以及季節(jié)降水的變化規(guī)律。

3）1971-2010年無棣縣降水日數(shù)以0.251 7 d/年的速率逐年減少，降水日數(shù)的突變時間點為1972年。

4）無棣縣4～10月降水時段集中于6～8時，該時段降水總量約占總降水量的16.82%，降水次數(shù)所占比重也為所有時段降水次數(shù)比重的最高值，為15.32%，12～14時的降水量最少，降水次數(shù)也最低。

5）1971-2010年無棣縣極端日降水量呈下降趨勢，下降程度并不明顯。極端日降水量為1992年7月24日的194. mm，屬于暴雨日數(shù)。其中，7、8月出現(xiàn)日極端降水的概率較大，即無棣縣的極端降水主要集中在夏季。

對40年的降水數(shù)據(jù)進行分析，無棣縣降水強度除小雨的降水日數(shù)及降水量有下降趨勢外，中雨、大雨、暴雨的降水日數(shù)及降水總量都有逐年增加的趨勢，降水總量的增加趨勢較為明顯，這可能是在降水日數(shù)減少的情況下造成年降水量增加的成因。

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