基于M-K檢驗方法的1980～2016年衡水市降水時間變化規(guī)律研究

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

近現(xiàn)代以來以氣候變暖為主要特征的氣候演變正在進行，并得到了聯(lián)合國政府間氣候委員會的證實，也日益受到廣大學者乃至普通公眾的關(guān)注。降水是氣候系統(tǒng)法重要要素之一，在此影響之下，降水過程機制也將發(fā)生一定程度改變，進而影響著全球水熱資源的空間分布格局，對生態(tài)過程、環(huán)境演變和人類發(fā)展帶來深刻影響。降水是水資源的重要且有效的來源，同時也是必不可少的農(nóng)業(yè)氣候資源，探究區(qū)域降水時間變化規(guī)律，為區(qū)域旱澇災(zāi)害防御、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、氣象預(yù)測預(yù)報等提供信息基礎(chǔ)。降水具有隨機性、非線性的特點[1]，對于其時間變化特征的度量學者們注意采用了Pettitt檢驗、趨勢分析、Plouas函數(shù)、小波分析、maan-kendall檢驗法研究了其傾向斜率、循環(huán)周期、演進方向等特征[2]。這些方法與案例對有助于我們深化認識區(qū)域氣候變化、掌握降水宏觀變化特征。衡水市地處我國半濕潤區(qū)，區(qū)域降水變率大，極端天氣頻現(xiàn)，以此為案例區(qū)，研究區(qū)域降水變化特點，以期為區(qū)域水資源管理和氣候變化分析提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衡水市位于我國華北平原海河中下流沖積平原帶，地理坐標為115°10′-116°34′E，37°03′-38°23′N，區(qū)域面積8 815 km2。區(qū)域位于亞歐大陸東岸中度稍高維度帶，受信風帶和大陸高壓交替控制，形成了大陸性季風氣候，冬夏分明、春秋短促、雨熱同期，多年平均降水量524.8 mm，年平均氣溫12.6℃，年均蒸發(fā)量1 557 mm，無霜期200 d，大于10℃的有效積溫在2 400～3 500℃之間，平均日照時數(shù)高達2 600 h。由于氣候暖干化發(fā)展以及降水和地表徑流缺失，衡水市干旱災(zāi)害時常發(fā)生，加之華北地區(qū)地下水開采劇烈，今年內(nèi)地面沉降、斷裂等地質(zhì)災(zāi)害具有潛在威脅。

1.2 趨勢分析

趨勢分析能夠宏觀判定區(qū)域降水傾向斜率。以年或年內(nèi)逐月為度量的時間尺度上，氣溫和降水變化具有一維特性，遂采用一元回歸法解析其物候特性。該分析方法如下[3]：

(1)

式中：h為線性擬合斜率，若其為正時，則表明降水隨著時間序列呈增加態(tài)勢；若其為負數(shù)，則表明其隨著時間序列的變化而變?。籭為年份序列，n為研究時域長度。

1.3 Maan-Kendall檢驗

對于降水等時間序列自然事件的趨勢性分析，Mann-Kendall(M-K)檢驗法具有不受樣本值、分布類型等的影響，并被世界氣象組織推薦而廣泛應(yīng)用[4]。對于時間序列變量(X1，X2，…，Xn)，n為時間序列長度，M-K 法定義了統(tǒng)計量S：

(2)

其中Sgn()為符號函數(shù)，規(guī)則如下：

(3)

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當n>10時，標準正太統(tǒng)計量計算如下：

(4)

若Z>0，則表明降水在該時間序列呈增加趨勢，否則為降低趨勢，并且絕對值越大，則趨勢越明顯。

1.4 資料來源

本研究中降水資料由國家氣象中心(http://dctc.cmc.cn/)提供，于衡水市內(nèi)存在7個國家氣象站點，由于部分站點缺測時間長，為保證各站點時間統(tǒng)一性，將研究時域確定為 1980～2016年，能夠反映區(qū)域降水現(xiàn)勢性特征。將各站的逐日降水資料于Excel 2016軟件上進行整理，計算其月平均值、季和年平均值，將季候尺度按照常規(guī)方法按月劃分，并應(yīng)用Matlab2017b編程實現(xiàn)降水時間序列Maan-kendall突變檢驗與小波方差分析[5]。

2 衡水市降水量時間變化規(guī)律

2.1 衡水市降水趨勢分析

圖1為1980-2016年衡水市年、季尺度上降水量變化趨勢。依圖可知，近37年來衡水市降水量呈波動性變化，降水量最大值為1997年430 mm，最大值出現(xiàn)在2013年為714 mm，該時域內(nèi)其平均值為524.8 mm，變異系數(shù)為18.56%，呈中等程度變異，說明該市年降水量變率較大。其傾向斜率為-11.863 mm/10a，說明區(qū)域降水量呈減少的發(fā)展特征，但在0.05水平上并未通過信度檢驗，表明該變化趨勢不顯著。就季節(jié)來看，不同的季節(jié)，降水量變化特征存在一致性特征。其中春季降水量的氣候傾向斜率-1.565 mm/10a，冬季為-1.172 mm/10a，冬春季節(jié)的降水量變化量較少；秋季降水量氣候傾向斜率為-1.774 mm/10a，夏季為-8.221mm/10，其中以夏季降水變化量最大。夏季是區(qū)域農(nóng)作物生長的旺盛季節(jié)，需要一定的降水資源，而區(qū)域夏季降水呈減少變化，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。

圖1 1980-2016年衡水市降水量變化趨勢

2.2 衡水市降水量突變分析

更好了解衡水市降水量變化的細節(jié)信息，應(yīng)用Maan-kendall突變檢驗得到其局部變化斜率與突變特征，結(jié)果如圖2所示。圖中UF值降水量變化Z值，其值大于0，表明該年降水量相較于去年呈增長變化，反之呈減少變化，UB值為5%信度水平的顯著性檢驗?？芍?，1980-2016年衡水市年降水量的UF、UB值在年份節(jié)點上不存在交點，表明其總體變化趨勢不存在突變，其中1990年降水量的UF值為0，表明該年降水量十分接近平均值，2015年降水量的UB值為3，通過了0.05和0.01信度水平檢驗，表明該年度降水減少趨勢顯著；近37年來降水量的UF值均小于0，表明降水量總體呈減少趨勢，這與前述2.1部分所述結(jié)果一致。春季降水量的M-K檢驗結(jié)果(圖2b)與年降水量(圖2a)一致，故在此不多做贅述。夏季降水量的UF、UB在在1987年存在交點，表明該年降水量存在突變，結(jié)合圖3c可知，于1980-1987年衡水市夏季降水量呈弱的增加趨勢，于1987-2016年間呈減少趨勢，pettitt檢驗表明，該突變點通過5%水平檢驗，表明該突變顯著。秋季降水量的UF、UB值在2015年相交，但結(jié)合其綜合變化趨勢以及pettitt檢驗，該突變并不顯著，其中1999-2004年秋季降水量的UB值通過Z>1.96的檢驗，說明該年分降水減少趨勢顯著。冬季降水量于1987和1992年存在交點，經(jīng)pettitt檢驗，1992年的突變顯著。

圖2 1980-2016年衡水市降水量突變檢驗

2.3 衡水市降水量年內(nèi)分配特征

衡水位于典型的東亞溫帶季風氣候區(qū)，鑒于季風性氣候特征，夏季副熱帶高氣壓帶北移，區(qū)域氣候受海洋氣流影響，帶來豐富的海洋水汽，這為成云至雨帶來便利條件；而冬季副熱帶高氣壓帶南退，同時北半球進入寒冬，區(qū)域受西伯利亞大陸冷高壓控制，氣候干燥而寒冷。這樣的氣候變化機制導(dǎo)致衡水降水量年內(nèi)分配極不均衡。將研究時域內(nèi)衡水市逐日降水數(shù)據(jù)進行逐月統(tǒng)計，計算其月平均降水量以及各月降水量占年降水量的比重，得到結(jié)果如圖3-a和圖3-b所示?？芍馑衅咴陆邓磕陜?nèi)最豐富，達172.7 mm，占年降水量的33.73%，其次是八月，可達122.4 mm，占23.90%，六月降水量為60 mm，占年降水總量的11.72%。四、五、九和十月降水量相對較少，且相差不大，其月平均降水量為27.4、30.1、36.8和26.2 mm，相應(yīng)地其降水量占年降水量的結(jié)構(gòu)比依次為5.35%、6.25%、7.18%和5.51%。而一、二、三和十一、十二月的月平均降水量少于20 mm，其結(jié)構(gòu)比也低于5%。就季節(jié)來看(圖3-c和圖3-d)，各季節(jié)降水量亦存在分布差異，其中夏季降水量最豐富，可達363 mm，占全年降水量的69.30%；春秋季節(jié)降水量相差不大，其分別可達69.23、78.45 mm，占年降水量的13.19和14.95%；冬季降水量最少，僅為13.42 mm，僅占全年的2.57%。

圖3 衡水市降水量年內(nèi)分配特征

圖4 衡水市降水量周期性特征

2.4 衡水市降水量周期性分析

將1980-2016年衡水市年季降水量進行小波分析，求取其小波方差，得到結(jié)果如圖4a和圖4b所示。小波方差的峰值表示在該時間尺度上降水的結(jié)構(gòu)性信息豐富，可能存在一定的循環(huán)周期。其中年降水量在4、8、16a等尺度上的小波方差達到峰值，表明其是衡水市年降水變化的循環(huán)周期。而春夏季降水量的小波方差與年降水量的小波方差變化趨勢相似，說明其循環(huán)周期相同。秋季降水量在1.75、5.25、7.25和16 a處存在較大小波方差，冬季降水量在0.75、4.25、7.25和16 a尺度上存在較大小波方差，其是衡水市冬季降水量變化主要循環(huán)周期。

3 結(jié)語

近年來氣候變化成為相關(guān)學者研究的熱點，降水的時空不確定加強，這對區(qū)域氣象災(zāi)害防御和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定影響。本文應(yīng)用趨勢分析、M-K檢驗和小波方差研究了衡水市近37年來的時間變化規(guī)律，從宏觀上表明區(qū)域降水量逐漸減少，這與中緯度地區(qū)氣候暖干化發(fā)展趨勢一致；而小波方差表明區(qū)域降水的周期性比較復(fù)雜，這意味著區(qū)域降水量不確定性增強，可預(yù)測性降低。