1961—2014年北疆地区降水时间演变特征分析

王枫 武玉龙 王大旺 付亚楠

摘要 利用北疆地區15个县市1961—2014年逐日降水资料，采用数理统计、一元线性回归、小波变换分析等方法，研究了北疆地区年平均降水量年际变化、年平均降水量距平变化、月降水量变化特征以及中雨日数、大雨日数、极端降水日数变化规律，得出以下结论：（1）对年平均降水量年际变化规律分析得出，北疆地区年平均水量呈逐年递增趋势，降水量倾向率约为12 mm/10年，年平均降水量每10年增加12 mm;（2） 通过年平均降水量距平变化分析得出，1961—1985年期间年平均降水量较少，从1998年开始北疆地区年降水量高于平均值水平，降水量相对偏多;（3） 通过对1月、4月、7月、10月这4个代表月降水量变化分析得出，4个月份逐年的月降水量均呈递增趋势，其中7月份降水量递增幅度最大，降水量倾向率约为21.7 mm/10年;（4） 通过对极端降水变化规律分析得出，北疆地区中雨日数呈逐年递增趋势，每10年增加5 d左右，大雨日数每10年增加1 d左右，极端降水日数每10年增加6 d左右;（5）通过小波变换分析得出，年平均降水时间序列在年际演变过程中，存在2～4年的小尺度、4～8年的中尺度、8～16年的大尺度的周期变化规律;（6）对代表月降水量数据M-K突变检验分析得出，1986年为1月份、7月份降水量的一个突变年，1975年、1984年为4月份降水量的2个突变年，1985年为10月份降水量的一个突变年。

关键词 降水;倾向率;小波变换;突变检验;极端降水

中图分类号：P426.6 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）06-027-06

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.012

Time Evolution of Precipitation Characteristics in Northern Xinjiang

WANG Fenget al（Shanghai Supply and Delivery Division，CMA，Shanghai 200050）

Abstract In this paper，daily precipitation data of 15 counties from 1961 to 2014 were used，and mathematical statistics，linear regression method，wavelet transform analysis were adopted to study the average annual precipitation，annual average precipitation anomaly a variety of characteristics and the number of moderate days，heavy rain for several days，extreme changes in precipitation patterns，the representative of the number of monthly precipitation in Northern Xinjiang，the following conclusions： （1） the average annual precipitation variation analysis showed the average water year increasing trend，precipitation trend rate of about 12 mm/10 years，the average annual precipitation per decade 12 mm; （2） by the average annual rainfall anomaly change analysis concluded that in 1961，less the average annual precipitation for the period 1985 ，since 1998 the average annual precipitation in northern areas than the level of rainfall is relatively high side; （3） by January，April，July，October is the month that four changes in precipitation analysis results，four months each year of monthly precipitation showed an increasing trend，which increments the biggest rainfall in July，rainfall trend rate of about 21.7 mm/10 years;（4） by extreme rainfall variation analysis concluded that the northern region rain day number was increasing in recent years，increasing every 10 years about 5 days of heavy rain a few days per decade about 1 day，extreme precipitation days per decade about 6 days;（5） wavelet transform analysis concluded that the average precipitation time series interannual evolution，there are 2～4 years，smallscale，4～8 year scale，8～16 years of changing patterns of large scale;（6）According to the m-k mutation test of representative monthly precipitation data，1986 is a mutation year of precipitation in January and July; 1975 and 1984 are two mutation years of precipitation in April; 1985 is a mutation year of precipitation in October.

Key words Precipitation;Trend rate;Wavelet transform;Mutation test; Extreme precipitation

IPCC2013气候报告指出，全球气候正处于日趋变暖的阶段，气候变暖直接导致了极端降水事件次数的增加，这必然会对人类生产生活带来一定的危害[1]。而降水是表征气候变化的重要因素之一，与人类活动及农作物生长密切相关，降水气候也具有很强的地域性，因此有必要研究不同区域的降水活动变化。

目前国内已经有很多学者对不同区域的降水气候特征进行了研究。刘金平等[2]使用趋势分析、小波变换等方法，分析了京津冀地区不同等级下的降水日数时空变化规律，发现各等级下的降水日数变化不显著。沈澄等[3]分析了南京地区短时降水的发生规律，发现短时强降水发生的日数呈逐年递增趋势，短时强降水主要集中在凌晨。丁婷等[4]对东北地区夏季降水时空分布特征以及相应的环流分布型变化特征进行分析，发现夏季降水量存在显著的年际变化特征，且在20世纪60—80年代降水量较少。王芬等[5]在对贵州近50年不同级别下降水日数的研究中，发现随着降水等级的上升，降水日数呈递减趋势。王涛等[6]采用插值算法对陕北黄土高原降水时空变化分析过程中，得出黄土高原降水量呈逐年递减趋势，降水强度呈递增趋势。林厚博等[7]利用高分辨率的降水资料，对青藏高原降水量年际、季节变化规律进行研究，发现年降水量空间分布不均匀，呈东南向西北递减的发展趋势。杨诗芳等[8]利用杭州市逐时降水量数据，对降水量发生规律以及极值分布特征进行了研究。结果表明，杭州市短时降水极值出现在夏季。王栋等[9]在对山西省秋季连阴雨日数的时空变化特征分析研究中，建立连阴雨强度的指数模型，发现了秋季连阴雨日数呈逐年递减趋势，年际以及年代际特征显著。李佳秀等[10]针对新疆地区极端降水日数时空分布的研究，发现极端降水的持续湿润指数呈逐年递增趋势，而干燥指数呈逐年递减趋势。石彦军等[11]利用新疆地区逐日降水资料，采用标准化降水指数，对新疆地区极端干旱的气候变化特征进行研究，结果表明，新疆地区极端干旱事件发生的面积呈逐年减少的趋势，且得出在20世纪80年代前极端干旱发生的面积最大。胡奴骥等[12]利用新疆地区逐日降水资料，研究了新疆地区降水气候趋势变化，发现新疆地区气候变化与我国气候变化趋势保持一致。

国外有Waple等[13]利用东南亚气象资料，对极端干旱事件进行了研究，得出2003年为东南亚最为严重干旱年，且年平均降水量呈逐年递减趋势。国外还有很多学者对不同区域的降水气候特征进行了研究[14-18]。

北疆地区位于新疆北部，处于我国内陆，属于典型的温带大陆性气候，年降水量较少，气候较为干燥。这种气候特征给北疆生态系统及人类生活环境都构成了极大的威胁，因此有必要对北疆地区降水气候特征进行研究。该文利用北疆地区1961—2014年的逐日降水资料，对北疆地区年平均降水、中雨日数、大雨日数、极端降水日数变化规律及周期演变规律进行一系列研究。

1 研究区域、数据来源及降水级别划分

该文所研究的区域为北疆地区15个县市，使用的数据为1961—2014年各个站点实测逐日降水资料，资料来源于国家气候中心编制的降水资料。新疆地区相关气象组织对极端降水指标进行了明确的划分，见表1。

2 降水量时间演变规律

2.1 降水量年际变化规律

对北疆地区15个县市年平均降水量进行了统计，得出多年平均降水量为141 mm，可以看出北疆地区年降水量较少，年平均降水量最多为202 mm，最少为89 mm。图1为1961—2014年北疆地区年平均降水量年际变化趋势，对逐年的年平均降水量进行线性拟合，从拟合的结果可以看出，北疆地区年平均降水量呈逐年递增趋势，降水量倾向率约为12 mm/10年，该倾向率表示北疆地区年平均降水量每10年增加12 mm。表2为北疆地区15个县市的多年平均降水量、最少年降水量、最多年降水量统计结果，从中可以看出，塔城地区多年平均降水量最多，约为286 mm;其次是伊宁地区，多年平均降水量为278 mm;吐鲁番降水量较少，多年平均降水量仅为16 mm左右，处于干旱期。表3为北疆地区15个县市年平均降水量倾向率统计结果，从中可以看出，北疆地区年平均降水量气候倾向率都为正数，说明各个地区年平均降水量均呈逐年递增趋势。其中，阿勒泰地区年平均降水量递增幅度最大，降水量气候倾向率为17.7 mm/10年，说明阿勒泰地区年平均降水量每10年增加17.7 mm;其次是哈巴河地区，年平均降水量每10年增加16.4 mm，吐鲁番地区年平均降水量递增幅度最小。

2.2 降水量距平变化规律

该文使用5年滑动平均对1961—2014年北疆地区年平均降水量进行趋势拟合，用来确定年平均降水量趋势变化。对样本量为n的降水量序列x，其滑动平均序列表示为：

xj=xi+j-1（j=1，2，…n-k+1）

式中，k为滑动长度，取值为5;n为样本量，取值为50。

从逐年降水量距平以及5点滑动平均统计结果（图2）可以看出，1961—1985年期间年降水量距平值总体上以负值为主，说明在此年份期间，北疆地區降水量小于多年降水量平均值水平，降水偏少，处于干旱期。1986—1997年期间北疆地区降水量距平值在正负之间不断交替变化，说明在此年份期间，北疆地区降水量波动幅度较大。从1998年开始，降水量距平值以正值为主，仅2008年降水量低于平均值水平，表明从1998年开始，北疆地区年降水量高于平均值水平，降水量相对偏多。

从5点滑动平均曲线可以看出，1985年为北疆地区年平均降水量的转折年，1985年之前，5点滑动平均曲线以小于0为主，说明1985年之前北疆地区年平均降水量低于平均值，降水量较少。1985年之后，5点滑动平均曲线值均大于0，说明从1985年开始北疆地区年平均降水量高于平均值水平。

从图2还可以看出，年平均降水量距平值大于40 mm的有5个年份，说明这5个年份降水量相对较多，其中2010年年平均降水量距平值最大，为63 mm;其次是1987年，年平均降水量距平值为58 mm。年平均降水量距平值小于-40 mm的有4个年份，说明这4个年份降水量相对较少，远远低于平均值水平。其中1997年降水量最少，年平均降水量距平值为-50 mm;其次是1974年，年平均降水量距平值为-48 mm。

2.3 降水量月变化规律

选取1、4、7、0月降水量距平值时间序列数据，分别代表冬季、春季、夏季、秋季，以分析研究北疆地区代表月份的逐年降水量变化情况。图3为1961—2014年北疆地区代表月降水量距平变化及滑动平均变化规律。从中可以看出，4个月份逐年降水量均呈递增趋势，其中7月份降水量递增幅度最大，降水量倾向率约为21.7 mm/10年，说明北疆地区7月份降水量每10年增加21.7 mm;其次是4月份，降水量倾向率为15.3 mm/10年，说明北疆地区4月份年平均降水量每10年增加15.3 mm;1月份降水量倾向率为9.9 mm/10年，10月份降水量倾向率为9.4 mm/10年。

对于1月份，从图中5点滑动平均曲线可以看出，1987年为北疆地区冬季降水量的转折年，1987年之前5点滑动平均曲线总体上小于0，说明1987年之前冬季降水量低于平均值水平，降水量较少。1987年之后5点滑动平均曲线大于0，说明1987年之后北疆地区冬季降水量相对较多，高于平均值水平。从图3还可以看出，降水量距平值大于40 mm的有3个年份，表明这3个年份北疆地区冬季降水量较多。降水量距平值小于-40 mm的有7个年份，表明这7个年份北疆地区冬季降水量较少。

对于4月份，1999年为北疆地区春季降水量的转折年，1975—1999年，降水量的5点滑动平均曲线以小于0为主，表明在此年份期间春季降水量较少，而1999年之后5点滑动平均曲线均大于0，表明从1999年开始春季降水量较多，高于平均值水平。降水量距平值大于100 mm的有6个年份，说明这6个年份春季降水量较多，其中1987年年降水量距平值最大为156 mm。年降水量距平值小于-100 mm的有5个年份，说明这5个年份北疆地区春季降水量较少。

对于7月份，1987年为北疆地区夏季降水量的转折年，1987年之前5点滑动平均曲线总体上小于0，说明1987年之前北疆地区夏季降水量低于平均值水平，降水量较少。1987年之后5点滑动平均曲线大于0，说明1987年之后北疆地区夏季降水量相对较多，高于平均值水平。夏季降水量距平值大于200 mm的有3个年份，说明这3个年份夏季雨水相对较多，其中1997年夏季降水量最多，距平值为260 mm;降水量距平值小于-120 mm的有2个年份。

对于10月份，5点滑动平均曲线波动较大，说明北疆地区秋季降水量波动幅度较大，不具有显著的转折年。其中降水量距平值大于100 mm的有4个年份，这4个年份秋季降水量较多，而降水量距平值小于-100 mm的只有1个年份，出现在1997年，距平值为-140 mm。

3 极端降水演变规律

3.1 中雨日数变化规律

根据新疆地区降水等级标准，日降水量>6.1 mm且<12 mm的降水日数为中雨日数。根据统计结果，北疆地区多年平均中雨日数为44 d，最多中雨日数为76 d，最少中雨日數为16 d。图4为1961—2014年北疆地区中雨日数距平变化曲线，可以看出，北疆地区逐年中雨日数波动较大，但总体呈逐年递增趋势，根据一元线性回归方程结果，北疆地区中雨日数倾向率约为5 d/10年，说明中雨日数每10年增加5 d左右。

从图中5点滑动平均曲线可以看出，1985年为北疆地区中雨日数的转折年，1985年之前5点滑动平均曲线总体上小于0，说明1985年之前北疆地区中雨日数较少，低于平均值水平。1985年之后5点滑动平均曲线大于0，说明1985年之后北疆地区中雨日数相对较多，高于平均值水平。中雨日数距平值大于20 d的有1个年份，即2010年北疆地区中雨日数较多，距平值最大，为37 d。中雨日数距平值小于-20 d的有4个年份，这4个年份中雨日数较少。

3.2 大雨日数变化规律

根据新疆地区降水等级标准，日降水量≥12 mm且<24 mm的降水日数为大雨日数。根据统计结果，北疆地区多年平均大雨日数为7 d，最多大雨日数为15 d，最少大雨日数为2 d。图5为1961—2014年北疆地区大雨日数距平变化曲线。从中可以看出，北疆地区大雨日数在波动中呈逐年递增趋势，根据一元线性回归方程结果，北疆地区大雨日数每10年增加1 d左右。

从5点滑动平均曲线，可以看出1985年之前大雨日数5点滑动平均曲线小于0，表明1985年之前北疆地区大雨日数低于平均值水平，1986—1995年期间，5点滑动平均曲线在平均值附近波动，说明在此年份期间北疆地区大雨日数变化幅度较小。1996年之后，大雨日数5点滑动平均曲线大于0，即1996年之后北疆地区大雨日数较多。

从图5可以看出，1971—1982年大雨距平值均为负数，说明在此年份期间北疆地区大雨日数变化处于相对稳定阶段。1983—1995年大雨日数距平值一直在正负之间交替变化，表明在此年份期间北疆地区大雨日数波动幅度较大。1996—2004年大雨距平值均为正数，说明在此年份期间北疆地区大雨日数变化处于相对稳定阶段。

3.3 极端降水日数变化规律

为了研究北疆地区极端降水日数的变化规律，首先将1961—2014年逐日降水资料分别按照降水量的多少从小到大进行排列，然后每一年取第95个百分位所对应的日降水量定义为极端降水阈值，最后统计出北疆地区每年逐日降水量大于或等于极端降水阈值的天数。根据统计结果，北疆地区出现极端降水平均天数为52 d。图6为1961—2014年北疆地区极端降水日数距平变化结果，可以看出，1961—1979年极端降水日数距平值以负值为主，仅有3个年份的距平值为正数，说明在此年份期间北疆地区极端降水日数低于平均值水平，出现极端降水事件的次数较少。1980—1997年，极端降水日数距平值在正负之间交替变化，表明在此年份期间北疆地区极端降水日数波动较大。从1998年开始，极端降水日数距平值以正值为主，仅有3个年份的距平值为负数，说明在此年份期间北疆地区极端降水日数高于平均值水平，出现极端降水事件的次数较多。其中1998—2005年极端降水日数均为正数，说明在此年份期间北疆地区极端降水日数处于相对稳定阶段。

从一元线性方程结果可以看出，北疆地区极端降水日数呈逐年递增趋势，极端降水倾向率约为6 d/10年，说明极端降水日数每10年增加6 d左右。

4 降水周期演变规律

小波变换是一种时域、频域解析的方法，既可以了解北疆地区降水、中雨日数及大雨日数时间序列在不同时间、频域下的变化特征，又能够了解降水、中雨日数及大雨日数时间序列在不同频域下的不同时域分布特征，能够很好地解析气候在时间序列中的一系列变化特征，并能够对降水气候未来发展趋势进行定性评估。

波变换的定义是把某一被称为基本小波（也叫母小波，mother wavelet）的函数（t）做位移τ后，再在不同尺度a下与待分析的信号x（t）做内积[19]：

WTx（a，τ）=x（t）*dt，

a>0

对1961—2014年北疆地区年平均降水量进行小波变换，以研究年平均降水量周期变化规律。图7为年平均降水量小波变换等直线图，可以看出，北疆地区年平均降水量存在多时间尺度的演变周期，即2～4年的小尺度、4～8年的中尺度、8～16年的大尺度的周期变化规律。其中2～4年的小尺度变化规律具有全域性，在整个研究时间区域内都显著。4～8年的中尺度，在20世纪10年代前期较为显著，8～16年的大尺度周期在20世纪90年代后期较为显著。等值线中心点大致分布在10年、6年、3年这3个周期尺度上，最大峰值对应着17年的振荡周期，说明了10年时间尺度为北疆地区年平均降水量第1主周期，6年周期尺度对应着第2峰值，说明了6年时间尺度是年平均降水量的第2主周期，3年时间尺度为年平均降水量的第3主周期。

5 降水量突变年检验

M-K突变检验是对气候时间序列数据采用的一种非参数检验方法[20-22]。该文对1961—2014年北疆地区代表月年平均降水量分别进行M-K突变非参数检验，结果见图8。

对于1月份，从1968年开始，月降水顺序统计曲线总体上均大于0，因此可以得出，北疆地区1月份降水量从1968年开始呈递增趋势，且从2000年开始，月降水顺序统计曲线超出了显著性检验直线，表明北疆地区1月份降水量从2000年开始呈显著性的递增趋势。月降水顺序统计曲线与逆序统计曲线交点位于1986年，且该交点处于显著性检验直线内，可以说明1986年为北疆地区1月份降水量的一个突变年。

对于4月份，从1982年开始，月降水顺序统计曲线总体上均大于0，因此可以得出，北疆地区4月份月降水量从1982年开始呈递增趋势。月降水顺序统计曲线与逆序统计曲线交点位于1975年、1984年左右，且该交点处于显著性检验直线内，可以说明1975年、1984年为北疆地区4月份降水量的2个突变年。

对于7月份，1961—1967年，月降水顺序统计曲线小于0，在此年份期间北疆地区7月份降水量呈递减趋势。1967年之后的几年内，月降水顺序统计曲线大于0，而后1974—1990年月降水顺序统计曲线小于0，在此年份期间7月份降水量也呈递减趋势。从1991年开始，月降水顺序统计曲线均大于0，因此可以得出，北疆地区7月份降水量从1991年开始呈递增趋势。月降水顺序统计曲线与逆序统计曲线交点位于1986年，且该交點处于显著性检验直线内，可以说明1986年为北疆地区7月份降水量的一个突变年。

对于10月份，从1980年开始，月降水顺序统计曲线均大于0，因此可以得出，北疆地区10月份月降水量从1980年开始呈递增趋势，从2004年开始，10月份降水量递增幅度较大。同时月降水顺序统计曲线与逆序统计曲线交点位于1985年，且该交点处于显著性检验直线内，可以说明1985年为北疆地区10月份降水量的一个突变年。

6 结论

该文利用北疆地区1961—2014年的逐日降水资料，对北疆地区年平均降水、中雨日数、大雨日数、极端降水日数变化规律及周期演变规律进行一系列研究，得出以下结论：

（1）对年平均降水量年际变化规律分析得出，北疆地区年平均水量呈逐年递增趋势，降水量倾向率约为12 mm/10年，年平均降水量每10年增加12 mm。

（2）对年平均降水量距平变化规律分析得出，1961—1985年降水量小于多年降水量平均值水平，降水偏少，从1998年开始，北疆地区年降水量高于平均值水平，降水量相对偏多。

（3）对降水量月变化规律分析得出，4个月份逐年降水量均呈递增趋势，其中7月份降水量递增幅度最大，降水量倾向率约为21.7 mm/10年;其次是4月份，降水量倾向率为15.3 mm/10年;1月份降水量倾向率为9.9 mm/10年，10月份降水量倾向率为9.4 mm/10年。

（4）对极端降水变化规律分析得出，北疆地区逐年中雨日数呈逐年递增趋势，中雨日数倾向率约为5 d/10年，中雨日数每10年增加5 d左右;大雨日数每10年增加1 d左右，极端降水日数每10年增加6 d左右。

（5）对降水周期变化规律分析得出，北疆地区年平均降水量存在2～4年的小尺度、4～8年的中尺度、8～16年的大尺度的周期变化规律。

（6）对代表月降水M-K突变检验分析得出，1986年为北疆地区1月份、7月份降水量的一个突变年，1975年、1984年为4月份降水量的2个突变年，1985年为10月份降水量的一个突变年。

该文对北疆地区降水气候变化特征的研究，仅仅从时间尺度上对该地区降水气候进行分析，今后应从空间角度更深入地对北疆地区降水气候进行分析，提高研究结果的准确性，从而使得研究结论能够为对北疆地区降水气候特征变化的科学研究工作带来一定的指导。

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责任编辑：李杨