1971―无棣县降水变化趋势分析
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摘要：根据无棣县大监站及区域站1971-2010年40年降水资料，利用非参数检验法以及线性回归拟合法分析40年来无棣县的年总降水量、季节降水量以及年降水日数的变化规律以及突变性、稳定性等特征。结果表明，1971-2010年40年内无棣县年降水量呈上升趋势，波动较大，不存在突变。年降水日数总体呈微弱的减少趋势，年均降水日为65 d。降水主要集中在夏季，季节差别明显，夏季平均降水量比冬季多367.81 mm。春季降水量上升趋势较为明显，夏、秋、冬季降水呈不同程度的减少趋势。按时段划分，4～10月降水时段主要集中在6～8时。无棣县的大雨、暴雨日数增多，该强度降水量也呈上升趋势。
关键词：无棣县；降水量；降水日数；非参数检验
中图分类号：P426.61+4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）12-2234-05
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2017.12.010
Analysis of Precipitation Change Tendency in Wudi County During 1971-2010
XU Qing-wen， LU Shu-wen， LIU Shu-di， WANG Ming-tao， FU Hua-bo
（Wudi Meteorological Bureau， Binzhou 251900，Shandong，China）
Abstract： According to the precipitation data of Dajian station and regional station in Wudi county in almost forty years （1971-2010）， using nonparametric test and linear regression methods， the change rules， mutability， stabilities and other characteristics of annual total precipitation， seasonal precipitation and annual precipitation days of Wudi county were analyzed in the past forty years. The results showed that the annual total precipitation showed a rising trend in the past forty years and fluctuated greatly and had no mutability. On the whole， annual precipitation days had a weak tendency to reduce and the average precipitation days was 65 days. Precipitation concentrated mainly in summer and it varied obviously in different seasons and the average summer precipitation was 367.81 mm more than winter precipitation. Spring precipitation had a distinct rising trend while precipitations in summer， autumn and winter had reducing trends at different levels. Precipitation period from April to September was mainly from six o’clock to eight o’clock when it was divided by time frame. The days of heavy rain and torrential rain in Wudi county increased and precipitation of such intensity showed a rising trend.
Key words： Wudi county； precipitation； precipitation days； nonparametric test
o棣县位于山东省最北部，濒临渤海，地处黄泛平原和滨海平原区，盛产棉花、小枣等作物[1，2]，而且无棣地下卤水资源分布广、储量大、浓度高，有利于盐业发展。无论是棉花、小枣等农作物的生产还是海盐的产出都与降水这一气象因子息息相关。降水也影响无棣县当地水文因素的时空变化[3，4]，研究降水的变化规律对指导农业生产、促进农业发展提质增效以及水资源的合理规划利用都有极其重要的意义。
研究降水变化趋势的方法有很多，常用的有线性拟合法、累积距平曲线法、R/S方法、小波分析法、正交函数展开法等[5，6]。这些方法在降水、气温等气象因子的变化趋势研究分析中被广泛使用。刘艳辉等[7]利用一元线性回归方程对台山市降水变化趋势进行分析；罗玉等[8]使用滑动平均等统计法研究了西南地区极端降水的变化趋势；段丽瑶等[9]利用经验正交展开法和旋转经验正交展开法分析了环渤海地区夏季降水的时空变化特征；夏兴生等[10]利用气候倾向率、多项式曲线对滨州市的暴雨气候特征及洪涝灾害特点进行了分析。本研究结合董旭光等[11]对山东省近50年降水变化特征的研究，利用线性回归拟合、Mann-Kendall非参数检验等方法对1971-2010年40年无棣县的年降水量、降水日数、降水时段的变化趋势、突变等特征进行了简要分析，以便更好地为农业生产、海盐生产进行服务。
1 o棣县地理气候概况
无棣县位于山东省最北部、渤海西南岸，东经117°31′-118°12′，北纬37°41′-38°17′，地势西南高，东北低，整个县域南北长70 km，东西宽60 km，总面积1 998.12 hm2，占滨州市总面积的21.2%。无棣县属北温带东亚季风区域大陆性气候，四季分明，干湿明显。春季多风干燥，夏季湿热多雨，秋季温和凉爽，冬季长而干冷。
2 资料来源与数据分析
2.1 资料来源
利用无棣国家一般气象站降水资料进行分析，该站位于无棣县城院前街2号，资料站点号为54722，资料年限为1971-2010年，共计40年，选取年降水量、各季降水量、年降水日数等数据进行分析。定义日降水量大于0.1 mm的天数为降水日数。季节划分以12月至次年2月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季。降水强度的等级划分为：日降水量在0.1～10.0 mm为小雨日，10.0～25.0 mm为中雨日，25.0～50.0 mm为大雨日，50.0 mm以上为暴雨日。
2.2 数据分析
2.2.1 线性回归拟合 利用线性回归拟合对降水量或降水日数进行趋势分析[12-14]。将年降水量、季节降水量、降水日数等降水数据利用最小二乘法进行线性拟合，列出线性回归方程，从而得出描述数据变化的一元线性方程。
计算过程中，以年份为自变量，以降水量或者降水日数为因变量，建立线性回归方程：y（t）=ax+b。其中，a为降水量（降水日数）的变化趋势即变率，若a>0，则表示降水量（降水日数）呈上升趋势，若a
2.2.2 Mann-Kendall突变检验 使用Mann-Kendall非参数检验来检测气象因子的突变性。突变指的是相对稳定态下的不连续跳跃，气象学范畴内，在天气不断变化的过程中存在的不连续性即为突变。造成突变的原因有两种，一种是天气系统内部出现的没有外界影响的状态下出现的突变，这种突变通常会有周期性的变化；另一种是由于外力作用影响下的突变，如人为迁站而导致的气象数据突变。Mann-Kendall非参数检验方法最初由Mann[15]和Kendall[16]提出并发展的，该方法既可以用于检测气象因子的变化趋势，也可以对气象因子的突变点进行分析检验[17-19]。
在Mann-Kendall检验中，原假设时间序列H0（x1，x2，…，xn）是n个独立的、随机变量分布的样本，备择假设H1是双边检验，对于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj分布不相同。构造检验统计量的秩序列：
其中，E（Sk）=k（k-1）/4，Var（Sk）=k（k-1）（2k+5）/72（1≤k≤n）。UF1=0，给定显著性水平α，若|UFk|>Uα，则表明序列有明显的趋势变化。将时间序列x按照逆序排列，得出反序列UBk=-UFk，且k=n+1-k（k=1，2，…，n）。
通过分析UFk、UBk序列可以得出序列x的变化趋势，确定突变的时间点与突变区域。若UFk数值大于0则表明序列为上升趋势，反之则为下降趋势，当二者都超过临界直线时，表明上升或下降的趋势较为明显。若二者的曲线存在交点，而且交点在临界直线之间，那么交点所对应的时间就是突变开始的时间。
3 结果与分析
3.1 年降水量的变化趋势
无棣县1971-2010年的年降水量变化规律见图1。由图1可知，无棣县的年降水量变化幅度较大，年降水量最多的年份总降水量为952.9 mm，降水量最少的年份总降水量为238.1 mm，40年的年均降水量为555.1 mm。对这40年的年降水量进行回归分析，可得回归方程y=0.591 5x+542.94，从拟合方程来看，无棣县的年降水量呈上升趋势，但上升并不明显，上升趋势为0.591 5 mm/年。
计算年降水量的变异系数可得，年降水量的变异系数最大为1.798 6，出现在2010年，最小为0.836 2，出现在2007年。无棣县40年里的年降水量随时间变化较大，稳定性较差。使用Mann-Kendall非参数检验法对年降水量进行突变检验，得出年降水量不存在突变点。
3.2 降水量的季节变化趋势
根据无棣县的季节降水量统计值，可知无棣县年降水量主要集中在夏季，约占各季总降水量的68.91%，季节差别较明显，夏季平均降水量为382.49 mm，较冬季多367.81 mm。
根据Mann-Kendall非参数检验法统计，由图2可知，春季降水量突变发生在2008年，2008年之后，正向序列UFk曲线向正方向发展，与春季降水的线性拟合得出的一元线性方程的变化趋势相同，春季降水符合y=1.039 1x+53.603的线性拟合。由图3可知，冬季降水量的突变发生于1972年，UFk曲线向负方向发展，同样与线性拟合得出的变化趋势相同，呈下降趋势。且通过对四季降水量趋势进行线性拟合发现，除春季外，其他3个季节的降水量变化均有逐年递减的发展趋势。其中，夏、秋、冬季降水量分别符合y=-0.270 7x+388.04、y=-0.131 6x+85.255、y=-0.064 1x+15.995的变化趋势。
3.3 降水量的月变化趋势
按照月份分析，无棣县的降水主要集中在7、8月（图4），7月平均降水量达173.0 mm，约占降水总量的31.20%。6、7、8月3个月的总降水量明显高于其他月份，约占总降水量的68.98%，这符合无棣县降水量的季节变化规律。
各月降水中，3、4、6、10月的降水量突变较为明显（图略）。3月的突变时间为1986、1989、1991年。4月和6月的降水量突变集中在2005-2010年，10月降水量的3次突变发生在1975年以前。
3.4 降水日当浠趋势
由图5可知，无棣县的降水日数以0.251 7 d/年的速率逐年减少，符合线性方程y=-0.251 7x+70.335的变化规律。其中，最大降水日数出现在1990年，为89 d，最小降水日数出现在1999年，为50 d，变化幅度并不大。40年的年均降水日数为65 d。根据降水日数的突变性检验图可知，降水日数的突变时间点为1972年，降水日数的正向序列曲线向负方向变化，说明降水日数在减少。
3.5 降水时段分析
由于资料缺乏，暂用1999-2010年4～10月无棣县小时降水量进行统计分析。由图6可知，无棣县0时至8时的降水量以及降水次数明显高于其他时段。2时至7时降水次数较多，均在150次以上，6时最多，为183次。其中，6～8时的降水次数约为489次，占总降水次数的15.32%，12～14时降水次数所占比重最小，为9.71%。从降水总量来看，4、6、7、8、17时的降水总量都在400 mm以上，其中7时的降水量最多，为489.7 mm，6时次之，为453.0 mm，8时为434.2 mm。降水量最少的时段为12时，降水总量不足6时降水量的一半，为210.8 mm。由此可知，无棣县的降水集中在6～8时，该时段降水约占总降水量的16.82%，3～5时降水量所占比重次之，为14.38%，其中，12～14时降水量最少，约占总降水量的8.24%。
3.6 极端降水天气及各等级强度降水分析
根据1971-2010年无棣县的日极端降水量统计结果（图略），极端日降水量的变化趋势符合y= -0.012 8x+88.108，有微弱的下降趋势。其中，40年的极端日降水量中最大的数值为194.9 mm，出现在1992年7月24日，最小值为41.2 mm，出现在2002年8月5日。
对日降水量出现的月份进行统计比较，如表1所示，8月出现极端日降水的概率最高，为46.34%。
1971-2010年各等级降水强度与降水日数的变化规律见图7。由图7a可知，40年内无棣县的小雨日数符合y=-0.215 95x+53.927的拟合规律，各年总降水量可用y=-3.019 1x+1 285.1的一元线性方程进行拟合。由此可得，小雨日数与该等级强度的总降水量都在逐年下降，而从图7b、7c、7d中可知，中雨、大雨、暴雨日数都呈上升趋势。从图8可知，中雨、大雨、暴雨各等级的降水总量不断上升，其中暴雨的降水总量上升趋势最为明显，为7.898 3 mm/年。根据统计结果，大雨与暴雨日数主要集中在6、7、8月，2、5、9、10月也有出现，但次数较少。这符合1971～2010年无棣县月降水总量的分布规律，也是造成夏季降水总量较多的原因之一。
综上分析可知，1971-2010年无棣县年总降水量呈逐年上升趋势，而降水日数呈不断减少的变化规律，可能是由于中雨、大雨、暴雨等降水日数与降水量的增多引起的，中等以上等级强度的降水量增多可能占主要原因，具体成因及分析还需要进一步研究。
4 小结
根据无棣县国家一般气象站1971-2010年40年的降水统计数据，利用线性回归拟合、Mann-Kendall非参数检验等方法揭示了无棣县40年的降水变化趋势、突变等特征，主要得出以下结论。
1）1971-2010年无棣县年降水量变化符合线性方程y=0.591 5x+542.94，呈逐年上升趋势。年降水量的波动性较大。
2）无棣县的季节降水集中在夏季，除春季降水量有上升趋势以外，其他季节降水量都呈下降趋势。春季与冬季降水量存在突变点，春季降水量突变发生在2008年，冬季的突变时间为1972年。
3）从各月降水量分析可知，6、7、8月3个月的降水总量数值最大，约占总降水量的68.98%。其中，3、4、6、10月的降水突变较为明显，突变次数较多。无棣县的大雨、暴雨日数主要集中分布在6、7、8月，符合月降水以及季节降水的变化规律。
3）1971-2010年无棣县降水日数以0.251 7 d/年的速率逐年减少，降水日数的突变时间点为1972年。
4）无棣县4～10月降水时段集中于6～8时，该时段降水总量约占总降水量的16.82%，降水次数所占比重也为所有时段降水次数比重的最高值，为15.32%，12～14时的降水量最少，降水次数也最低。
5）1971-2010年无棣县极端日降水量呈下降趋势，下降程度并不明显。极端日降水量为1992年7月24日的194. mm，属于暴雨日数。其中，7、8月出现日极端降水的概率较大，即无棣县的极端降水主要集中在夏季。
对40年的降水数据进行分析，无棣县降水强度除小雨的降水日数及降水量有下降趋势外，中雨、大雨、暴雨的降水日数及降水总量都有逐年增加的趋势，降水总量的增加趋势较为明显，这可能是在降水日数减少的情况下造成年降水量增加的成因。
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