皖北地区近60年降水量变化趋势分析

汪亚腾

（安徽省宿州水文水资源局 宿州 234001）

1 研究区域概况

安徽省淮河以北地区包括蚌埠、阜阳、亳州、宿州、淮北等地市，区域面积约36660km2，本区域基本上为平原，只有宿州北部少部分山区。该区域多年平均降水量在750～950mm，自南向北递减。降雨量年内分配不均，汛期5—9月降雨量占全年降雨量的60%～70%。多年平均径流深75～220mm，北部萧县、砀山和亳州在70～80mm，南部沿淮200～220mm，径流量年内分配不均，其中汛期5—9月径流量占全年径流量70%～85%。近年来，随着区域经济快速发展，用水需求不断增加，对水资源优化配置提出了更高的要求。本文拟用Mann_Kendall检验方法对该地区降水变化趋势进行分析，以期为该区域水资源优化和管理提供参考依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取安徽省淮河以北地区28 处雨量站点1956—2016年逐月降水量数据，根据该区域气候特征，将全年划分为1—4月，5—9月（汛期），10—12月三段分别统计降水量进行分析。

2.2 分析方法

Mann_Kendall 检验方法是一种非参数统计检验方法，变量可以不具有正态分布特征，也不受少数异常值的干扰，广泛应用于降水、径流等水文变量的趋势检验分析。

2.2.1 Mann_Kendall 趋势检验

假定X1，X2，X3，…Xn为时间序列变量，定义统计量S：

表1 皖北地区28 处雨量站趋势检验结果统计表

式中：sign( )为符号函数，当(xj-xi)小于、等于或大于零时，sign(xj-xi)分别取-1、0、+1。S 为正态分布，其均值为0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。标准正态统计变量表示为：

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，如|Z|≥Z1-α/2，则原假设不可接受，即在置信水平α 上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z 为正值表示上升趋势，负值表示减少趋势。Z 的绝对值在大于等于1.64、1.96、2.58 时表示分别通过了信度90%、95%、99%的显著性检验。

2.2.2 非参数Mann_Kendall 突变检验

X1，X2，…Xn为时间序列变量，ri表示第i个样本xi＞xj的累计数（其中1 ≤j ≤i）。

构造统计量Sk：

将统计量Sk标准化为：

式中：E(Sk)为均值，Var(Sk)为方差。

在给定的置信水平α 情况下，如UFk＞Uα/2或UFk＜-Uα/2时，表明时间序列具有明显的上升或下降趋势。绘制UFk曲线。

将时间序列X 按逆序排列，上述过程重新计算，得到第二条曲线UBFk。两条曲线绘制在同一坐标平面内，如果两条曲线出现交点，且在临界线之间，对应的时间即为突变开始的时间。

表2 皖北地区6 处雨量代表站趋势检验结果表

图1年平均降水量趋势分布图

图2 1—4月降水量趋势分布图

图3 5—9月降水量趋势分布图

图4 10—12月降水量趋势分布图

3 结果分析

3.1 趋势检验结果

对28 处雨量站1956—2016年雨量资料按照1—4月、5—9月、10—12月、年降水量进行逐年统计，按照上述的Mann_Kendall 趋势检验方法进行计算，结果见表1、表2，图1～图4。

由表1 可知，安徽省淮河以北28 处雨量站，按照年降水量进行分析，其中14 处有下降趋势，2 处下降趋势明显，14 处有上升趋势。

1—4月降水量：28 处有下降趋势， 6 处下降趋势显著；无1 处有上升趋势。

5—9月降水量：11 处有下降趋势；17 处有上升趋势。

10—12月降水量：5 处有下降趋势，23 处有上升趋势。

图5 徐楼站年平均降水量图

图6 徐楼站5—9月降水量图

图7 蒙城站年平均降水量图

图8 蒙城站5—9月降水量图

图9 徐楼站年降水量5年滑动平均过程线图

图10 蒙城站年降水量5年滑动平均过程线图

综合表明，淮河以北年降水量总体平稳，无明显上升和下降趋势；分时段看，1—4月下降趋势明显，汛期5—9月，10—12月有上升趋势。

由表2 可知，年降水量检验统计量Z 负值最 小-1.861，濉溪站，1—4月、5—9月 分 别为-2.67、-1.942，均为负值，下降趋势显著。徐楼、砀山、萧县三站情况类似，全年、1—4月、5—9月均为负值，下降趋势明显。

由图1 可知，年降水量变化趋势分布，沿淮河以北蒙城、固镇、五河一带为增加趋势，淮北地区亳州、宿州、淮北、萧县、砀山为下降趋势，萧县、濉溪下降趋势明显。

由图2 可知，统计量均为负值，说明整个区域1—4月份降水量均呈下降趋势，其中濉溪、宿州下降趋势显著。

由图3 可知，与年降水量变化趋势分布基本一致，宿州、淮北、萧县、砀山呈下降趋势，沿淮淮北呈上升趋势。

由图4 可知，整个区域呈微弱上升趋势。

3.2 降水量突变分析

依据Mann_Kendall 突变检验方法绘制UFk和UBFk曲线，见图5～图8。由图5、图6 可知，全年降水量图UFk（实线）1962—1966年大于0，其他年份均小于0，说明下降趋势明显；两条线在1968年和2010年呈现交点，说明自1968年和2010年以后，徐楼站年雨量呈显著下降趋势。5—9月降水量，1966年以后整体呈下降趋势，两曲线交点在1966年，说明1966年以后5—9月份降水量下降趋势显著。

由图7、图8 可知，全年降水量图UFk（实线）2000年为分界线，之前基本在0 值以下，2000年以后在0 值以上，且上升趋势明显。两条线在2001年呈现交点，说明自2001年以后，蒙城站呈显著上升趋势。蒙城站5—9月曲线与全年趋势基本一致，说明该站年雨量上升趋势，主要是汛期雨量上升趋势形成。

由图9、图10 可以看出，徐楼站在1966年和2010年以后呈明显下降趋势；蒙城站在2001年以后上升趋势明显。

4 结语

利用Mann_Kendall 检验分析方法，对安徽省淮北地区资料进行趋势和突变分析，结果表明：

1—4月降水量，该区域均呈现下降趋势，皖北的萧县、砀山、濉溪、宿州下降趋势比沿淮显著。

汛期5—9月降水量，11 处呈下降趋势， 17 处呈上升趋势。下降趋势，主要分布在北部的宿州、濉溪、萧县、砀山；上升趋势，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固镇、五河一带。

10—12月降水量，5 处呈下降趋势， 23 处呈上升趋势。该区域均呈现上升趋势，但趋势不明显。

28 处雨量站点全年平均降水量， 14 处雨量站点年降水量呈下降趋势，主要分布在北部的宿州、濉溪、萧县、砀山；14 处呈上升趋势，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固镇、五河一带■