皖北地區(qū)近60年降水量變化趨勢(shì)分析

汪亞騰

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234001）

1 研究區(qū)域概況

安徽省淮河以北地區(qū)包括蚌埠、阜陽(yáng)、亳州、宿州、淮北等地市，區(qū)域面積約36660km2，本區(qū)域基本上為平原，只有宿州北部少部分山區(qū)。該區(qū)域多年平均降水量在750～950mm，自南向北遞減。降雨量年內(nèi)分配不均，汛期5—9月降雨量占全年降雨量的60%～70%。多年平均徑流深75～220mm，北部蕭縣、碭山和亳州在70～80mm，南部沿淮200～220mm，徑流量年內(nèi)分配不均，其中汛期5—9月徑流量占全年徑流量70%～85%。近年來(lái)，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用水需求不斷增加，對(duì)水資源優(yōu)化配置提出了更高的要求。本文擬用Mann_Kendall檢驗(yàn)方法對(duì)該地區(qū)降水變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為該區(qū)域水資源優(yōu)化和管理提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取安徽省淮河以北地區(qū)28 處雨量站點(diǎn)1956—2016年逐月降水量數(shù)據(jù)，根據(jù)該區(qū)域氣候特征，將全年劃分為1—4月，5—9月（汛期），10—12月三段分別統(tǒng)計(jì)降水量進(jìn)行分析。

2.2 分析方法

Mann_Kendall 檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，變量可以不具有正態(tài)分布特征，也不受少數(shù)異常值的干擾，廣泛應(yīng)用于降水、徑流等水文變量的趨勢(shì)檢驗(yàn)分析。

2.2.1 Mann_Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

假定X1，X2，X3，…Xn為時(shí)間序列變量，定義統(tǒng)計(jì)量S：

表1 皖北地區(qū)28 處雨量站趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

式中：sign( )為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)(xj-xi)小于、等于或大于零時(shí)，sign(xj-xi)分別取-1、0、+1。S 為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量表示為：

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，如|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)不可接受，即在置信水平α 上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z 為正值表示上升趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z 的絕對(duì)值在大于等于1.64、1.96、2.58 時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

2.2.2 非參數(shù)Mann_Kendall 突變檢驗(yàn)

X1，X2，…Xn為時(shí)間序列變量，ri表示第i個(gè)樣本xi＞xj的累計(jì)數(shù)（其中1 ≤j ≤i）。

構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量Sk：

將統(tǒng)計(jì)量Sk標(biāo)準(zhǔn)化為：

式中：E(Sk)為均值，Var(Sk)為方差。

在給定的置信水平α 情況下，如UFk＞Uα/2或UFk＜-Uα/2時(shí)，表明時(shí)間序列具有明顯的上升或下降趨勢(shì)。繪制UFk曲線。

將時(shí)間序列X 按逆序排列，上述過(guò)程重新計(jì)算，得到第二條曲線UBFk。兩條曲線繪制在同一坐標(biāo)平面內(nèi)，如果兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且在臨界線之間，對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為突變開(kāi)始的時(shí)間。

表2 皖北地區(qū)6 處雨量代表站趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表

圖1年平均降水量趨勢(shì)分布圖

圖2 1—4月降水量趨勢(shì)分布圖

圖3 5—9月降水量趨勢(shì)分布圖

圖4 10—12月降水量趨勢(shì)分布圖

3 結(jié)果分析

3.1 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)28 處雨量站1956—2016年雨量資料按照1—4月、5—9月、10—12月、年降水量進(jìn)行逐年統(tǒng)計(jì)，按照上述的Mann_Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1、表2，圖1～圖4。

由表1 可知，安徽省淮河以北28 處雨量站，按照年降水量進(jìn)行分析，其中14 處有下降趨勢(shì)，2 處下降趨勢(shì)明顯，14 處有上升趨勢(shì)。

1—4月降水量：28 處有下降趨勢(shì)， 6 處下降趨勢(shì)顯著；無(wú)1 處有上升趨勢(shì)。

5—9月降水量：11 處有下降趨勢(shì)；17 處有上升趨勢(shì)。

10—12月降水量：5 處有下降趨勢(shì)，23 處有上升趨勢(shì)。

圖5 徐樓站年平均降水量圖

圖6 徐樓站5—9月降水量圖

圖7 蒙城站年平均降水量圖

圖8 蒙城站5—9月降水量圖

圖9 徐樓站年降水量5年滑動(dòng)平均過(guò)程線圖

圖10 蒙城站年降水量5年滑動(dòng)平均過(guò)程線圖

綜合表明，淮河以北年降水量總體平穩(wěn)，無(wú)明顯上升和下降趨勢(shì)；分時(shí)段看，1—4月下降趨勢(shì)明顯，汛期5—9月，10—12月有上升趨勢(shì)。

由表2 可知，年降水量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z 負(fù)值最 小-1.861，濉溪站，1—4月、5—9月 分 別為-2.67、-1.942，均為負(fù)值，下降趨勢(shì)顯著。徐樓、碭山、蕭縣三站情況類似，全年、1—4月、5—9月均為負(fù)值，下降趨勢(shì)明顯。

由圖1 可知，年降水量變化趨勢(shì)分布，沿淮河以北蒙城、固鎮(zhèn)、五河一帶為增加趨勢(shì)，淮北地區(qū)亳州、宿州、淮北、蕭縣、碭山為下降趨勢(shì)，蕭縣、濉溪下降趨勢(shì)明顯。

由圖2 可知，統(tǒng)計(jì)量均為負(fù)值，說(shuō)明整個(gè)區(qū)域1—4月份降水量均呈下降趨勢(shì)，其中濉溪、宿州下降趨勢(shì)顯著。

由圖3 可知，與年降水量變化趨勢(shì)分布基本一致，宿州、淮北、蕭縣、碭山呈下降趨勢(shì)，沿淮淮北呈上升趨勢(shì)。

由圖4 可知，整個(gè)區(qū)域呈微弱上升趨勢(shì)。

3.2 降水量突變分析

依據(jù)Mann_Kendall 突變檢驗(yàn)方法繪制UFk和UBFk曲線，見(jiàn)圖5～圖8。由圖5、圖6 可知，全年降水量圖UFk（實(shí)線）1962—1966年大于0，其他年份均小于0，說(shuō)明下降趨勢(shì)明顯；兩條線在1968年和2010年呈現(xiàn)交點(diǎn)，說(shuō)明自1968年和2010年以后，徐樓站年雨量呈顯著下降趨勢(shì)。5—9月降水量，1966年以后整體呈下降趨勢(shì)，兩曲線交點(diǎn)在1966年，說(shuō)明1966年以后5—9月份降水量下降趨勢(shì)顯著。

由圖7、圖8 可知，全年降水量圖UFk（實(shí)線）2000年為分界線，之前基本在0 值以下，2000年以后在0 值以上，且上升趨勢(shì)明顯。兩條線在2001年呈現(xiàn)交點(diǎn)，說(shuō)明自2001年以后，蒙城站呈顯著上升趨勢(shì)。蒙城站5—9月曲線與全年趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明該站年雨量上升趨勢(shì)，主要是汛期雨量上升趨勢(shì)形成。

由圖9、圖10 可以看出，徐樓站在1966年和2010年以后呈明顯下降趨勢(shì)；蒙城站在2001年以后上升趨勢(shì)明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Mann_Kendall 檢驗(yàn)分析方法，對(duì)安徽省淮北地區(qū)資料進(jìn)行趨勢(shì)和突變分析，結(jié)果表明：

1—4月降水量，該區(qū)域均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，皖北的蕭縣、碭山、濉溪、宿州下降趨勢(shì)比沿淮顯著。

汛期5—9月降水量，11 處呈下降趨勢(shì)， 17 處呈上升趨勢(shì)。下降趨勢(shì)，主要分布在北部的宿州、濉溪、蕭縣、碭山；上升趨勢(shì)，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固鎮(zhèn)、五河一帶。

10—12月降水量，5 處呈下降趨勢(shì)， 23 處呈上升趨勢(shì)。該區(qū)域均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯。

28 處雨量站點(diǎn)全年平均降水量， 14 處雨量站點(diǎn)年降水量呈下降趨勢(shì)，主要分布在北部的宿州、濉溪、蕭縣、碭山；14 處呈上升趨勢(shì)，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固鎮(zhèn)、五河一帶■