山西省降水量變化特征分析

程 俊

(山西省陽泉市水文水資源勘測分局，山西 陽泉 045000)

1 研究背景

水資源是保證人類生存的必要條件，對農(nóng)業(yè)、工業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)都至關(guān)重要，而氣候變化對降雨產(chǎn)生的影響，進(jìn)一步導(dǎo)致了水資源在時間和空間上的重新分配和水資源數(shù)量的改變[1]。大氣降水是地表水和地下水的最終補(bǔ)給來源，是水資源中最重要的一環(huán)。降雨的變化會導(dǎo)致徑流和可用水量發(fā)生變化，近年來，有眾多學(xué)者對全國各區(qū)域的降水特征進(jìn)行了大量研究[2-4]。分析研究降水量的變化特征，對防汛減災(zāi)、水資源開發(fā)利用和水資源綜合規(guī)劃均有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文所參考的降水量資料全部采用1956—2016年經(jīng)過整編的水文資料及部分氣象站同步期實(shí)測資料，精度較高，且具有一致性。

分析站點(diǎn)選用的原則是：資料觀測系列較長，精度較高，面上分布均勻，且能反映地形變化影響的站點(diǎn)。根據(jù)資料情況，在降水量變化梯度較大的山區(qū)，站點(diǎn)相對較密；在平原區(qū)則著重考慮站點(diǎn)的均勻分布；在站點(diǎn)較稀的地區(qū)，適當(dāng)增加了一些資料系列較短的雨量站，經(jīng)過插補(bǔ)延長處理后作為輔助站點(diǎn)參考使用。

通過選用站點(diǎn)降水量月平均情況分析了山西省降水量的年內(nèi)分配特征，利用線性趨勢法、滑動平均法、Mann-Kendall趨勢分析法(以下簡稱M-K檢驗(yàn)法)、滑動t檢驗(yàn)法、Morlet小波分析法等方法對降水量的年際變化特征進(jìn)行了分析。

3 年內(nèi)降水量分配分析

山西屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量年內(nèi)分配的一般特征是受季風(fēng)影響，冬季處在極地大陸氣團(tuán)控制下，僅當(dāng)極地和變性極地氣團(tuán)過境時，產(chǎn)生少量固體降水，且南部多于北部，山地大于川谷；春季由于冬季風(fēng)勢力的減弱和夏季風(fēng)逐漸活躍，降水量比冬季明顯增多，但就總量來說，占全年降水量的比例不足20%；夏季是山西省降水量特別集中的季節(jié)，由于受季風(fēng)影響，降水量高度集中，約占全年總降水量的60%，且越往北部比例越大；秋季是夏季風(fēng)過渡到冬季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié)，降水量比夏季顯著減少，且分布形式與夏季有所不同，呈現(xiàn)出由北向南增加，由高山向盆地減少的趨勢。降水量在年內(nèi)各季節(jié)分配極不均勻，山西省降水量年內(nèi)分配見圖1。

經(jīng)分析可得出山西省降水量年內(nèi)分配特征:

a.降水量在年內(nèi)的分配呈現(xiàn)單峰型，夏季和秋季多雨，汛期(6—9月)降水量占全年的71.3%。

b.汛期降水主要集中于7月、8月，占年降水量的45.2%。

c.冬季干旱，12月至次年2月的3個月是全年降水最少的時期，降水量僅占年降水量的3.2%。

圖1 山西省降水量年內(nèi)分配

4 年際降水量變化分析

4.1 年降水量變化趨勢分析

利用線性趨勢法、滑動平均法和M-K檢驗(yàn)法對山西省1956—2016年平均降水量變化趨勢進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 山西省降水量年際變化

由圖2可看出，山西省降水量年際變化大，豐、枯懸殊。1964年和1965年分別出現(xiàn)最大和最小年降水量，降水量極值分別為721.7mm和304.2mm，最大年降水量是最小年降水量的2.4倍。年降水量極大值和極小值均出現(xiàn)在1980年之前，近年來年際最大變幅呈減小趨勢。由年降水量線性趨勢線可看出，山西省年降水量呈現(xiàn)減小趨勢，線性遞減率約為每10年5.5mm。由5年滑動平均曲線可看出，山西省降水量波動呈現(xiàn)減小趨勢，有一定的周期性。

利用M-K檢驗(yàn)法對山西省年降水量變化趨勢作顯著性分析，取顯著性水平為α=0.05，其中M-K趨勢指標(biāo)U=-0.72，|U|

4.2 年降水量突變分析

利用M-K檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)法對山西省1956—2016年降水系列進(jìn)行突變分析。

圖3 降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

由圖3可知，在M-K曲線中，UF和UB曲線有多個交點(diǎn)，均出現(xiàn)在20世紀(jì)五六十年代，分別為1956年、1958年和1964年。

圖4 降水量滑動t統(tǒng)計(jì)量曲線

由圖4可知，由M-K檢驗(yàn)識別的突變點(diǎn)年份，在子序列長度為10年的滑動t檢驗(yàn)中均未通過α=0.05的顯著水平檢驗(yàn)，因此大致判斷山西省近61年的年降水量未發(fā)生突變。

4.3 年降水量周期分析

利用Morlet小波分析法對山西省1956—2016年降水系列進(jìn)行周期分析。將山西省1956—2016年降水系列進(jìn)行Morlet小波分析后得到其小波系數(shù)實(shí)部等值線圖、模等值線圖、方差圖，見圖5、圖6、圖7。

圖5 降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖6 降水量小波系數(shù)模等值線

圖7 降水量小波方差

在圖5中，數(shù)值越大顏色越淺，表征降水量偏多期，數(shù)值越小顏色越深，表征降水量偏少期。由圖5可看出，山西省年降水量存在4個比較明顯的特征時間尺度，分別為28年、19年、10年和5年，其中19年左右的特征時間尺度主要存在于1980年之后，沒有貫穿整個研究時段。

由圖6可看出，28年、19年、10年和5年左右的特征時間尺度對應(yīng)的小波系數(shù)模值較大，說明其周期較為顯著，其中28年左右的時間尺度震蕩能量最強(qiáng)，其次是10年左右的時間尺度。

由圖7可看出，山西省年降水量的小波方差存在4個較為明顯的峰值，分別為28年、10年、6年、4年，其中28年左右的特征時間尺度對應(yīng)最大峰值，同時該尺度下周期震蕩也最強(qiáng)烈，因此判斷山西省年降水量有28年的第一主周期。

5 結(jié) 論

山西省降水量在年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在夏秋兩季，其中7月和8月的降水量占全年的近一半，在這兩個月，常有歷時短、雨強(qiáng)大的短時強(qiáng)降雨發(fā)生。

山西省降水量年際間變化劇烈，在近年來呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢，沒有明顯的突變，有較為穩(wěn)定的周期變化，第一主周期為28年。根據(jù)降水量的變化趨勢，預(yù)計(jì)未來幾年降水量會有所減小。

山西省地處黃土高原東端，其部分水系上游的支流流域內(nèi)植被較差，森林覆蓋率低，水土流失十分嚴(yán)重。而且由于各支流都是山區(qū)性河流，縱坡普遍較大，產(chǎn)匯流時間短，水流湍急，推移質(zhì)比重較高，在降雨集中的夏季極易發(fā)生山洪災(zāi)害和滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，根據(jù)山西省的降水變化特性，在上游山區(qū)建立雨水收集系統(tǒng)，在有條件的地區(qū)建設(shè)新型海綿城市，對緩解區(qū)域內(nèi)水資源短缺、季節(jié)性缺水和預(yù)防山洪、地質(zhì)災(zāi)害都有重要意義。