近51 a银川市降雨变化特征分析

郝 璐，李王成,2,3，李 晨，董亚萍，高海燕，马己安，刘子西，李于坤

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,银川 750021; 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,银川 750021;3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,银川 750021)

0 引 言

降雨量是地区气候和水文分析的主要因子，降雨量的变化特征对当地农业种植结构及产量具有重要的影响，对西北干旱地区来说，降雨量与干旱的发展以及生态建设更是有密不可分的关系，我国南方降雨量的研究多集中在降雨对河川径流的影响以及城市内涝、降雨侵蚀的分析研究。而西北干旱地带尤其是银川市由于降雨量少，对地区降雨量的研究少有具体深入分析，银川市是宁夏回族自治区的首府，位于西部干旱地带，四季分明，春迟夏短，秋早冬长，昼夜温差大，降水稀少[1]。随着全球气候变化及人类活动的影响，西北地区降雨量发生着变化，银川市降雨量也随之发生着波动，及时掌握这些变化与规律，对于规划农业生产和发展地区经济具有重要的现实意义。同时降雨作为水文循环的重要过程，在当今水资源日益紧张，工业和农业用水日益增长的情况下，尤其是像宁夏广大以农业发展为主的地区，研究降雨量变化更具有必要性。

降雨量作为区域水资源管理和气候预报的基础数据，一直是水文和气象研究的重点，文广超[2]通MK检验、标准化降雨分析及小波分析过对德令哈市气象站近 60 年来降水变化特征进行分析后发现降雨距平和干旱特征具有显著相关性。谢培[3]通过标准化降水指数、降水距平百分率和K-means聚类分析对1961-2015 年新疆降水及干旱特征分析后发现新疆地区极旱和重旱面积减少。王永文[4]等通过对赣江上游章水流域1955-2015年降雨量时空变化研究，发现该地区降雨季节分配不均匀，7-9月份为用水高峰期，而秋季降雨有些微下降趋势，因此加剧了当地水资源供需矛盾。可见地区降雨量的研究与地区干旱特征和水资源情况具有密不可分的联系，同时对于西北干旱地区来说，降雨量的研究有助于在气候变化大背景下更好地了解西北干旱地区气候要素的变化特征[5]。因此，本文将重点研究银川市多年降雨的降雨量变化趋势及周期变化特征，以期对当地农业政策及水文研究提供基础研究与依据。

1 材料与方法

本文选用的气象数据来源于中国气象数据网( http:∥data.cma.cn/)，选取银川气象站所提供的1968-2018年降雨资料，缺失值通过日降雨资料补齐。

1.1 趋势分析方法

时间序列的数值由于起伏较大，不易识别发展趋势，因此利用移动平均法，消除不规则变动的影响，分析、预测银川市降雨量序列的长期趋势[6]。采用线性倾向率法对银川市降雨量的趋势变化进行分析，运用最小二乘法得到变化趋势函数y(t)=at+b[7]。同时利用Mann-Kendall非参数统计检验方法，通过计算统计量Z值，将Z和给定的置信水平Z1-α比较：若|Z|>Z1-a则否定原假设，说明时间序列数据存在明显上升、下降趋势[8]。

(1)

其中当Xi-Xj小于、等于或大于零时，sign(Xi-Xj)分别为-1、0、1

(2)

1.2 突变分析方法

通过累积距平[9]及Mann-Kendall[10]突变分析来对比研究银川市降雨量的突变。利用1968-2018年51 a的银川历史气象要素的平均值作为气候平均值，对于银川市降雨序列R，其在t时刻的累积距平可以表示为:

(3)

利用公式可以计算出各阶段的累积降水的距平值，然后可以绘制出银川市降雨量累积距平的变化曲线。

而M-K分析仅考虑要分析的序列x1，x2，…，xn中所有项的相对值；Sk表示第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数，定义统计量[11]：

(4)

在时间序列随机独立的假定下，Sk的均值和方差分别为：

(5)

(6)

(7)

其中，UF1=0，UFk的反序列：

UBk=-UFk，i′=n+1-ii，i′=1，2，…，n

(8)

MK检验的统计量UF与UB，若UF大于0则说明有增加趋势，UF与UB曲线相交点即为突变开始的时间，超过临界线的范围确定为突变的时间区域[12]。

1.3 周期分析方法

降雨量的周期性变化可利用小波分析进行，目前小波分析在受多种因素影响的降雨量的周期性分析中应用广泛，由Morlet提出的小波分析可以清晰的揭示出隐藏在时间序列中降雨量的多种变化周期[13]。Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息，变化系数的大小代表某一尺度波动振幅的大小，反映它所对应时段时间尺度的周期性是否显著[14]。本例研究的Morlet 连续复小波表达式为：

(9)

设a,b∈R,a≠0，φ(t)通过尺度伸缩和时间轴平移构成一簇函数系：

(10)

若φa,b(t)是上述函数系的一个子小波，对于给定的能量有限信号f(t)∈L2(R)，其连续小波变换为：

(11)

wf(a,b)即为小波变换系数f(t)为一个信号或平方可积函数。

若将小波系数的平方值在b域上积分，即可得到小波方差[15]:

(12)

通过小波方差可确定不同时间尺度的周期[16]。

2 结果与分析

2.1 降雨量趋势分析

根据银川市近51 a降雨量资料显示银川市平均降雨量为190.6 mm，并且降雨量呈现缓慢上升的趋势，通过5 a滑动平均后(如图1所示)可以看出银川市降雨在平均降雨量之间上下波动，具有明显的丰平枯的交替变化特征，而近20 a银川市降雨量波动减小，在平均降雨量之间上下波动幅度较前30年小。从图1中可以看出，银川市降雨量的倾向率为3.11mm/10a，其有着微弱的上升趋势。从滑动平滑曲线的特征来看，1995年后银川市降雨量在5 a尺度上周期性的丰平交替出现波动减缓的趋势。

通过MK趋势检验，计算得统计检验量Z为1.515，当统计检验量Z>0时说明银川市降雨呈增加趋势，当统计检验量Z<0说明银川市降雨呈减小趋势，同时由于1.515>1.28，其通过了置信度90%的检验，银川市降雨量增长趋势和5 a滑动平均检验及直线拟合趋势相同。

图1 银川市1968-2018年降雨量变化图Fig.1 Change of preciptation in Yinchuan from 1968-2018

2.2 银川市降雨量四季变化特征

1968-2018年间银川市平均降雨量190 mm左右，降雨集中在7、8、9月份，这3月份的降雨占全年降雨总量的60%以上，即夏季和秋季降雨较多，降雨量年内分配不均匀。从银川市降雨的四季分布情况来看，其四季降雨变异系数最大的为冬季，最小的为夏季，全年的变异系数小于四季的变异系数，这些特点同其他降雨量研究具有相似的规律。而从气候倾斜率可以看出，全年的气候倾斜率大于四季的气候倾斜率，其中夏季的气候倾斜率最小，其变异系数也是四季中最小的，四季中春季气候倾斜率同冬季气候倾斜率均为2.52 mm/10 a，可见春季和冬季降雨量变化具有一定的相关性，同时春季和冬季的降雨的变异系数均较高，则极端降雨年份可能受春季和秋季降雨影响大。

2.3 降雨量突变分析

通过对累积距平曲线的变化趋势进行阶段性的分析可知，当曲线呈上升趋势时，说明该阶段降水量相对偏多，当曲线下降时，说明该阶段降水量相对偏少[17]。近51 a来，根据银川市降雨量累积距平图可以看出，银川市降雨的负距平年有46 a，占全部年份的90%，仅1978-1980年为正距平。由图2中可以看出，银川市降雨1968-1972年为降雨量较少时期，1972年后进入波动上升阶段，直至1979年出现突变，降雨量开始减少，1979-1987、1992-2001年银川市降雨量为偏少期，1972-1979、1987-1992年为银川市降雨量为偏多期。2005年之后降雨量又波动上升。

表1 1968-2018银川市四季降雨量统计分析Tab.1 Statistical analysis of four seasons precipitation in Yinchuan City from 1968 to 2018

图2 银川市降水量累积距平曲线Fig.2 Precipitation accumulation anomaly curve of Yinchuan City

从图3中可以看出，虽然银川市降雨量有一定的波动，但并未超出0.05显著性水平，在1968-1979年，银川市降雨量处于增长时期，在1979年UF与UB曲线出现交点，说明在1979年出现突变，在增长未达到显著水平前银川市降雨量开始变化下降，这与根据累积距平所出现的突变点和变化趋势分析相同，2005年之后银川市降雨量开始缓慢增长，这与累积距平曲线(图2)出现上升的时间一致，在2015年和2017年UF与UB曲线相交两次之后又趋于平稳，而且UF曲线并未超过检验线，因此总体来看，在50年间，银川市降雨小幅度波动上升，但总体没有超过显著性水平，降雨量多年没有显著变化只是轻微向上浮动。

图3 银川市年降雨量突变分析Fig.3 The mutation analysis of precipitation in Yinchuan City

通过银川市春季降雨量突变分析(图4)可以看出，春季降雨UF与UB曲线在1982年相交，降雨出现突变，此后春季降雨出现明显的上升趋势，并在1990年与1994年间超过检验水平，随后1995年两曲线相交后降雨量波动又回归到检验线之内。由图5和图7可以看出，夏季降雨和冬季降雨虽然频繁出现交点，但变化并未超过显著性水平，相反秋季降雨(图6)在经历了长时间下降趋势后于2007年开始发生变化，开始波动上升。

图4 银川市春季降雨量突变分析Fig.4 The mutation analysis of spring precipitation in Yinchuan City

图5 银川市夏季降雨量突变分析Fig.5 The mutation analysis of summer precipitation in Yinchuan City

图6 银川市秋季降雨量突变分析Fig.6 The mutation analysis of autumn precipitation in Yinchuan City

图7 银川市冬季降雨量突变分析Fig.7 The mutation analysis of winter precipitation in Yinchuan City

2.4 降雨量周期分析

由于银川市近51 a降雨量数据为有限时间数据序列，为消除两端点附近的边界效应，数据处理时对降雨量数据的两端进行了对称的延伸，最后用Morlet的复小波函数进行银川市降雨量周期分析，将小波变换实部利用suffer16软件绘制等值线图如图8所示，实线为正，表示降雨量对应偏多期；虚线表示小波变换实部为负，代表降雨偏少期，“H”为正值中心，“L”为负值中心，由年降雨量小波系数实部图(图8)中可以看出1976年，1990年，2002年为降雨量偏多期，而1981年，1996年，2013年为降雨量偏少期，图中可以清楚的显示银川市降雨包含了25～30，15～25，6～10，3～5 a的周期变化，同时可以看出近四年银川市处于降雨偏多时期。通过小波系数实部图也可以发现，银川市降雨量有着年代际的变化特征，20世纪80年代为降雨量偏多期，20世纪90年代降雨量则明显偏少，进入21世纪之后降雨量则又有回升。由图10小波方差图中可以看出，近51 a银川市存在4个降雨量较为明显的降雨量变化周期，其变化周期的尺度中心为2，5，8和20 a，从小波模方图(图11)中也可以看出，在8年和20年尺度的等值线图最密集，说明银川市降雨在8 a和20 a尺度的周期震荡最强，但15～25 a周期变化在1995年之后周期强度减弱，同时25～30 a尺度的周期震荡出现加强。

图8 银川市年降雨量小波系数实部Fig.8 Morlet wavelet analysis of precipitation in YinChuan

由图9可以明显看出银川市四季降雨的周期性，夏季降雨同年降雨之间的相似程度较高，可见夏季降雨对全年降雨周期的影响最大，也反映了银川市全年降雨分配的不均匀，其大多集中在夏季。在大时间尺度上，可以看出银川市春季降雨所经历的周期变化较长，而秋季所经历的降雨丰枯变化最频繁。

图9 1968-2018年银川市四季小波分析结果Fig.9 Morlet wavelet Analysis of Four Seasons in Yinchuan City from 1968 to 2018

图10 银川市降雨量小波方差Fig.10 Wavelet variance of rainfall in Yinchuan

图11 银川市降雨量小波系数模方图Fig.11 Rainfall wavelet coefficient modular of Yinchuan City

3 讨 论

本文通过MK方法对银川市降雨在年尺度和季尺度的突变进行了分析，可以看出，年尺度的MK检验仅有4年超过检验水平，而对于季节尺度的变化，春季和秋季的降雨量也只有四五年超过检验水平，之后虽有波动则并未超过检验水平，对于这些特殊的年份降雨，分析当年的气候特点和人类活动的影响，则可能会对造成降雨量变化的分析具有重要意，同时气候在某两年虽然发生剧烈变化，但自然界的调节可能使其变化回归平稳。

通过小波分析不仅可以提取银川市降雨周期序列，也可以从小波模方图看出降雨周期的强弱，但通过小波系数实部图和小波模方图可以看出，降雨量的不同周期的震荡能量随着时间也在变化，1995年之前，在20年尺度上周期变化明显，而1995年之后在20年周期尺度上变化明显减弱，这可能与近些年人类活动和气候变化有着密切的关系，本文仅对降雨量多年的变化做了单独的分析，并未分析数据变化后的意义和背景，未来的研究对造成变化的原因进行分析则可能对农业活动和气候政策制的制定具有更现实的意义。

4 结 论

通过对银川市近50 a降雨序列进行分析后可以得出，银川市降雨量的倾向率为3.11 mm/10 a，有着微弱的上升趋势，通过MK突变检验对银川市降雨的突变性进行检验后发现，银川市年降雨量虽然有上升趋势，但变化并不显著，没有超过95%检验水平，在微小的波动中基本平稳，但在2017年突变，后续降雨量可能会有变化，而四季降雨的变化中，夏季降雨变化较小，春季和秋季降雨存在突变。通过小波分析实部图可以发现，银川市降雨包含了25～30，15～25，6～10，3～5 a的周期变化，同时可以看出近四年银川市处于降雨偏多时期。从小波方差图中可以看出，近51年银川市存在4个降雨量较为明显的降雨量变化周期，其变化周期的尺度中心为2，5，8和20 a，因此，未来银川市降雨量可能会进入降雨量偏少期，但在短周期尺度上可能还会维持小幅度上升，同时四季的降雨量多少变化也可能存在差别。

近年来全球降雨量总体呈下降趋势[18]，但有许多研究表明西北一些地区降雨量有小幅度上升[19]，本文研究银川市降雨量，银川市即位于西北地区，与近年来西北许多地区降雨的研究基本相符，然而降雨量的变化幅度较小，可能对河川径流的影响有限，同时对于农业生产来说，有效降雨量的变化可能才具有经济上的意义，但对地区降雨量特点的把握对发展当地的特色农业具有重要意义，同时在降雨量的周期性变化及气温等其他气象因子的综合作用下，降雨量的小幅度变化也可能产生其他影响农业生产的效应，同时将本地区的降雨变化特征与全国乃至全球降雨变化特征对比将更加能反映区域降雨量的变化特点。

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