基于Mann-Kendall的秦皇岛市降水多时间尺度分析

苏万磊

(河北省秦皇岛水文勘测研究中心，河北 秦皇岛 066000)

1 概 述

气候变化和人类活动导致世界许多地区水资源日益短缺。在过去的几十年已经进行了许多研究，以确定不同地理区域气候变化的趋势和变异性[1-3]。这些研究大多是通过分析气候和水文要素，如降水、气温、土壤湿度和地表径流进行的，降水被认为是地表径流和其他水资源可变性和有效性的最重要驱动力之一[4-5]。由于降水量呈下降趋势，分布不均，部分流域生态环境问题严重，中国北方海河流域是我国面临严重缺水问题的地区之一。本文以秦皇岛为研究对象，秦皇岛市属于海河流域同时也为沿海城市，由于该地区人口较多，经济增长迅速，水资源可利用性有限，多年平均水资源总量为15.37×108m3，人均水资源量仅为535 m3/a，为全国平均水平的1/4，为全球平均水平的1/14。生态环境退化是由于该地区地表水不足和地下水过度开采造成的。由于缺乏对降水时空变化的综合分析，无法对水库进行系统管理，导致流域水资源利用效率低下。

在本研究中，分析3个气象站1961-2019年的月降水量和年降水量，以获得可靠的估计值，来描述秦皇岛市降水趋势和分布。本研究的目标是：①通过识别研究区域内降水的总体趋势和分布来描述其变化；②分析降水的季节性及其随时间和空间的变化。本文的研究结果可为水资源规划与管理提供参考与借鉴。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本文拟利用市区及周边地区的3个气象站点(秦皇岛、昌黎、抚宁)1961-2019年逐月降水实测资料，运用算术平均构建该流域月、季、年平均降水量时间序列，对该区域降水分布特征与旱涝灾害变化趋势进行分析，对秦皇岛市降水量分布与旱涝灾害进行研究。本文采用的月降水量资料来源于中国气象科学数据服务共享网，各站点降水要素均具有较好的连续性。

2.2 研究方法

本文以秦皇岛市近59年的逐月降水量数据为基础，分别对区域的季、年际的年平均降雨量进行线性回归分析以及对年均降雨量年代际的分析，试图在季、年际、年代际等不同时间角度划分下分析降水量变化特征，运用Mann-Kendall趋势检验的序列检验和线性回归分析，确定研究区降水量的突变和时间趋势。

3 降水量时间变化特征

3.1 降水量的季节变化特征

秦皇岛市季平均降水量差异大，四季降水量占比见图1。其中，夏季降水量占绝对的优势，其次是秋季和春季，冬季的降水比重最少。从4个季节的平均降水量变化趋势来看，四季均呈减少趋势，但减少的幅度不同，其中春秋冬季分别为-0.7、-2.3和-0.3 mm/10a，倾斜率变化未通过α=0.05的显著性水平检验，说明降水量减少趋势不明显；夏季降水量呈显著减少，降水量变化为-13.8 mm/10 a(r=-0.34，P<0.05)。见表1。

图1 秦皇岛市降水四季占比

表1 3站点四季降水变化倾向率 /mm·a-1

由降水量的季节变化可知，秦皇岛市近59年的降水量减少主要是以夏季的显著减少为特点。由秦皇岛市各季节平均降水量变化的5年移动曲线(图2)可看出，流域各季节平均降水量具有不同的阶段性变化特征。春季，最大季降水量为202.6 mm，发生在1990年；最小季节降水量为14.7 mm，发生在1965年，所以春季降水最大波动为187.9 mm。

图2 秦皇岛市四季多年平均降水变化趋势

从图2(a)中可以看出，1961-1976年及1991-2001年两段时间降水波动较大，并且在后段时间出现降水的最大值，其余时间段为窄幅波动，降水量偏少，且为缓慢下降趋势。夏季，最大季降水量为1 038.5 mm，发生在1969年；最小季节降水量为370.0 mm，发生在2015年，所以夏季降水最大波动为668.5 mm。

从图2(b)中可以看出，1961-1976年及2006-2016年两段时间降水波动较大，并且在这两段时间出现多次降水的枯丰交替，其余时间段为窄幅波动，降水量偏少，整体为下降趋势。秋季，最大季降水量为235.3 mm，发生在2012年；最小季节降水量为15.3 mm，发生在2006年，所以秋季降水最大波动为220.0 mm。

从图2(c)中可以看出，在整个时间段内降水的波动幅度比较大，并且整体呈减少趋势。冬季，最大季降水量为57.2 mm，发生在1979年；最小季节降水量为0.3 mm，发生在2019年，所以冬季降水最大波动为56.9 mm。

从图2(d)中可以看出，总体来说降水量偏少，且为缓慢下降趋势。

3.2 降水量年际变化特征

秦皇岛市近59年的年平均降水量为642.3 mm，其线性变化呈减少趋势，线性方程为y=-1.706 1x+693.47，平均年降水量以17.06/10 a的速率递减，减少倾向率未通过α=0.05的显著性水平检验，59年内减少100.65 mm，减少趋势同样不显著。市区年均降水量年际变化较大，年均降水量的最大值为1 273.5 mm，出现在1969年；降水量最小值为352.0 mm，出现在2014年，两者相差921.5 mm。从秦皇岛市年均降水量变化的5年移动平均曲线(图3)可以看出，1961-1981年以及2009-2019年年平均降水量震动幅度较大，1982-2010年年平均降水量波动较小，整体呈缓慢下降趋势。

图3 秦皇岛市多年平均降水变化趋势

运用市区及周边3个站点近58年的降水资料对市区年均降水量进行M-K突变检验(图4)发现，在置信水平0.05的基础上，市区年平均降水量的UF和UB曲线仅存在一个交点，发生在1980年，且交点在置信区间内，在这一年降水量由多向少转变，并且市区年平均降水量从1980年开始明显减少，并且在1990-2010年长期处于相对枯水状态。

图4 秦皇岛市多年降水突变检验

3.3 降水量年代际变化特征

由表2得出，秦皇岛市区年代平均降水量变化较为平缓。其中20世纪60年代平均降水量值为711.6 mm，高出年平均降水量69.3 mm；20世纪90年代开始降水量减少明显，且为年代最少，为563.5 mm。从季平均降水量的年代际变化可知，降水量主要集中在夏秋两季节。春季平均降水量的年代际变化最大波动幅度为49.1 mm，其中以20世纪80年代季均降水最多，为111.2 mm；2110年以后春季均降水量最少，为62.1 mm。夏季平均降水量的年代际变化最大波动幅度为149.2 mm，其中以20世纪60年代季均降水最多，为527.4 mm；21世纪00年代降水量最少，为378.2 mm。秋季平均降水量的年代际变化最大波动幅度为24.9 mm，其中以20世纪60年代季均降水最多，为100.7 mm；20世纪90年代季均降水量最少，为75.8 mm。冬季平均降水量的年代际变化最大波动幅度最小为7.6 mm，各年代降水量较稳定，基本都在7～15 mm之间波动，进入少雨期。

表2 秦皇岛市年平均降水量及季平均降水量的年代际变化 /mm

4 结 论

通过对秦皇岛地区降水进行研究得出以下主要结论：

1) 秦皇岛市季平均降水量差异大，春夏秋冬四季降水量占全年降水量的比值分别为15.4%、61.4%、18.3%和4.9%；且四季降水变化率为负，皆呈减少趋势。

2) 秦皇岛市1961-2019年的年平均降水量为642.3 mm，年平均降水量呈减少的趋势，平均年降水量以17.06/10 a的速率递减，年均降水量的最大值出现在1969年，降水量为1 273.5 mm；降水量最小值出现在2014年，降水量为352.0 mm，两者相差921.5 mm。

3) 市区年代平均降水量变化较为平缓，20世纪60年代平均降水量值最高，90年代开始降水量减少明显，且为年代最少。

4) 降水突变发生在1980年，降水量由多向少转变，并且市区年平均降水量从1980年开始明显减少，并且在1990-2010年长期处于相对枯水状态。