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标题 陇南武都地区降水变化特征
范文 王润科 庞卫花


摘要：以陇南嘉陵江流域武都区气象站提供的1959年-2008年的月降水资料为基础数据，分析了该区近50年来降水变化特征，并应用Mann-Kendall检验方法进行了突变性检验。结果表明：武都区降水量年内分配不均，降水主要集中在5月-9月份，占全年降水量的79.1%；降水年际变化明显，1983年的年降水量是近50年历史最高值，年平均降水量为574.25 mm，1997年是降水量最低值，降水量为225.41 mm，是近50年干旱较严重年份；进入21世纪后降水量波动不大，2006年以后年降水量呈逐年增加的趋势。
关键词：陇南；降水变化；Mann-Kendall；突变性检验
中图分类号：P467 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0066-04
自20世纪80年代初以来，我国大部分地区气温明显升高，气候变化显著，特别是90年代以来，不同区域出现的严重旱涝，不仅直接影响农业生产，而且造成土地资源、水资源退化、生态环境破坏，制约可持续发展[1]。为此不少学者对我国不同地区降水分布、变化趋势和年降水量的空间分布特征、时间变化规律进行了分析和预测[2-8]。
为了研究气候变化对武都地区降水变化特征的影响，选择武都地区气象站1959年-2008年的降水量资料，探讨近50年来武都地区的降水变化趋势和变化特征，并运用Mann-Kendall突变检验法分析本区域降水演变规律，从而指导当地农业生产，为解决水安全问题及实现水资源合理配置提供研究基础。
1 研究区域概况
陇南嘉陵江流域武都地区地处甘肃南部的陕、甘、川交界地带，秦岭和岷山两大山系的支脉东西向横贯全境，地理坐标为北纬32°47′-33°42′，东经104°34′-105°38′，总面积为4 683 km2。研究区位于长江流域嘉陵江水系白龙江中游，海拔667～3 600 m，垂直差异明显，年均气温14.7 ℃，气候属于北亚热带半湿润向暖温带半干旱过渡区。根据当地条件研究区可分为川坝河谷区、半山干旱区、高寒阴湿区和林缘区。
2 数据的收集和研究方法
收集武都地区气象站1959年-2008年逐月降水量数据，并对数据进行了整理和筛选，降水数据收集与处理原则如下：（1）用于统计所需的降水数据资料，其长度不少于50年；（2）月降水数据缺失的不超过总月数的10%，若有缺失用插补延长法补全；（3）数据的合理性检查，对于不合理的数据不予采用。
对于收集的数据，首先采用统计的方法对年内降水分析，其次是通过一元线性模型等方法分析年际降水变化，最后运用Mann-Kendall突变检验法来检验降水量突变情况。
降水量距平百分率是反映干旱轻重的指标，即某一时段降水与同期平均状态的偏离程度。依据收集的资料统计降水量，计算出武都区气象站1959年-2008年的降水量距平百分率（图1），发现1965年以前年均降水量波动较大，1965年-1983年降水量距平百分率位于±25之间，属于正常范围，1983年之后降水量急剧减少，尤其1987年-1988降水量是1965年之后近二十年的最低值，1989年降水量增加。综合来看在1984年-1989年之间降水量出现剧烈的波动，1990年-2005年之间降水量距平百分率位于±40之间，2006年以后年降水量增加，这与文献[9]的研究方法不同，但研究结果是一致的。
3 降水量的变化特征分析
3.1 降水的年内变化特征
对武都区50年月降水资料计算各月降水量平均值进行统计分析，结果表明武都区降水量年内分配不均，降水主要集中在5月-9月份（图2），占全年降水量79.1%；降水量最大月（7月）占全年降水量的18.62%，最小月（12月）仅占0.19%。根据气象站制定的季节划分标准，统计冬季（12月-2月）、春季（3月-5月）、夏季（6月-8月）、秋季（9月-11月）四季降水量平均值，结果是春季为354 mm，夏季为787mm，秋季为394 mm，冬季为20 mm，即冬季降水量最少，仅为全年降水量的1.29%；夏季降水量最多，占全年降水量的50.6%，春季和秋季相近，分别占22.75%和25.36%。
多月平均降水量仅能反映降水的集中趋势，其值不能被用来衡量一个地区降水是否稳定，故可用降水变率来反映降水年内变化特征。降水变率也是水资源评价的一个重要指标。为了便于各月份比较，以变差系数表征降水变率的大小，变差系数公式[10]如下：
为了衡量多年降水在年内各月的分配情况，采用变差系数对研究区同月年际间降水变率进行了分析，结果显示，降水较多的季节降水量相对稳定，变差系数稳定在0.39～0.49之间，而降水稀少季节的降水变率大，稳定性差，变差系数在1.0以上（表1）。
3.2 降水的年际变化特征
从武都地区气象站近50年来的年降水曲线和一元线性回归趋势线（图3）可以看出，20世纪90年代以前，降水量在400 mm左右浮动，90年代以后降雨量有所减少。50年来减少了42.78 mm，平均每10年减少8.5 mm，个别年份出现大的波动，如1997年降水量是近50年历史最低值，该年遭受了旱灾的严重威胁，河流断流，地下水位下降，农作物受灾面积约占农作物播种面积的50%之多。
为了全面的了解年降水量的基本特征，采用年降水量标准差、变差系数和年际极值比（最大与最小年降水量比值）来衡量降水量年际变化的特征。根据公式（1）计算得到武都地区降水量年际变化特征值（表2），从表2可以看出，武都地区降水的年际变差系数和极值比都比较大，说明武都地区的降水年际变化较大，也较不均匀。
4 Mann-Kendall检验方法及降水发展趋势分析
4.1 Mann-Kendall趋势检验方法
在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，被广泛用于分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化[11-15]。
Mann-Kendall检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算简便，并且检测范围宽，干扰少，定量化程度高。
在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据（x1，x2，…，xn），是n个独立的、随机变量同分布的样本；假设H1是双边检验，对于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：
这样，在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。若统计变量Z>0时，呈上升趋势；Z<0时，则呈下降趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时，分别表示通过了置信度90%，95%和99%的显著性检验。
当检验序列突变时，检验统计量与上述Z有所不同。构造一个秩序列
UFi为标准正态分布，给定显著性水平α，若|UFi|>Uα/2，则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列x按逆序排列，再按照上式计算，同时使
通过分析统计序列UFk和UBk可以进一步分析序列x的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域。若UFk>0，则表明序列呈上升趋势；UFk<0则表明呈下降趋势；当它们超过临界值时，表明上升或下降趋势显著。给定显著水平α=0.05，即μα=±1.96，绘成图4，可以发现UFk和UBk值波动较大，并且两条线出现交点，这说明在资料年中降水有明显突变点，降水量在1959年-1968年之间出现周期性的波动，1969年-1973年之间出现下降的趋势，1974年-1985年呈上升趋势，1985年-1993年呈周期性的波动，1994年-2007年呈下降趋势，2008年以后呈缓慢上升趋势。
4.2 降水发展趋势分析
由陇南嘉陵江流域近50年来总的降水趋势来看，图4反映出了20世纪70年代以后降水呈现增加的趋势，但在不同的年代表现为不同的变化趋势，其中1974年，1986年和1997年这三个年份为降水变化的突变点，1973年降水为326 mm，其降水量与前一年及后一年降水量相比分别减少20%和27%，1986年降水为313 mm，其降水量与前后两年降水量相比分别减少24%和8%，1997年降水为225 mm，其降水量与前后两年降水量相比分别减少21%和44%，在突变点之间的年份降水变化变化平缓。造成这种情况可能的原因是陇南境内形成了高山峻岭与峡谷盆地相间的复杂地形，它被著名地质学家李四光称为：“宝贝的复杂地带”。故降水量在某年发生突变也是合理的。
2006是降水发生变化的另一个突变点，2006后降雨量缓慢增加，这主要是陇南市政府加强生态建设，在实践中，注重把经济林建设同梯田建设、小流域治理综合起来，退耕还林使得陇南嘉陵江流域森林覆盖率增加了4.2%。由于森林能够影响成云降雨，因此2006年以后降雨逐渐增加。
5 结论
（1）通过对武都地区50年资料分析，发现武都区降水年内变化大。年际降水总趋势为增加-减少-增加，20世纪80年代以前降水隔年增多或减少的变化幅度不大，从80年代初期至今降水波动上升。90年代以后呈波动下降的趋势1997年为历史最低值，2006年以后降水呈增多的趋势，同时环境保护意识逐渐深入人心，对于改善武都区生态环境无疑是一个利好的条件。
（2）Mann-Kendall分析表明，1959年-1968年之间降水量出现周期性的波动，之后十年降水量下降，1973年后降水量缓慢增加，80年代中期到90年代中期，降水突变情况显著，UFk和UBk数次相交，90年代中期后降水量下降，这与降水距平百分率及年降水量线性回归模型分析结果是一致的。
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更新时间：2025/4/17 15:03:19