承德市降雨量時間序列特征分析

劉劍達

（河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德 067000）

降雨作為重要的氣候資源，為生態(tài)環(huán)境健康與人類社會發(fā)展提供資源支撐［1-2］。然而近現(xiàn)代以來工業(yè)化迅速發(fā)展、人口膨脹等因素深刻影響了氣候系統(tǒng)歷史穩(wěn)定機制，從而改變了局地乃至全球的降雨過程模式。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究指出，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已成事實［3-4］，與此同時局部地區(qū)降雨豐度與分布特征也在發(fā)生著潛移默化的改變［5］。研究降水的時空變化規(guī)律，對分析氣候變化的社會響應具有重要意義。本文以承德市為案例，探究該地降雨時間變化與空間特征，以期為降雨預報、氣象災害管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

承德地處河北省東北部，處于華北和東北兩個地區(qū)的連接過渡地帶，地近京津，背靠蒙遼，省內(nèi)與秦皇島、唐山兩個沿海城市和張家口市相鄰。城市跨度從北至南269km，從西往東280km。行政區(qū)域面積39702.4km2，占河北省總面積的21.15%。

2 資料來源與數(shù)據(jù)處理

從國家氣象中心數(shù)據(jù)網(wǎng)站提供了全國各地有效的地面氣象觀測資料，從中提取了承德市內(nèi)的氣象站點及其降水資料。資料源的時間分辨率為逐月的，時間域為1951～2018，共計9個站點。其中部分氣象資料中部分日數(shù)據(jù)存在缺漏，運用3次樣條函數(shù)法內(nèi)插處理。分析逐月降水量數(shù)據(jù)，并計算各季節(jié)降水量，其中季節(jié)標準為：3～5月為春季；6～8月為夏季；9～11月為秋季；12月～次年2月為冬季，并采用線性回歸方法繪制其變化趨勢圖。

2.1 承德市降雨量線性趨勢特征

圖1為承德市1951～2018年降水量時間序列變化?？芍杭窘涤炅拷橛?5.9mm（1955年）～232.1mm（2009年），最大最小值相差9.7倍，其平均值為24.07，變異系數(shù)58.15%，呈中等程度變異，近67年間的綜合趨勢為y=0.6319x-1156.2，R2=0.0655，但并未通過5%水平信度檢驗。夏季降水量最高值出現(xiàn)在1962年，為876.9mm，最低值為1968年的99.2mm，另外1978，1987，1996，2004，2010年夏季降水異常豐富，高出平均水平的45%～85%；1955，1989，2002年均為歷史極低水平，低于平均值的35%～55%。夏季降水量達452.95±165.60mm，變異性為36.56%，降雨量占年降雨量的65.52%，這種集中性強、強度大的降雨特征易于引發(fā)洪澇災害；其宏觀趨勢表明呈弱增加特征（y=0.8386x-1211.2，R2=0.1）。夏季過后季風對區(qū)域的影響逐漸減弱，因而降雨量銳減，秋季降水量僅116.31±64.87mm，變異系數(shù)達55.78%。近67年來秋季降水量異常高值典型年為1961，2003，2005年，降雨量達299.5，283.1，312.9mm； 異常低值的典型年為1957，1981，1998，2006年，其降雨量不足35mm。 秋季降雨量呈現(xiàn)減少趨勢（y=-0.3374x+785.98，R2=0.0106），但并不顯著。冬季降雨量最少，僅占全年的3.45%，然而具有較高的變異性，變異系數(shù)達為58.15%。其中1995和 1999 年 冬 季 降 雨 不 足 1mm，1951，1979，1990，2001，2016年表現(xiàn)出異常高值，降雨達到54.9～66.5mm之間，綜合來看其波動性較大。冬季降雨的傾向趨勢為y=-0.0226x+68.842，R2=0.001。承德市年降雨量變化區(qū)間為320.7mm（1968年）～1159.2mm（1962年），其平均水平為691.24±189.19mm，變異系數(shù)為27.37%，呈中等變異性；近67年來區(qū)域降雨變化趨勢為y=1.1105x-1512.6，R2=0.0135，趨勢并不顯著。

圖1 承德市降雨量傾向趨勢

2.2 承德市降雨量周期性分析

周期性特征是降水量時間序列變化的內(nèi)在規(guī)律之一，是降雨變化的系統(tǒng)性特征，這對中長期水資源調(diào)配、氣候預測、氣象災害防御具有重要意義。運用Morlet小波核函數(shù)識別承德市年、季降水量震蕩周期，結果如圖2。圖中閉合曲線為Morlet小波信號，其指示了循環(huán)周期的分布，就年降雨量來看圖2（a），其主周期為5a，在各年代均顯著；其次是10a的周期。春季降水量的主周期為5a，另外有13a和20a兩個次周期。秋季降水量以10a的周期最顯著，冬季降水量以3a的周期顯著。綜合來看，區(qū)域降水量的顯著周期主要是3～5a的短周期，而長周期不顯著，這也反映了區(qū)域降水量變異性頻繁。

圖2 承德市降水量周期性特征

3 結語

研究了1951～2018年承德市降雨量過程變化，結果顯示區(qū)域年際與春夏季節(jié)降雨量呈現(xiàn)增加趨勢，而秋冬季節(jié)降雨量呈現(xiàn)減少趨勢，但均未達到統(tǒng)計顯著性，這表明該地區(qū)降雨量宏觀趨勢尚不清晰，有待深入解析。然而值得確定的是，區(qū)域降雨量具有明顯的波動性，其震蕩周期較短的特征也增加了總體趨勢的復雜性，這可能與氣候變化有密切聯(lián)系。降雨過程模式的改變具有漸進性、突變性特征，然而這對生態(tài)環(huán)境、居民生活有重大影響，應注重提升城市對極端降水的應對能力。