基于Mann-Kendall的秦皇島市降水多時(shí)間尺度分析

蘇萬(wàn)磊

(河北省秦皇島水文勘測(cè)研究中心，河北 秦皇島 066000)

1 概 述

氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致世界許多地區(qū)水資源日益短缺。在過去的幾十年已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，以確定不同地理區(qū)域氣候變化的趨勢(shì)和變異性[1-3]。這些研究大多是通過分析氣候和水文要素，如降水、氣溫、土壤濕度和地表徑流進(jìn)行的，降水被認(rèn)為是地表徑流和其他水資源可變性和有效性的最重要驅(qū)動(dòng)力之一[4-5]。由于降水量呈下降趨勢(shì)，分布不均，部分流域生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重，中國(guó)北方海河流域是我國(guó)面臨嚴(yán)重缺水問題的地區(qū)之一。本文以秦皇島為研究對(duì)象，秦皇島市屬于海河流域同時(shí)也為沿海城市，由于該地區(qū)人口較多，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，水資源可利用性有限，多年平均水資源總量為15.37×108m3，人均水資源量?jī)H為535 m3/a，為全國(guó)平均水平的1/4，為全球平均水平的1/14。生態(tài)環(huán)境退化是由于該地區(qū)地表水不足和地下水過度開采造成的。由于缺乏對(duì)降水時(shí)空變化的綜合分析，無法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)管理，導(dǎo)致流域水資源利用效率低下。

在本研究中，分析3個(gè)氣象站1961-2019年的月降水量和年降水量，以獲得可靠的估計(jì)值，來描述秦皇島市降水趨勢(shì)和分布。本研究的目標(biāo)是：①通過識(shí)別研究區(qū)域內(nèi)降水的總體趨勢(shì)和分布來描述其變化；②分析降水的季節(jié)性及其隨時(shí)間和空間的變化。本文的研究結(jié)果可為水資源規(guī)劃與管理提供參考與借鑒。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文擬利用市區(qū)及周邊地區(qū)的3個(gè)氣象站點(diǎn)(秦皇島、昌黎、撫寧)1961-2019年逐月降水實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用算術(shù)平均構(gòu)建該流域月、季、年平均降水量時(shí)間序列，對(duì)該區(qū)域降水分布特征與旱澇災(zāi)害變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)秦皇島市降水量分布與旱澇災(zāi)害進(jìn)行研究。本文采用的月降水量資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)共享網(wǎng)，各站點(diǎn)降水要素均具有較好的連續(xù)性。

2.2 研究方法

本文以秦皇島市近59年的逐月降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別對(duì)區(qū)域的季、年際的年平均降雨量進(jìn)行線性回歸分析以及對(duì)年均降雨量年代際的分析，試圖在季、年際、年代際等不同時(shí)間角度劃分下分析降水量變化特征，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的序列檢驗(yàn)和線性回歸分析，確定研究區(qū)降水量的突變和時(shí)間趨勢(shì)。

3 降水量時(shí)間變化特征

3.1 降水量的季節(jié)變化特征

秦皇島市季平均降水量差異大，四季降水量占比見圖1。其中，夏季降水量占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其次是秋季和春季，冬季的降水比重最少。從4個(gè)季節(jié)的平均降水量變化趨勢(shì)來看，四季均呈減少趨勢(shì)，但減少的幅度不同，其中春秋冬季分別為-0.7、-2.3和-0.3 mm/10a，傾斜率變化未通過α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，說明降水量減少趨勢(shì)不明顯；夏季降水量呈顯著減少，降水量變化為-13.8 mm/10 a(r=-0.34，P<0.05)。見表1。

圖1 秦皇島市降水四季占比

表1 3站點(diǎn)四季降水變化傾向率 /mm·a-1

由降水量的季節(jié)變化可知，秦皇島市近59年的降水量減少主要是以夏季的顯著減少為特點(diǎn)。由秦皇島市各季節(jié)平均降水量變化的5年移動(dòng)曲線(圖2)可看出，流域各季節(jié)平均降水量具有不同的階段性變化特征。春季，最大季降水量為202.6 mm，發(fā)生在1990年；最小季節(jié)降水量為14.7 mm，發(fā)生在1965年，所以春季降水最大波動(dòng)為187.9 mm。

圖2 秦皇島市四季多年平均降水變化趨勢(shì)

從圖2(a)中可以看出，1961-1976年及1991-2001年兩段時(shí)間降水波動(dòng)較大，并且在后段時(shí)間出現(xiàn)降水的最大值，其余時(shí)間段為窄幅波動(dòng)，降水量偏少，且為緩慢下降趨勢(shì)。夏季，最大季降水量為1 038.5 mm，發(fā)生在1969年；最小季節(jié)降水量為370.0 mm，發(fā)生在2015年，所以夏季降水最大波動(dòng)為668.5 mm。

從圖2(b)中可以看出，1961-1976年及2006-2016年兩段時(shí)間降水波動(dòng)較大，并且在這兩段時(shí)間出現(xiàn)多次降水的枯豐交替，其余時(shí)間段為窄幅波動(dòng)，降水量偏少，整體為下降趨勢(shì)。秋季，最大季降水量為235.3 mm，發(fā)生在2012年；最小季節(jié)降水量為15.3 mm，發(fā)生在2006年，所以秋季降水最大波動(dòng)為220.0 mm。

從圖2(c)中可以看出，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)降水的波動(dòng)幅度比較大，并且整體呈減少趨勢(shì)。冬季，最大季降水量為57.2 mm，發(fā)生在1979年；最小季節(jié)降水量為0.3 mm，發(fā)生在2019年，所以冬季降水最大波動(dòng)為56.9 mm。

從圖2(d)中可以看出，總體來說降水量偏少，且為緩慢下降趨勢(shì)。

3.2 降水量年際變化特征

秦皇島市近59年的年平均降水量為642.3 mm，其線性變化呈減少趨勢(shì)，線性方程為y=-1.706 1x+693.47，平均年降水量以17.06/10 a的速率遞減，減少傾向率未通過α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，59年內(nèi)減少100.65 mm，減少趨勢(shì)同樣不顯著。市區(qū)年均降水量年際變化較大，年均降水量的最大值為1 273.5 mm，出現(xiàn)在1969年；降水量最小值為352.0 mm，出現(xiàn)在2014年，兩者相差921.5 mm。從秦皇島市年均降水量變化的5年移動(dòng)平均曲線(圖3)可以看出，1961-1981年以及2009-2019年年平均降水量震動(dòng)幅度較大，1982-2010年年平均降水量波動(dòng)較小，整體呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖3 秦皇島市多年平均降水變化趨勢(shì)

運(yùn)用市區(qū)及周邊3個(gè)站點(diǎn)近58年的降水資料對(duì)市區(qū)年均降水量進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)(圖4)發(fā)現(xiàn)，在置信水平0.05的基礎(chǔ)上，市區(qū)年平均降水量的UF和UB曲線僅存在一個(gè)交點(diǎn)，發(fā)生在1980年，且交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi)，在這一年降水量由多向少轉(zhuǎn)變，并且市區(qū)年平均降水量從1980年開始明顯減少，并且在1990-2010年長(zhǎng)期處于相對(duì)枯水狀態(tài)。

圖4 秦皇島市多年降水突變檢驗(yàn)

3.3 降水量年代際變化特征

由表2得出，秦皇島市區(qū)年代平均降水量變化較為平緩。其中20世紀(jì)60年代平均降水量值為711.6 mm，高出年平均降水量69.3 mm；20世紀(jì)90年代開始降水量減少明顯，且為年代最少，為563.5 mm。從季平均降水量的年代際變化可知，降水量主要集中在夏秋兩季節(jié)。春季平均降水量的年代際變化最大波動(dòng)幅度為49.1 mm，其中以20世紀(jì)80年代季均降水最多，為111.2 mm；2110年以后春季均降水量最少，為62.1 mm。夏季平均降水量的年代際變化最大波動(dòng)幅度為149.2 mm，其中以20世紀(jì)60年代季均降水最多，為527.4 mm；21世紀(jì)00年代降水量最少，為378.2 mm。秋季平均降水量的年代際變化最大波動(dòng)幅度為24.9 mm，其中以20世紀(jì)60年代季均降水最多，為100.7 mm；20世紀(jì)90年代季均降水量最少，為75.8 mm。冬季平均降水量的年代際變化最大波動(dòng)幅度最小為7.6 mm，各年代降水量較穩(wěn)定，基本都在7～15 mm之間波動(dòng)，進(jìn)入少雨期。

表2 秦皇島市年平均降水量及季平均降水量的年代際變化 /mm

4 結(jié) 論

通過對(duì)秦皇島地區(qū)降水進(jìn)行研究得出以下主要結(jié)論：

1) 秦皇島市季平均降水量差異大，春夏秋冬四季降水量占全年降水量的比值分別為15.4%、61.4%、18.3%和4.9%；且四季降水變化率為負(fù)，皆呈減少趨勢(shì)。

2) 秦皇島市1961-2019年的年平均降水量為642.3 mm，年平均降水量呈減少的趨勢(shì)，平均年降水量以17.06/10 a的速率遞減，年均降水量的最大值出現(xiàn)在1969年，降水量為1 273.5 mm；降水量最小值出現(xiàn)在2014年，降水量為352.0 mm，兩者相差921.5 mm。

3) 市區(qū)年代平均降水量變化較為平緩，20世紀(jì)60年代平均降水量值最高，90年代開始降水量減少明顯，且為年代最少。

4) 降水突變發(fā)生在1980年，降水量由多向少轉(zhuǎn)變，并且市區(qū)年平均降水量從1980年開始明顯減少，并且在1990-2010年長(zhǎng)期處于相對(duì)枯水狀態(tài)。