鄭州市近60年來降水變化特征及突變分析

劉德林

（河南理工大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作454000）

水資源短缺已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”，然而，全球變暖和人類自身改造自然能力的不斷提高，使水資源循環(huán)要素的質(zhì)和量在時(shí)空上均發(fā)生了很大變化［1－2］。地處中華腹地的鄭州市是中國嚴(yán)重缺水的城市之一，全市人均水資源量僅為198 m3，不足河南人均的1／2及全國人均的1／10。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄭州市年需水量為17．2億m3，正常降水年份的可利用水量僅能滿足85%的用水需求，而干旱年份缺口達(dá)到6．2億m3，缺水率高達(dá)33．6%。然而，鄭州市降水的年際及年內(nèi)分配卻極其不均（如1987年8月10日的日降水量高達(dá)289 mm，暴雨最大強(qiáng)度達(dá)110 mm／h，而1997年的年降水量僅有354．9 mm），這加劇了鄭州市的水資源危機(jī)。因此，研究鄭州市降水的長期變化及突變特征，無論是對該區(qū)水資源的合理開發(fā)利用還是旱澇災(zāi)害的防治都具有重要的意義。本文以鄭州氣象站和《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》的降水資料為基礎(chǔ)，采用線性趨勢法和Mann－Kendall變點(diǎn)檢測法對其年季的長期變化趨勢、年內(nèi)分配特征及其突變性進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1．1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料國際交換站鄭州氣象站（34°43′N、113°39′E，海拔 98 m）1951－2005年的日降水資料和《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》2006－2008年的月降水資料，并據(jù)此計(jì)算各季及逐年降水量。其中，春、夏、秋、冬四季劃分為3－5月、6－8月、9－11月和12月－次年2月［3］。

1．2 研究方法

（1）線性趨勢法。降水的趨勢變化可用一次線性回歸方程表示［4］，即

y＝at＋b （1）

式中：a，b——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可由最小二乘法求得；y——降水的預(yù)測值；t——觀測時(shí)間。將a×10稱為降水傾向率，單位為mm／10 a，a值的符號反映氣候要素隨時(shí)間上升或下降的變化趨勢，絕對值的大小度量其演變趨勢上升、下降的程度。

（2）Mann－Kendall法。M－K法是以氣候要素時(shí)間序列平穩(wěn)為前提，遵從正態(tài)分布且各樣本間相對獨(dú)立［5－6］。

假設(shè)H0：氣候要素時(shí)間序列平穩(wěn)的前提下，設(shè)氣候要素序列為x1，x2，…，xN，mi表示第i個(gè)樣本xi大于前面樣本的累計(jì)數(shù)，表示為

在原序列隨機(jī)、獨(dú)立和平穩(wěn)的假定下，dk的均值和方差可用下式表示：

將新建序列dk標(biāo)準(zhǔn)化得：

其中，U（dk）為標(biāo)準(zhǔn)分布，若概率分布為α1＝pr ob（│U│＞│U（dk）│），給定一定顯著水平α0，如果α1＞α0，接受原假設(shè)H0，若α1＜α0，則拒絕原假設(shè) H0，這說明該序列存在明顯的變化趨勢。

給出U（dk）和uˉdi隨時(shí)間變化曲線圖（分別以Uf和Ub表示），如果曲線Uf和Ub的交點(diǎn)位于信度區(qū)間之內(nèi)，這點(diǎn)便是降水突變點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2．1 降水的趨勢分析

從鄭州市近60年來的年降水變化曲線（圖1）可知，鄭州市年降水量總體呈上升趨勢，降水傾向率為14．19 mm／10 a，這與1951－1989年全國年平均遞減率（－12．66 mm／10 a）變化趨勢相反［1］。鄭州市降水在1950s明顯偏少，為枯水期，年代降水距平值為43．89 mm，最小降水量僅有358 mm（1960年）；1960s，1970s，1980s和1990s為平水期，年代降水距平值分別為9．77，－3．57，－6．14，12．60 mm；降水量在2000s明顯增多，為豐水期，年代降水距平值高達(dá)70．67 mm，其中2003年降水量超過1 000 mm，為多年平均降水量（614．90 mm）的1．64倍。從年降水?dāng)M合曲線可以看出，鄭州市近60年來的降水經(jīng)歷了增多－減少－增多（即枯水期－平水期－豐水期）的歷史演變過程。對鄭州市近60年來各季降水資料的統(tǒng)計(jì)分析表明，各季降水量與年降水量變化趨勢基本相似，整體亦呈增加趨勢，但增加的幅度均明顯小于年降水量（圖2a－d）?？偟膩碚f，冬季和夏季降水增加趨勢較快，春季較慢，秋季增加不大，其降水傾向率分別為7．75，4．80，1．88和0．08 mm／10 a。對各季降水的二次多項(xiàng)式擬合曲線進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，近60年來，鄭州市春季和秋季降水呈現(xiàn)一個(gè)“少－多－少”變化趨勢，而夏季降水變化趨勢則與其相反，呈現(xiàn)“多－少－多”，冬季降水一直呈增多趨勢。對各季降水與年降水量的相關(guān)分析表明，夏季降水與全年降水關(guān)系最為密切（R2＝0．737，α＝0．01），其次為春季（R2＝0．528，α＝0．01），冬季相關(guān)性最差。

圖1 1951－2008年鄭州市年降水量變化

2．2 降水的年內(nèi)分配特征

由鄭州市各年代平均降水量的年內(nèi)分配特征（圖3）可明顯看出，鄭州市降水量年內(nèi)分配十分不均，主要集中在6－9月（7月所占比重最大），10月至次年5月所占比重不大。其中，1970s和2000s降水分布更為集中，僅6－8月的降雨量就占到全年降水量的60%以上。雖然1980s和1990s降水的年內(nèi)分配相對均勻，但6－8月和6－9月的降水量也分別占到全年降水量的50%和60%以上。對降水?dāng)?shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析可知，各年代6－8月降水量占該年代年均降水量百分比的變化范圍為49．72%～65．75%，6－9月降水所占比重變化范圍為62．01%～71．27%。

圖2 近60年來鄭州市春、夏、秋、冬各季降水量變化

圖3 鄭州市降水量不同年份年內(nèi)分配特征

圖4 鄭州市年降水序列的M－K突變檢測

2．3 降水突變分析

由圖4可以看出，鄭州市近60年的年降水序列分別在1953年、1958年、1964年和1997年發(fā)生突變。正向序列曲線（Uf）在1953年發(fā)生突變后呈快速上升趨勢，且通過1．96置信度臨界值，表明1953年后降水有顯著增多的趨勢；降水序列在1964年發(fā)生突變后Uf呈波動(dòng)趨勢，表明1964年后降水呈現(xiàn)波動(dòng)變化；降水序列在1997年發(fā)生突變后，Uf呈上升趨勢，但始終沒有通過1．96置信度臨界值，說明1997年后年降水增多，但增多趨勢不顯著。對春夏秋冬四季的MK變點(diǎn)檢測發(fā)現(xiàn)：春季降水量在1964年、1999年和2002年共發(fā)生3次突變，夏季在1953年和2002年共發(fā)生2次突變，秋季在1952年、1954年和2007年共發(fā)生3次突變，冬季僅在1981年發(fā)生1次突變。

3 結(jié) 論

（1）近60年來鄭州市年降水量總體呈上升趨勢，降水傾向率為14．19 mm／10 a，這與1951－1989年全國年平均遞減率（－12．66 mm／10 a）變化趨勢相反。從降水的擬合曲線發(fā)現(xiàn)，鄭州市近60年來的降水經(jīng)歷了增多－減少－增多的歷史演變過程；春季和秋季降水呈現(xiàn)一個(gè)“少－多－少”變化趨勢，而夏季降水變化趨勢則與其相反，呈現(xiàn)“多－少－多”，冬季降水一直呈增多趨勢。（2）鄭州市降水量年內(nèi)分配十分不均，主要集中在6－9月（7月所占比重最大），10月至次年5月所占比重不大。（3）Mann－kendall方法檢測發(fā)現(xiàn)，鄭州市年降水量在1953年、1958年、1964年和1997年共發(fā)生4次突變，春夏秋冬各季分別發(fā)生了3次、2次、3次和1次突變。

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