安塞城區(qū)延河40年降水特征統(tǒng)計(jì)分析

任家偉，馬 榮，劉敏娜

（西安水文水資源勘測(cè)中心,陜西 西安 710100）

0 引言

延河,全長(zhǎng)286.9km,流域面積7725 km2,年平均徑流總量2.94億m3,平均比降3.3‰。安塞城區(qū)境內(nèi)河長(zhǎng)90 km,流域面積2649 km2,占總流域面積的34.29%,流速0.8 m/s,河谷由窄深逐漸變?yōu)閷挏\,呈V型窄谷,屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要現(xiàn)象,發(fā)生極端天氣情況會(huì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)和自然生態(tài)系統(tǒng)造成危害[1]因此生態(tài)安全問(wèn)題都將制約該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,所以開(kāi)展地區(qū)氣候變化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本次研究主要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,分析安塞城區(qū)降水量的各項(xiàng)特征值,尋找其變化規(guī)律,通過(guò)用差異系數(shù)法、皮爾遜相關(guān)性分析法、累計(jì)距平法分別對(duì)安塞城區(qū)40年（1982～2021）的降水變化趨勢(shì)及突變特征進(jìn)行分析、以便更好地為當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、防汛抗旱、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等做好服務(wù),為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供有利支持。

1 降水趨勢(shì)變化特征分析

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

資料經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查與質(zhì)量控制,選用安塞水文站1982年～2021年逐月降水資料,主要分為春、夏、秋、冬四季平均降雨量及年均降雨量5個(gè)部分來(lái)分析降水量趨勢(shì)變化。

1.2 對(duì)降水量的月、季、年特征分析

標(biāo)準(zhǔn)差也為均方差,其反應(yīng)某一要素的離散程度[2],差異系數(shù)（CV）是一種反應(yīng)相對(duì)離散程度的系數(shù),是相對(duì)差異量數(shù)中的一種測(cè)度,又名“變異系數(shù)”。對(duì)安塞城區(qū)各月、各年降水量的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及差異系數(shù)等特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出,安塞城區(qū)年平均降水量為521.0 mm,年際降水量變化小,年標(biāo)準(zhǔn)差為163.7 mm,其最大值為2013年降水量801.0 mm,比其平均值偏多53.7%；最小值為1997年降水量270.3 mm,比起平均值偏少48.1%。年內(nèi)各月降水量呈單峰型,主峰在8月,最低為12月份。差異性系數(shù)8月份最大,7月與6月次之,即夏季差異性系數(shù)最大。差異性系數(shù)最低的為12月份,其次為1月與2月份,即冬季差異性系數(shù)最小,這說(shuō)明了相對(duì)離散程度夏季比冬季大得多,干濕變化更明顯。

由圖1可知,近40年安塞城區(qū)的年降水量呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。2013年降水量最高,達(dá)到801.0 mm；1997年降水量最少,為270.3 mm；多年平均降水量為521 mm。春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）、冬季（12月～翌年2月）降水量分別占全年降水量的15%、53%、22%、10%。由圖2可知,安塞城區(qū)降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般發(fā)生在夏季月份,最小值一般發(fā)生在冬季月份。

圖1 安塞城區(qū)1982年～2021年年均降水量變化趨勢(shì)

圖2 安塞城區(qū)1982年～2021年平均逐月降水量

1.3 皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析法

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient）,又稱(chēng)皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)（Pearson productmoment correlation coefficient,簡(jiǎn)稱(chēng)PPMCC或PCCs）,是用于度量?jī)蓚€(gè)變量X和Y之間的相關(guān)（線性相關(guān)）,其值介于-1與1之間。

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件spss27.0對(duì)安塞城區(qū)近40年的年均降雨量、春夏秋冬各季降雨量進(jìn)行分析,了解其相關(guān)性和是否具有顯著性關(guān)系。

由表1可以看出年平均降雨量和夏季平均降雨量皮爾遜相關(guān)性為0.697,顯著性檢驗(yàn)＜0.01,得出兩者之間為極顯著相關(guān),因此夏季的降雨量對(duì)全年的平均降雨量影響極大。春秋二季平均降雨量雖相關(guān)性顯著,但是相關(guān)系數(shù)并不大,并不能說(shuō)明春秋二季平均降雨量對(duì)年降雨量的影響力有多大,冬季降雨量與年平均降雨量沒(méi)有通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn),說(shuō)明冬季的平均降雨量基本對(duì)全年的降雨量造成不了影響。

表1 安塞城區(qū)近40年年平均降雨量與春夏秋冬平均降雨量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

1.4 累積距平法

累計(jì)距平法是一種由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法。即距平值的累加, 距平氣候要素值與多年平均值的偏差。利用累積距平法對(duì)安塞城區(qū)1982年～2021年春、夏、秋、冬四季和年均降水量在時(shí)間序列上進(jìn)行探討分析。

安塞城區(qū)年降水量累積距平曲線見(jiàn)圖3和圖4,發(fā)現(xiàn)安塞城區(qū)40年降水量的變化規(guī)律：年降水量比上一年增加（減?。┑那闆r交替出現(xiàn),旱澇交錯(cuò),變化劇烈。

圖3 安塞城區(qū)1982年～2021年各季節(jié)累積距平曲線

圖4 安塞城區(qū)1982年～2021年年降水量累積距平曲線圖

由圖3可知,春季降水在20世紀(jì)80年代至2021年總體呈現(xiàn)交替趨勢(shì)。突變出現(xiàn)在1997年、2003年、2021年。

夏季降水從20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代中期呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),進(jìn)入90年代后期呈現(xiàn)交替變換趨勢(shì)。突變出現(xiàn)在1983年、1984年、2008年、2009年、2015年。

秋季降水在20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),20世紀(jì)呈現(xiàn)多次波動(dòng),突變出現(xiàn)在2006年、2007年、2021年。

冬季降水趨勢(shì)呈現(xiàn)多次波動(dòng),20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)00年代中期呈現(xiàn)交替趨勢(shì),20世紀(jì)00年代中期至2021呈波動(dòng)趨勢(shì)。突變出現(xiàn)在1998年、1999年。

年均降水趨勢(shì)在20世紀(jì)80年代至90年代呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì),20世紀(jì)90年代中期呈現(xiàn)顯著性波動(dòng)。突變出現(xiàn)在1997年、1998年、2013年。

對(duì)年降水量累進(jìn)平均值變化分析,降水量的累進(jìn)平均值變化過(guò)程可以反映不同樣本降水量均值的變化過(guò)程：過(guò)程線是否趨向于穩(wěn)定,在一點(diǎn)程度上可反映不同長(zhǎng)度系列的代表性和穩(wěn)定性。但因旱、澇、正常時(shí)期前后組合不同,所以曲線形態(tài)各異,只有在系列相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)才不會(huì)受豐枯期次序的影響而趨于穩(wěn)定。在40年降水?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,圖1安塞城區(qū)年降水量均值變化圖,反映了不同樣本降水量系列值的變化過(guò)程。通過(guò)圖1可看出,在時(shí)間序列上安塞城區(qū)的年降水量平均值隨著時(shí)間越長(zhǎng)、其曲線的變化幅度也越小,但還有上下波動(dòng)說(shuō)明其年降水量的狀態(tài)不是很穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

（1）安塞城區(qū)降水的季節(jié)變化為典型的單峰型；多年平均降水量521 mm,降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般發(fā)生在夏季月份,最小值一般發(fā)生在冬季月份。春夏秋冬降雨量分別占全年的15%、53%、22%、10%。夏季的差異系數(shù)最大,冬季差異系數(shù)最小。

（2）安塞城區(qū)1982年～2021年平均降雨量和夏季平均降雨量皮爾遜相關(guān)性為0.695,顯著性檢驗(yàn)＜0.01,兩者之間為極顯著相關(guān),說(shuō)明夏季的降雨量對(duì)全年的平均降雨量影響極大。春秋二季平均降雨量雖相關(guān)性顯著,但系數(shù)較小,且在實(shí)際的防汛工作中,安塞城區(qū)一般不在春秋二季防汛,可以得出春秋季節(jié)雨量較多,但強(qiáng)度偏低。冬季降雨量與年平均降雨量沒(méi)有通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn),說(shuō)明冬季的平均降雨量基本對(duì)全年的降雨量造成不了影響。

（3）比較差異系數(shù)法與皮爾遜相關(guān)性分析法檢測(cè)安塞城區(qū)1982年～2021年年平均降雨量和各季降雨量得出的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)論具有高度的相似性,即夏季降水強(qiáng)度大且其降雨量對(duì)全年降雨量影響巨大,冬季降水強(qiáng)度小且其降雨量基本對(duì)全年降雨量沒(méi)有影響,建議安塞城區(qū)各級(jí)防汛部門(mén)需重點(diǎn)防范在夏季的洪澇災(zāi)害,同時(shí)也要防范冬季出現(xiàn)的不同程度的干旱。

（4）安塞城區(qū)1982年～2021年春季、夏季、秋季、冬季降水時(shí)間序列均發(fā)生了突變。春季是1997年,為降水增加突變點(diǎn)；秋季是2006年,為降水增加突變點(diǎn)；夏季是1983 年,為降水減少突變點(diǎn)；冬季是1999年,為降水減少突變點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)突變點(diǎn)數(shù)較少,各季降雨量量呈波動(dòng)趨勢(shì)。

（5）從安塞城區(qū)年降水量累積距平曲線可以得出安塞城區(qū)近40年安塞城區(qū)的年降水量整體呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì),年降水量比上一年增加（減?。┑那闆r交替出現(xiàn),但整體變化幅度不大,在時(shí)間序列上安塞城區(qū)的年降水量平均值隨著時(shí)間越長(zhǎng),其曲線的變化幅度越小,結(jié)論可為各級(jí)防汛部門(mén)防汛減災(zāi)工作提供參考。