天津市降水量及蒸發(fā)量變化趨勢(shì)研究

(天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061)

1 引 言

降水量和蒸發(fā)量廣泛應(yīng)用于水資源合理利用和評(píng)價(jià)、農(nóng)作物需水和生產(chǎn)管理等研究中。近幾十年來(lái)氣候發(fā)生明顯變化，降水量和蒸發(fā)量也必然會(huì)隨之發(fā)生變化。因此，利用天津市降水及蒸發(fā)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，對(duì)探討氣候變化和水循環(huán)領(lǐng)域若干重要科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。

2 趨勢(shì)分析方法

采用線(xiàn)性滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)序列資料進(jìn)行趨勢(shì)分析。

2.1 線(xiàn)性滑動(dòng)平均法

對(duì)序列x1，x2，…,xn的前后幾個(gè)數(shù)值取其平均，以減小數(shù)據(jù)波動(dòng)，使原序列變得平滑，然后通過(guò)對(duì)新序列yt進(jìn)行線(xiàn)性分析以判斷序列的趨勢(shì)變化，公式為：

(1)

當(dāng)k=1時(shí)為3點(diǎn)滑動(dòng)平均，當(dāng)k=2時(shí)為5點(diǎn)滑動(dòng)平均。本次分析采用5點(diǎn)滑動(dòng)平均。

2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)分析法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)被廣泛用于測(cè)試水文資料趨勢(shì)的顯著性[1]。計(jì)算式為：

(2)

式中xk和xi——樣本值；

n——樣本長(zhǎng)度。

當(dāng)xk-xi大于、等于、小于0時(shí)，sgn(xk-xi)分別等于1、0和-1。當(dāng)-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2時(shí)，接受原假設(shè)，表明樣本無(wú)顯著變化趨勢(shì)，其中±Z1-α/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中顯著性水平α下的統(tǒng)計(jì)值。當(dāng)α=0.05時(shí)，Z1-α/2=±1.96。

在M-K檢驗(yàn)中，通常使用Kendall傾斜度β量化單調(diào)趨勢(shì)，計(jì)算見(jiàn)式(3)：

?j

(3)

式中，1≤j

當(dāng)β>0時(shí)，序列為上升趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)。

3 降水量變化趨勢(shì)

降水變化主要從年、季兩個(gè)維度對(duì)降水系列進(jìn)行趨勢(shì)分析。

3.1 年際特征

降水量采用天津市寧河站1964—2015年降水量月值數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到傾斜度為-31.40mm/10a，統(tǒng)計(jì)量為-1.6492，呈減少趨勢(shì)，未達(dá)到0.05的顯著水平。年降水量及5年滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 年降水量及五年滑動(dòng)平均值過(guò)程線(xiàn)

圖1中，年降水量曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，多年平均降水量578.97mm。最大年降水量為966.4mm(1969年)，最小為269.6mm(1968年)，兩者相差696.8mm。1964—1981年的降水量呈緩慢下降，1981—1986年間，降水量呈上升趨勢(shì)，1986—2001年又表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，2001—2013年轉(zhuǎn)而上升。

采用M-K趨勢(shì)分析法得到年降水量的UF、UB曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2 年降水量M-K檢驗(yàn)

UF曲線(xiàn)僅在2002—2003年超過(guò)0.05顯著性水平的信度線(xiàn)，其他時(shí)間均在信度線(xiàn)以?xún)?nèi)，證明降水變化趨勢(shì)不明顯。

3.2 年內(nèi)特征

楊艷娟等[2]利用天津氣象站1951—2008年的資料，分析了天津氣候的季節(jié)變化，天津市的四季劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。對(duì)應(yīng)頻率：豐水年10%、平水年50%、偏枯年90%的代表年，繪制P-Ⅲ頻率曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，對(duì)應(yīng)豐水年、平水年、枯水年的年降水量分別為813.6mm、548.7mm 、383.7mm。繪制各代表年的年內(nèi)分配見(jiàn)圖4，可看出：降水量年內(nèi)分配極其不均，普遍集中在6—9月份，在1—5月和10—12月降水量很少；平水年與多年平均降水量的年內(nèi)分配狀況基本一致。

圖3 年降水量頻率曲線(xiàn)

圖4 降水量年內(nèi)分配

對(duì)各季節(jié)降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析，見(jiàn)圖5和表1。

圖5 各季降水量變化

時(shí)段季平均值/mm占全年的比重/%傾斜度/(mm/10a)Z值春季66.6411.510.600.20夏季413.3971.40-41.81-2.55*秋季86.7514.985.591.25冬季12.192.110.000.01

注*表示達(dá)到0.05顯著性水平

分析圖5和表1得知，降水量具有明顯的季節(jié)特征，表現(xiàn)為：春季降水量較少，約占全年總降水量的11.51%；夏季降水量高度集中，占全年總降水量的71.40%；秋季降水量驟減，約占全年總降水量的14.98%；冬季最少，約占全年的2.11%。通過(guò)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夏季降水呈顯著減少趨勢(shì)，傾斜度為-41.81 mm/10a，其他季節(jié)降水量變化均不明顯。

4 蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

4.1 年際特征

蒸發(fā)量采用1960—2015年海河閘站月值數(shù)據(jù)，進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，多年平均蒸發(fā)量為961.8mm，蒸發(fā)量下降速率為3.91mm/10a。作5年滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 年蒸發(fā)量及5年滑動(dòng)平均值過(guò)程線(xiàn)

由圖6知，蒸發(fā)量年際變化較大，總體呈下降趨勢(shì)，顯著減少的日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速有可能是蒸散量近幾十年呈現(xiàn)減少的主要原因[3]。這也與全國(guó)蒸發(fā)量平均值呈遞減的趨勢(shì)相一致。

4.2 年內(nèi)特征

對(duì)1960—2015年內(nèi)各季蒸發(fā)量進(jìn)行趨勢(shì)分析，各季蒸發(fā)量變化圖及其趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7和表2。

圖7 各季蒸發(fā)量變化

時(shí)段季平均值/mm占全年的比重/%傾斜度/(mm/10a)Z值春季307.7832.005.881.41夏季333.6534.69-3.57-1.04秋季216.2422.48-3.22-1.22冬季104.1010.820.830.76

通過(guò)對(duì)季蒸發(fā)量進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，由圖7和表2知，春季和冬季的蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)，夏季和秋季的蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，其中，春季上升速度較快為5.88mm/10a，夏季下降速率較快為-3.57 mm/10a。受溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等影響，蒸發(fā)量的年內(nèi)分配具有季節(jié)性，表現(xiàn)為各季節(jié)蒸發(fā)量均呈波動(dòng)狀態(tài)，夏季多年平均蒸發(fā)量最高為333.65mm，占全年蒸發(fā)量的34.7%；其次是春季，蒸發(fā)量為307.78mm，占全年的32.0%；秋季蒸發(fā)量為216.24mm，占全年的22.5%；冬季最低為104.10mm，占全年的10.8%。

5 結(jié) 論

由于溫室效應(yīng)的作用，全球氣溫普遍升高，通常認(rèn)為氣溫升高，降水量及蒸發(fā)量也會(huì)增加，但通過(guò)對(duì)天津市近五十年的降水及蒸發(fā)系列進(jìn)行趨勢(shì)分析，降水量及蒸發(fā)量均呈下降趨勢(shì)，主要結(jié)論如下：

a.天津市近50年來(lái)年降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，多年平均降水量578.97mm，下降速率為-31.40mm/10a；而夏季降水量呈顯著下降趨勢(shì)，夏季多年平均降水量為413.39mm，下降速率為-41.81mm/10a。

b.年蒸發(fā)量呈不顯著下降趨勢(shì)，多年平均蒸發(fā)量961.77mm，而春季和冬季蒸發(fā)量呈不顯著上升趨勢(shì)，夏季和秋季蒸發(fā)量呈不顯著下降趨勢(shì)。季節(jié)蒸發(fā)量中夏季蒸發(fā)量最高為333.65mm，占全年蒸發(fā)量的34.7%，其次是春季，占全年蒸發(fā)量的32.0%。