1992-2020年齊齊哈爾市降水量變化特征分析

王千鳳,陳 末,齊新虎,袁曉陽(yáng),劉袁媛

(黑龍江大學(xué)a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080)

0 引 言

在整個(gè)水資源體系中,降水量指標(biāo)尤為重要。降水量的變化程度以及覆蓋范圍對(duì)旱澇災(zāi)害產(chǎn)生相當(dāng)部分的影響,進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)[1]。無論是從預(yù)測(cè)災(zāi)害的角度,還是從農(nóng)業(yè)管理的角度上來考慮,針對(duì)降水預(yù)報(bào)的研究都是十分有益的[2],因?yàn)榻邓畬?dǎo)致的不同程度的氣象災(zāi)害也是全球共同關(guān)注的。

近年來,許多學(xué)者對(duì)齊齊哈爾市的降水情況進(jìn)行了多方面的相關(guān)研究。許亞杰[3]以地理加權(quán)回歸模型,對(duì)齊齊哈爾市各個(gè)季節(jié)的降水分布進(jìn)行了研究。婁德君等[4]分析了當(dāng)?shù)?001年以前近40年的降水時(shí)空變化特征。王洪寶[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)齊齊哈爾市的降水預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。田媛[6]利用1961-2013年齊齊哈爾市的降水?dāng)?shù)據(jù),采用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法、線性趨勢(shì)法、M-K突變檢驗(yàn)法等,分析了當(dāng)?shù)氐哪杲邓?、各季?jié)降水量的變化趨勢(shì)及突變位置。

本文選取五點(diǎn)滑動(dòng)平均法[7]、線性趨勢(shì)法[8],分析齊齊哈爾市近29年的年降水量及各季節(jié)降水的變化趨勢(shì),并采用M-K突變檢驗(yàn)法[9],確定變化的突變年份。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

齊齊哈爾市以鶴城著稱,屬于黑龍江省轄地級(jí)市,齊齊哈爾市內(nèi)共有7區(qū)8縣。齊齊哈爾市地處東北地區(qū)的松嫩平原,土地資源豐富,水資源充足,市內(nèi)主要河流170多條,水質(zhì)天然良好;屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季鮮明,夏季降雨較為充沛,同時(shí)也具有東北地區(qū)普遍旱澇、低溫、大風(fēng)的氣候條件。受氣候條件影響以及地理位置因素,對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)有程度不同的顯著差異。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究?jī)?nèi)容中的齊齊哈爾市水文降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。選取齊齊哈爾市1992-2020年近29年的逐日實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù),逐日降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過累加處理,得到近29年的月降水量數(shù)據(jù)以及年降水量數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本文針對(duì)齊齊哈爾市的降水量進(jìn)行趨勢(shì)性分析以及突變性分析。其中,趨勢(shì)性分析采取距平百分率法、線性回歸法、滑動(dòng)平均法;突變性分析采取Mann-Kendall突變分析法。

1.3.1 距平百分率法

距平百分率法是一組數(shù)據(jù)同期的實(shí)測(cè)值距離該組數(shù)據(jù)平均值的大小與該組數(shù)據(jù)平均值的比值,運(yùn)用距平百分率法的好處是可以體現(xiàn)一組序列的變化程度,所以距平百分率就是對(duì)距平進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理,可以直觀體現(xiàn)降水量的變化程度。

1.3.2 線性回歸分析法

線性回歸分析法是典型的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,是定量處理兩組或多組變量之間相互依存關(guān)系的一種分析數(shù)據(jù)方法,在處理一組數(shù)據(jù)隨著一種因素的變化而變化時(shí)被廣泛使用。本研究采取一元線性回歸分析,自變量為降水年份x,因變量為年降水量y,建立最小二乘法的一元線性回歸方程為:

(1)

1.3.3 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法常用于水文序列的趨勢(shì)成分識(shí)別,可使原序列光滑化,便于判斷原序列的趨勢(shì)。假設(shè)原序列為x1、x2、x3、…、xn,則新序列計(jì)算公式如下:

(2)

式中:yt為新序列:當(dāng)k=2時(shí)為5點(diǎn)滑動(dòng)平均。

1.3.4 曼-肯德爾法

又稱Mann-Kendall檢驗(yàn)法,簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)法。M-K檢驗(yàn)法通常適用于針對(duì)在氣候變化條件下影響的降水等趨勢(shì)檢測(cè),是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法,也叫無分布檢驗(yàn)。這種檢驗(yàn)方法的好處是選取的樣本不需要遵守固定的分布,少部分?jǐn)?shù)值異常的點(diǎn)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾。假定時(shí)間序列為x1、x2、x3、…、xn,M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量如下:

(3)

式中:xj為時(shí)間序列的第j個(gè)數(shù)據(jù)值;n為樣本長(zhǎng)度。

(4)

假定時(shí)間序列為隨機(jī)的條件下,定義統(tǒng)計(jì)量為:

(5)

(6)

(7)

將時(shí)間序列逆序排列,按式(3)-式(7)計(jì)算UBk,并且滿足UBk=-UFk,若取顯著性水平α為0.05時(shí),臨界值U0.05=±1.96。當(dāng)UFk>0,表示序列有上漲的趨勢(shì);UFk<0時(shí),表示序列有下降趨勢(shì);若|UFk|>1.96,則表示序列顯著上漲或下降。當(dāng)在臨界區(qū)域內(nèi),UBk與UFk的交點(diǎn)即為突變發(fā)生的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 齊齊哈爾市多年降水量變化

2.1.1 齊齊哈爾市降雨量年代際變化

從表1中可以看出,齊齊哈爾市近29年的年代際降雨量總體上呈增長(zhǎng)狀態(tài),年代際降雨量最高的年區(qū)間為2013-2019年,為475.41mm;1999-2005年的平均降雨量最少,為395.57mm,這6年處于少雨階段。最高年區(qū)間與最低年區(qū)間的平均降雨量相差79.84mm。

表1 1992-2019年齊齊哈爾市年代際降雨量變化

2.1.2 齊齊哈爾市降雨量年際變化

由圖1可以看出,齊齊哈爾市近29年的最高年降水量為2013年,高達(dá)626.3mm;其次是2020年的年降水量,為625.4mm;年降雨量最小的年份是2001年,為250.3mm。齊齊哈爾市年降水量的總體趨勢(shì)呈逐年遞增狀態(tài),每年約遞增5mm。根據(jù)滑動(dòng)平均的計(jì)算結(jié)果來看,1992-2020的年降水量呈先下降后上升再下降的總體趨勢(shì)。

圖1 年降水量線性趨勢(shì)法及滑動(dòng)平均法處理結(jié)果

由圖2中的UFk曲線變化可以看出,2006年以前降水量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從2006年后年降水量具有上升趨勢(shì)。根據(jù)UFk和UBk兩條曲線相交情況可知,年降水量突變年份為2009及2016年。

圖2 M-K年降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果

由圖3齊齊哈爾市年降水量的距平百分比可以看出,齊齊哈爾市近29年的年降雨量距平基本呈現(xiàn)正負(fù)交替狀況,距平百分率呈先減少后增加再減少再增加的趨勢(shì),表明降雨量也呈先減少后增加再減少再增加的趨勢(shì)。

圖3 1992-2020年年降水量距平百分比

2.2 各季節(jié)降水量變化趨勢(shì)分析

按照四季時(shí)間,通常劃分春季為3-5月份,夏季為6-8月份,秋季為9-11月份,冬季為12月份至次年2月份。通過逐日累加齊齊哈爾市近29年的日降水量,得到近29年的四季降水量。對(duì)四季降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析,通過圖4-圖7觀察發(fā)現(xiàn),1992-2020年齊齊哈爾市的各季節(jié)降水量總體都呈現(xiàn)上升趨勢(shì);夏季的降水量增長(zhǎng)率最大約為2.6mm每年;冬季降水增長(zhǎng)率最小,僅為0.2mm每年。根據(jù)滑動(dòng)平均法的分析結(jié)果可以看出,春冬兩季的降水量呈先上升后下降的趨勢(shì);夏季呈不太明顯的先上升又下降的趨勢(shì);秋季則呈明顯的先下降后上升的趨勢(shì)。

圖4 春季趨勢(shì)分析結(jié)果

圖5 夏季趨勢(shì)分析結(jié)果

圖6 秋季變化趨勢(shì)分析結(jié)果

圖7 冬季變化趨勢(shì)分析結(jié)果

2.3 各季節(jié)降水量變化突變分析

根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)分析可得到結(jié)果,見圖8-圖11。春季降水的突變年份大致為2003及2016年;齊齊哈爾市夏季的降水相對(duì)情況較為復(fù)雜,對(duì)于突變點(diǎn)的檢驗(yàn)較為困難;秋季降水的突變發(fā)生在2015年;冬季降水的突變年份發(fā)生在2003年。

圖8 春季突變分析結(jié)果

圖9 夏季突變分析結(jié)果

圖10 秋季突變分析結(jié)果

圖11 冬季突變分析結(jié)果

3 結(jié) 論

通過距平百分率法、線性回歸分析法、滑動(dòng)平均法、曼-肯德爾法,對(duì)齊齊哈爾市1992-2020年的年降水量、四季降水量分別進(jìn)行趨勢(shì)分析以及突變檢驗(yàn)。結(jié)論如下:

1)通過分析齊齊哈爾市年降水量變化,結(jié)果表明,齊齊哈爾市年降水量總體呈上漲趨勢(shì),每年上升約5mm。通過突變分析,確定突變年份為2009及2016年。年降水量最高年份與年降水量最低年份的降水量相差373mm,降水量的波動(dòng)幅度較大。

2)通過分析齊齊哈爾市四季降水變化可知,春季、夏季、冬季均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);秋季降水則是先下降后上升。通過突變分析,確定了春季降水發(fā)生突變的年份為2003、2016年;秋季降水發(fā)生突變的年份為2015年;冬季降水發(fā)生突變的年份為2003年。由于齊齊哈爾市的地理位置以及氣候條件,其降水多集中在夏季,因而夏季的降雨較為密集,分析起來相對(duì)困難。