关中地区降水特征分析

关中地区降水特征分析

冯晶, 钱会

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

摘要：随着社会经济的快速发展，关中地区作为陕西省的核心发展地区，其水资源短缺问题日趋严峻.由于资源性缺水、工程性缺水、水质性缺水问题的交互影响，导致关中地区用水紧张.通过Mann-Kendall检验，对关中地区1951—2013年的降水变化趋势和突变特征进行了详细的分析.发现:自1951年起降水量在波动中基本呈现减少趋势；关中地区的降水丰水年与枯水年交替出现，但降水量无论是上升还是下降，趋势都不显著.

关键词：关中;降水特征;Mann-Kendall检验中图分类号：TV125；P426.614文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0008-05

收稿日期:2015-03-31

作者简介：刘学山(1964—),男,湖南岳阳人,高级工程师,主要从事抽水蓄能电站建设、管理方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.012

收稿日期:2015-05-04

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201301039);贵州省水利厅科技专项经费资助项目(KT201313).

作者简介：黄鑫(1982—)，女，河南郑州人，讲师，硕士，主要从事水资源管理与保护等方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.003

关中地区位于陕西省中部，介于秦岭和渭北北山之间，西起宝鸡，东至潼关，海拔325～800 m，东西长约300 km，西窄东宽，面积约3.4×104km2，号称“八百里秦川”.随着社会经济的发展，关中地区水资源供需矛盾日益突出，由于地下水过度超采，导致了地面沉降、地裂缝等环境地质问题的发生[1-3].近年来，关中地区经济发展迅速，关天经济区、西咸新区、丝绸之路经济带的建设都对水资源的供给提出了更高的要求.数据统计显示，关中地区的降雨量比较丰富.因此，通过对关中地区的降雨特征进行深入分析，利用关中地区有利的地质、地貌及水文地质条件，合理利用、配置关中地区的雨水资源来弥补地下水和地表水的不足显得尤为重要[4-6].

1研究方法

近年来，国内外大量学者致力于降水特征的研究.如：John Abbot等[7]利用神经网络预测法预测了澳大利亚的降水趋势；庞文保等[8]对榆林、西安、汉中夏季降水量的历年变化进行了分析；卫旭东等[9]利用陕西省20个观测站1951—2000年的降水资料，分析了陕西省降水量的变化特征，并对降水量进行了预测；白爱娟等[10]根据陕西省的降水资料，对冬季、夏季和年降水量场进行了分区，并研究了陕西省降水量变化的区域特征和年际变化及长期趋势特征；钱会等[11]运用基于滑动平均-加权马尔科夫链法对宁夏石嘴山市的降水进行了预测.

本次研究基于关中盆地的特殊地形和气候，通过对现有资料的统计，结合Mann-Kendall法分析关中地区降水趋势和突变特征，以期为关中地区雨水资源的利用提供科学依据[12-13].Mann-Kendall检验法[14-18]是一种基于秩的非参数型检验方法，其优点是样本可以不遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量.该方法一般用于降水的趋势及突变检验.

在趋势检验中，原假设H0包含n个样本独立的、同分布的随机变量.备选假设H1是双边检验，表示数据集X中存在一个单调的趋势.Mann-Kendall统计检验计算公式为

当(Xj-Xk)分别大于0、等于0、小于0时，对应的sgn(Xj-Xk)分别为1、0、-1.其中，S为正态分布，其均值为0，方差

当n>10时，标准的正态统计变量通过下式计算：

在双边趋势检验中，统计变量Z大于0时，是上升趋势；小于0时，是下降趋势.根据Z绝对值的大小，判断置信度区间.

在突变检验中，实测值构成一个时间序列，按时间顺序表示为Xt=(X1，X2，…，Xn)，需要对其确定所有对偶值(Xi，Xj，j>i)中Xi与Xj的大小关系:

其中

定义统计量

UFk为标准正态分布，给定显著水平α，若UFk值大于0，则表明序列呈上升趋势，反之呈下降趋势.按时间序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1重复上述过程，同时使UFk=-UBk，k=n,n-1,…,1，UB1=0.得到逆序列值UBk图形，计算步骤同上.

绘制UFk与UBk曲线图.若UFk大于0，表明序列呈上升趋势；若UFk小于0，表明序列呈下降趋势.当UFk超过置信度线时，表明上升或下降趋势显著.超过置信度线的范围确定为出现突变的时间区域.如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始时.

2结果与讨论

2.1　年际降水量变化规律

根据关中地区5个气象站1951—2013年的降水观测资料，对其变化趋势进行了统计分析，结果见表1并如图1—5所示.由表1可以看出，关中地区的年降水量为506.54～829.75 mm，与西北其他地区相比，处于较高水平，说明关中地区的降水资源相对丰富.同时，由表1及图1—5还可看出，铜川、西安、宝鸡、华山站的降水量基本呈现下降的趋势.其中华山站的降水量通过了99%的置信度检验，减少趋势最为明显；宝鸡、西安站的减少趋势略小，分别通过了90%和95%的置信度检验；只有咸阳站呈上升趋势.对比西安站和华山站的降水量，西安站年降水量最大值出现在1983年，为903.2 mm;最小值出现在1995年，为312.2 mm；在1958—1959年波动比较大，降水量下降了454.6 mm.华山站的年降水量最大值出现在1964年，为1 262.3 mm，最小值出现在1997年，为465.3 mm；华山站降水量整体波动范围比较大.总体来说，关中地区的降水量大部分呈下降趋势，只有咸阳站呈上升趋势，但上升趋势不明显.表1表明关中地区的降水分布基本与陕西省一致[19]，呈现南多北少的现象.

表1　关中各站点降水量及 Z值统计表

图1　铜川站历年平均降水量

图2　西安站历年平均降水量

图3　宝鸡站历年平均降水量

图4　华山站历年平均降水量

图5　咸阳站历年平均降水量

利用Mann-Kendall检验法得出的突变检验结果如图6—10所示.图6中西安站在1953—1961、1964年降水量呈增长趋势，1965年降水量有明显的下降趋势，且在1979—1980、1982、1995、1997、2001—2002年降水量下降比较明显，通过了95%的置信度检验.根据图中UFk和UBk交点位置，判断西安站降水量的减少属于突变现象，降水量自1965年由逐年增大的趋势变为逐年降低的趋势.

图6　西安站历年降水量M-K统计量曲线

图7中宝鸡站自1953年起降水量呈逐年下降的趋势，但不显著，仅在2008年有明显下降，通过了95%的显著性检验.其中在1957、1960—1961、1966、1968—1969、1975—1976、1980、1981—1984、2011、2012年均存在突变，总体来说,降水量的多年变化状况比较复杂.图8为华山站历年降水量M-K统计量曲线，可见华山站降水量在1953—1958年(除了1955年)基本呈上升趋势，自1959年开始呈逐年下降趋势，1985年开始呈直线下降趋势，尤其自1993年开始下降趋势显著，通过了95%的显著性检验.

图7　宝鸡站历年降水量M-K统计量曲线

图8　华山站历年降水量M-K统计量曲线

图9、图10分别为咸阳、铜川站的降水量M-K曲线，咸阳站在1987—1994、2007—2013年降水量呈上升趋势，在1995—1998年降水量增加、减少变化比较频繁，2000—2006年降水量一直呈下降趋势，但不显著.总体来看，咸阳地区在研究时段内的突变点较多，降水状况复杂多变.铜川站降水量M-K统计量曲线中突变点较多，1971—1992年降水量下降与上升趋势交替出现，1993年后降水量呈缓慢下降趋势.

图9　咸阳站历年降水量M-K统计量曲线

图10　铜川站历年降水量M-K统计量曲线

根据关中地区降水量的突变检验结果，自1980年后，关中地区的降水出现了集中的突变情况，整体降水量逐渐下降.以华山、西安、宝鸡站为例，这3个站点自1965年后降水量一直呈现下降趋势，且在20世纪90年代降水量下降比较显著.铜川、咸阳站在20世纪90年代降水量增加与减少的情况交替出现，降水过程多变；铜川站降水量在20世纪90年代后呈现降水减少的现象.大气降水作为关中地区地表水和地下水的重要补给水源，大气降水量的逐渐减少，很大程度上减少了关中地区的可利用水资源量.

2.2　年内降水量分布规律及其利用

关中地区的降水随季节变化明显.根据关中地区的气候条件，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月到来年2月.以西安站为例，西安地区各月平均降水量和各季节降水比例分别如图11及表2所示，西安站降水主要集中在夏季和秋季，约占全年降水的79.3%，冬季降水最少.由于关中地区降水时空分布不均，冬季、春季降水稀少，而夏季、秋季降水丰富，不利于雨水的直接利用.关中地区其他站降水的季节变化情况与西安站有类似的规律.由于关中地区降水随季节的这种显著变化，给雨水资源的充分利用带来了极大的困难.往往是在人们需要水的时候，天气比较干旱，没有降雨发生；而在不需要水或需水不是那么迫切的时候，有大量降雨发生.通过对关中地区水文地质条件的分析[20-21]，关中地区的地下水有很好的储水条件，在盆地的南北两侧的洪积扇地带及河流高阶地上，含水层包气带厚度大，颗粒粗，有很好的储水条件，应充分利用这一条件，把丰水季节的雨水及盆地南北两侧沟谷中的洪水通过人工补给的方式渗入地下，增加地下水的补给量，使丰水期的雨水和洪水能够储存在地下，以备需要的时候开发出来供人们使用.

图11　西安地区各月平均降水量

季节季降水量/mm占全年比例/%春128.5422.5%夏234.5041.1%秋184.0232.2%冬24.174.2%

从季节上来看，关中地区的降水量在时间上基本都呈下降趋势，波动范围大小不一，如图12所示.

图12　不同季节关中各站点历年降水量变化

春季，宝鸡、华山、西安站降水量在波动中均呈现下降趋势.Z值检验结果见表3.宝鸡、西安、华山站降水量下降趋势依次递增，西安、华山站降水量下降明显，都通过了99%的置信度检验，其中华山站降水量在1978—1979年、1995—1998年起伏比较大.夏季，宝鸡站降水量稳定，没有明显的增减，西安站降水量在波动中缓慢上升，而华山站的降水量有明显的下降趋势且通过了90%的置信度检验.秋季，3个站降水量均呈下降趋势，但在1972—1989年、1995—2011年波动起伏比较大，丰枯转化比较频繁.冬季，除宝鸡站降水量在缓慢上升，其余各站降水量均呈下降趋势.总体上看，关中地区季降水量在东西方向上变化显著，降水量变化趋势由西向东逐渐增强，其中华山站降水量变化趋势最为明显，降水过程复杂多变.铜川、咸阳站降水的季节变化与上述类似，这里不再赘述.

表3　关中各站四季降水量 Z值检验结果

3结语

1)从年际降水来看，关中地区自1951年到2013年降水量在波动中基本呈缓慢下降趋势，突变点较多,只有咸阳站的降水量呈缓慢上升趋势.关中地区的降水突变主要集中在20世纪90年代，降水过程复杂多变，丰水年与枯水年交替出现.降水总体上呈现南多北少的现象，降水由西向东总体呈递增趋势.

2)关中地区的降水主要集中在夏季、秋季.西安站夏季的降水量占全年降水量的41.1%，秋季的降水量占全年降水量的32.2%.主要降水的月份在5—10月，占全年降水量的79.3%.季节性变化对关中各个站点的影响显著.统一表现为由西向东降水量的变化趋势逐渐增大，其中华山站降水量下降趋势最显著.

3)关中地区降水资源丰富，但季节性变化较大，应充分利用关中地区山前洪积扇地区包气带厚度大、有较大储存空间的特有条件，加强地下水的人工补给，把丰水期的雨水资源及山区地表径流储存在地下，以备枯水季节使用，从而缓解关中地区水资源短缺的压力.

参考文献

[1]于长生,薛小杰,黄强,等.关中地区面临的水资源问题与对策研究[J].西安交通大学学报(社会科学版),2000,20(4):57-60.

[2]康慕谊,巨军昌.关中地区人口与水土资源现状简析[J].西北大学学报(自然科学版),1997,27(3):82-86.

[3]王宁,粟晓玲.陕西关中地区水资源生态足迹与生态赤字研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2013,41(3):221-227.

[4]赵得军.开封市水资源优化配置研究[D].武汉:武汉大学,2004:5.

[5]宋进喜,宋令勇,何艳芬,等.区域性城市雨水资源化利用若干问题的探讨[J].西北大学学报(自然科学版),2009,39(6):1056-1060.

[6]杨芳绒,潘盼,李延.国内外城市雨水资源化利用措施分析[J].江西农业学报,2010,22(2):129-132.

[7]John Abbot,Jennifer Marohasy.Application of artificial neural networks to rainfall forecasting in quennsland, Australia[J].Advances in Atmosphere Science, 2012,29(4):717-730.

[8]庞文保,杨文峰,李兆元.陕西省夏季降水量的长期变化趋势[J].高原气象,1997,16(3):103-107.

[9]卫旭东,刘引鸽,缪启龙.陕西省降水量变化及其影响分析[J].水土保持通报,2004,24(4):40-43.

[10]白爱娟,施能,方建刚.陕西省降水量变化的区域特征分析[J].高原气象,2005,24(4):635-641.

[11]钱会,李培月,王涛.基于滑动平均-加权马尔科夫链的宁夏石嘴山市年降雨量预测[J].华北水利水电学院学报,2010,31(1):6-9.

[12]吴健华,李培月,钱会.西安市气象要素变化特征及可利用降雨量预测模型[J].南水北调与水利科技,2013,11(1):50-54.

[13]李培月.中国西北新农村建设面临的水安全问题及对策[J].中国农村水利水电,2010(2):35-37.

[14]贾佳.渭河流域基流量的演化及对生态基流的贡献[D].西安:长安大学,2012.

[15]曹洁萍,迟道才,武立强,等.Mann-Kendall检验方法在降水趋势分析中的应用研究[J].农业科技与装备,2008(5):35-37,40.

[16]岳大鹏,李奎,张肖南,等.关中地区近50年来降水量变化的特征分析[J].陕西农业科学,2014,60(2):49-52.

[17]普发贵.Mann-Kendall检验法在抚仙湖水质趋势分析中的应用[J].环境科学导刊,2014,33(6):83-87.

[18]张盛霖，邓高燕，黄勇奇.Mann-Kendall检验法在Excel中的实现与应用[EB/OL].中国科技论文在线. [2014-06-27]. http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2014/06/448/.

[19]张宏利,陈豫,任广鑫,等.近50年来渭河流域降水变化特征分析[J].干旱地区农业研究,2008,26(4):236-241.

[20]刘睿.交口灌区水资源合理配置研究[D].西安:长安大学,2014.

[21]毛明策.近百年来关中平原旱涝振荡多尺度分析[J].水土保持研究,2010,17(3):40-43.

Analysis of Precipitation Characteristics in Guanzhong Area

FENG Jing, QIAN Hui

(College of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China)

Abstract:With the rapid development of social economy, Guanzhong area as a core development area of Shaanxi Province, the problem of water resources is becoming more and more serious. Due to the interaction between water resources and the problems of engineering and the qualified water shortage, the water use of Guanzhong area is stressed. In this paper, we analyzed the changing tendency of precipitation and the jump features in Guanzhong area from 1951 to 2013 by Mann-Kendall test. These characteristics are found that the precipitation with the fluctuation characteristics has the decreasing tendency since 1951, the high flow years and low flow years of precipitation alternatively appear in Guanzhong area, but the uptrend and the downtrend are not obvious.

Keywords:Guanzhong； precipitation characteristics； Mann-Kendall test

(责任编辑：蔡洪涛)