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皖西地区降水量变化初步研究来源：人大经济论坛论文库 作者：向明 时间：2015-06-04
皖西地区降水量变化初步研究
摘要： 通过对皖西地区1964年到2010年的降水资料系列统计、排频；以及降水量随气候变率长期变化、异常发生频率和趋势；运用Mann-Kendall检验降水变化趋势，对要素变化规律进行分析研究。关键词： 皖西 降水 变化 研究
1、前言
近年来人类活动影响频繁，全球变暖、水文气象灾害加剧、生态环境恶化等使得皖西气候和下垫面条件发生了很大变化，导致降水量及其转化规律随之发生变化。地球表面的各种水体，在太阳的辐射作用下，从海洋和陆地表面蒸发上升到空中，并随空气流动，在一定的条件下，冷却凝结形成降水又回到地面。降水的一部分经地面、地下形成径流并通过江河流回海洋；一部分又重新蒸发到空中，继续上述过程。这种水分不断交替转移的现象称为水分循环，也叫水文循环，简称水循环。
降水、蒸发和径流是水文循环中的3个基本要素水文要素，也是构成某一地区、某一时段水文状况的必要因素，对降水等作为其基本要素演变进行分析研究就显得尤为重要。
2、区域水旱特点
皖西地区地处江淮分水岭多山地丘陵，自然灾害频发，而降水多寡造成的旱涝灾害更为频繁。建国前的500多年间，平均2～3年有一次水灾或旱灾发生，而丘陵的特点是旱多于涝。皖西地区干旱有连续出现及水旱交错发生的特点。如1958～1959年，1966～1967年，1976～1978年，1994～1995年，2000～2001年等为连续2～3年干旱。而1954、1956、1963、1991、1998年等有在大水后期出现较大旱情。皖西地区建设以来比较典型的干旱年份有1996年，1978年，1994年，2001年等。
2.1资料选用
本节在已有成果基础上，对代表站和典型区的观测系列较长、代表性较佳的雨量变化特征进行分析，然后再根据流域多站降水观测资料对整个皖西地区的降水时空变化特征进行探讨。
2.1.1代表站降水变化分析
淠史杭蒸发实验站，是专门开展水面蒸发、径流、灌溉实验研究的国家重点综合性实验站。也是目前国内为数不多的大型蒸发实验站。这里选用该站为区域代表站进行皖中地区降水变化的进一步研究。为了能深刻的反映降水的变化特征，将淠史杭蒸发实验站的降水资料分成三类：年降水系列、汛期降水系列（（6～9月）、非汛期降水系列（10月～次年5月），分别对这三个系列进行时序分析。
2.1.1.1降水量时序变化分析
根据淠史杭实验站1964～2010年资料分析，多年平均降水量约为1087.7mm。淠史杭实验站汛期（6～9月）多年平均降水量为52.5mm，最大汛期降水量为2010年的952mm，最小汛期降水量为1966年的184.7mm；非汛期（10月～次年5月）多年平均降水量为533mm，最大非汛期降水量为1997～1998年的759.6mm，最小非汛期降水量为1980～1981年的339.6mm。最大年降水量为2010年的1566.9mm，最小年降水量为1978年的609.2mm，最大年降小量是最小年的2.57倍。淠史杭实验站降水频率分析图见图2-1。为了便于表达，其中非汛期将年际间非汛期规认为是上一年度非汛期，如1966年非汛期即指1966年10月至1967年5月的时段。
图2- 1淠史杭实验站年降水频率分析图
对于年降水量，丰水年可以读出其对应年降水量为1334.2mm；偏丰年其对应年降水量为1334.2mm～1159.6mm；平水年其对应年降水量为1159.6mm～992.9mm；偏枯年其对应年降水量为992.9mm～844.3mm；枯水年其对应年降水量为844.3mm。而且，在降水的年内分布上，十二月份占全年平均降水的比例最小，仅为3%，而七月份占全年的比例最大，为17%，其次是八月份和六月份，都为13%，6～9月份的总降水量可以占到全年降水总量的51%，而另外8个月合计仅占49%。另外，年内降水分布最不均匀的是1980年，其6～9月份占全年降雨的比例高达71%，而1966年这个比例仅为22%，前者是后者的近3.2倍，因此，淠史杭实验站观测到的年内降水分布极不均匀，这也与典型的亚热带湿润季风气候相吻合。
对于跨年非汛期降水量，其平均降水量较少，且其波动性亦有别于全年和年内汛期降水量，自上世纪八十年代末至九十年代末其降水量呈现明显偏多情势，而21世纪初则较为均衡。全年、汛期和非汛期降水量分年代统计结果见表2-2。实验站观测到的年平均降水量在上世纪七十年代和八十年代的降雨量偏少而九十年代和21世纪初则偏多，尤以进入21世纪后偏多更甚。
表2- 1 分年代降水量统计 单位：mm
2.1.1.2降水趋势性和突变分析
许多学者不断应用该方法来分析降水、径流、气温等要素时间序列的趋势变化。Mann--Kendall检验法不需要样本遵从一定的分布，也不受少量异常值的干扰，适从水文，气象等非正态分布的数据，具有计算简便的特点。
在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据（xl，…，xn），是n个独立的、随机变量同分布的样本；备择假设H1是双边检验，对于所有的k，j≤n且k≠j，xj ，xk的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：
（2-1）
其中，S为正态分布，其均值为0，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18。当n>10时，标准的正态统计变量通过下式计算：
（2-2）
这样，在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果��Z�颉�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。对于统计变量Z，大于0时，是上升趋势；小于0时，则是下降趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时，分别表示通过了信度90%，95%和99%的显著性检验。当Mann-Kendall检验进一步用于检验序列突变时，检验统计量与上述Z有所不同，通过构造一秩序列： 定义统计变量：
（2-3）
式中： E（Sk）=k（k+l）/4， Var（Sk）=k（k-l）（2k+5）/72， UFk为标准正态分布，给定显著性水平α，若��UFk��>U1-α/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，在按照上式计算，同时使
（2-4）
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值大于0，则表明序列呈上升趋势；小于0则表明呈下降趋势；当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk这2条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。本文选取α=0.05，此时��U0.05��=1.96。
（1）淠史杭站汛期降水量M-K检测结果
（2）淠史杭站非汛期降水量M-K检测结果
图2- 2淠史杭站降水量M-K检测结果
对于年降水量，M-K检测显示（图3-5），上世纪六十年代中期至七十年代初年降水量处于减少的，并且在1967年超过90%置信区间范围，表明下降趋势显著。七十年代初期开始，年降水量开始了长达近40年的增长，值得一提的是，2002年附近出现了小时段的减少。按照突变点的定义，年降水量的几乎每次变化都会产生突变点，根据检测结果得出1970、1980、1993、1997、2003、2006、2009年均为突变点。
对于汛期降水量，M-K检测显示，在整个检验时段内有一个明显的的突变点，发生在1995年附近。从1964年到1966年期间汛期降水量才开始增加，之后的两年内降水量开始 减少，1968年到2001年降水量开始一直增加，并与1982年至1994年间数次通过90%置信直线，说明在这十年间有90%的可信度汛期降水量有显著增加趋势。2001年前后出现了小幅波动，但汛期降水量就在那之后就又出现了增加趋势，汛期降水量开始缓慢增加，但不显著。另外，2001年是一个的由减少到增加的突变点。
非汛期降水量较汛期降水量趋势变化更加频繁。1974年其变化趋势由增加转为减少，1974年为突变点。经历过1978年的小波动后，于1979年开始减少，并在1983年产生突变点，此后又在1986年产生了由减少到增加，并从1986年起一直维持稳定的增加趋势，但检测时间段内所有的趋势都未超过90%置信直线。
3、地区降水变化分析
3.1 空间分布
为了全面地把握皖西江淮分水岭地区降水量变化趋势，将整个流域分为二大分区：江淮分水岭以北长江流域分区、江淮分水岭以南淮河流域分区并在各流域分区选择足够数量且代表性较好的观测站。将降水情况分成偏丰年、平水年、偏枯年和枯水年，其相应的保证率分别为：12.5%～37.5%、37.5%～62.5%、62.5%～87.5%、>87.5%，利用差积曲线法研究各个流域分区降水量变化趋势。
皖江分水岭以南长江流域：降水变化趋势基本一致，总体规律大致如下：50年代中期到80年代初降水量趋于减少，80年代初到90年代初期降水量有所上升，90年代初期到21世纪初期又有一短期减少过程，21世纪初期到本年代末又有增加的过程。皖江分水岭以北淮河流域：该区域降水变化趋势不明显，50年代中期到60年代中期皖江的分水岭以北淮河流域降水变化趋势与皖江分水岭以南大致一致，只是60年代中期以后降水就在均值附近上下波动，减少的幅度较皖江分水岭以南区域小得多。
经分析计算，皖西地区多年平均年降水深1066.9mm，相应降水量414.23亿m3，其中淮河水系年均降水深1070.2mm，相应降水量289.28亿m3；长江水系年均降水深1059.1mm，相应降水量124.95亿m3。
3.2时程分布
皖西地区降水量在各季节的分配比例随年份波动较大，总体上没有明显的变化趋势，近年来汛期和夏季降水所占比例有上升趋势。汛期降水的变化特征基本与年降水量一致，年际波动较强烈，无明显的阶段特征。通过波谱分析，淮河流域汛期（6～9月）降水有着准10年和2年的降水周期。皖西地区年代际变化较明显，年降水量变化具有明显的阶段性。
4、结语
降水是天气系统各因子综合作用的体现，变化异常将导致干旱或洪涝等灾害，对长时间降水量、蒸发量序列进行研究有助于了解其变化规律，预测变化趋势；虽然如此，但人类对它们的影响也是非常重要，只有我们不破坏与其相关的生态环境，才能让它们变化更加贴近自然规律，使其符合年内、年际和季节的规律特点。
参考文献：
[1]鲁子林.水利计算[J].河海大学出版社，1989年 [2]杨馥祯.吴胜安.近39年海南岛极端天气事件频率变化[J]，气象，2007年03期 [3]汪 靖.江淮流域梅雨季节的气候特征及其异常的分析研究[D]，南京信息工程大学，2007年 作者简介：孙红舒 男 1974年 工程师 从事水文监测，水环境监测等工作。
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