重庆城市化对指数化降水变率及新增雨系数影响的研究

张帷涵 金琳 巨娟丽 崔晨风 刘家璇

摘 要：为了探究城市化进程对城市降水量的影响，使用简单移动平均法探究分区研究的可靠性和代表性;改进降水变率和增雨系数，定义2个全新的年际衡量指标—指数化降水变率，新增雨系数，从定性和定量2个角度研究城市化对二者的影响及相关关系。结果表明：重庆市城市化的水平受多方面的影响，在时间序列上呈现稳步上升的趋势，如今已处于成熟阶段并趋于稳定状态。重庆市城市化进程促进同期的新增雨系数的增加，抑制城市中指数化降水变率的变化，使得年平均降水量在小范围内波动，可通过控制城市化的发展进程协调城市降水量与降水变率，进而合理管控水资源循环过程，调整城市生态环境，改善人们生活环境，促进社会全面健康可持续发展。

关键词：指数化降雨变率;新增雨系数;简单移动平均法

中图分类号 P426.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）04-0142-05

Abstract： To explore the impact of urbanization on urban precipitation，the simple moving average method are used to explore the reliability and representativeness of zoning research;precipitation variability and precipitation enhancement coefficient are improved;two new inter-annual metrics are defined—indexed rainfall variability， new rainfall coefficient;the impact of urbanization on the two and the related relationship from both qualitative and quantitative perspectives are studied.Research indicates： the level of urbanization in Chongqing is affected by many aspects， there is a steady upward trend in the time series，it is in a mature stage and tends to be stable.The urbanization process of Chongqing promotes the increase of the new rainfall coefficient during the same period， suppresses the change of indexed precipitation variability in the city， and the average annual precipitation fluctuate are made in a small range.The urban precipitation and precipitation variability can be coordinated by controlling the development process of urbanization， the cycle of water resources can be rationally controlled ， the urban ecological environment can be adjusted ， the people′s living environment can be improved， and  the comprehensive and healthy development of society can be promoted.

Key words： Indexed rainfall variability; New rainfall coefficient; Simple moving average method

1 引言

城市化是拉動中国经济最重要的一个领域和空间，也是转变经济发展方式，调整优化结构的载体，城市化集群效应是区域经济发展的有效带动力，因此发展城市化对于整个国民经济的平衡是至关重要的。随着城市化的全面推广，一些不合理的城市化行为引起下垫面条件及小气候情况发生变化，造成水资源紧缺、污染等一系列生态水文问题，加大了人类活动对环境产生的压力，极大的阻碍了城市化发展。

近年来，国内外关于城市化对城市降水的影响已有许多研究，在国外Jeremy E. Diem[1]研究发现随着城市化的发展出现极端降水天气的次数在增加，降水量增加的趋势也处于整体增长状态;Wolfgang Enke[2]通过进行检测发现存在城市化增雨现象;Chao Lin Zhang[3]在多种下垫面情境下分析了城市的扩张对极端降水的影响;在国内赵娜[4]通过分析北京市城区郊区多种气候指标的变化趋势和特点，探讨了城市化对背景区域气候发展产生的影响;彭莉莉[5]采用百分位法分析极端强降水阈值，研究城市化发展的2个时期与地区四季降水特征的关系。

目前关于城市化与极端降水的研究成果基本揭示了极端天气出现频次的变化规律及区域降水阈值的情况，但关于城市化发展水平对降水量增量及降水变化速率影响的研究较少，本研究深入探究城市化进程对降水量增量及降水变化速率影响，为重庆气象灾害的预报、生态环境的建设、水资源的管理与利用等方面提供科学依据。

2 数据和方法

2.1 数据来源及分区[6] 重庆位于长江上游地区，地貌多以丘陵、山地为主，坡地面积较大，年平均降水量较丰富，年平均相对湿度多在70%～80%，在中国属高湿区，因其丰富的气候资源面临频繁的气象灾难。本文选取重庆地域东经105°11′～110°11′、北纬28°10′～32°13′的21个站点，根据重庆统计年鉴所提供的1997—2017年各站点的经纬度，筛选出城区11个站点和郊区10个站点;在中国气象共享网中得出各站点对应的1997—2017年的年平均降水量数据。

2.2 主成分分析法[7] 主成分分析法通过对原来多个变量的数据进行降维处理，最终得到能够在最大程度上解释原始数据方差的少量综合指标。因为衡量城市化水平的大部分变量之间可能存在着某种相关关系，且数据占据空间较为庞大，如果将全部数据都带入公式中可能会影响模型最终结果的精度，因此本文选用主成分分析法简化衡量指标。通过使用SPSS软件，得出KMO检验的数值结果为0.818>0.8，可以进行主成分分析。

2.3 移动平均法[8] 移动平均法是按照时间域的排列情况进行合理的推演移动，通过计算各部分的时序平均数来反映其长期变化趋势的方法。由于年平均降水量数据受周期变化和无规律变动的影响，数据波动较不稳定且不易显示出整体的变化情况，因此本文选择使用简单移动平均法来消除无关变动因素的影响，从而对降水量长期趋势进行合理且客观的分析和预测。

2.4 降水变率[9] 通过对比城区和郊区年平均降水量，得出年平均降水量的变化趋势，降水变率可以在此基础上反映出重庆市降水量的变化速度和程度。

降雨变率为：

Im=[PmQm]（m=1997，1998…2017） （1）

降水变率是在时间序列中，各年降水量的距平数与多年平均降水量比值的百分比。Im为降水变率;Pm为各年降水量的距平数，Qm为多年的平均降水量。降水变率的大小可以反映降水的年际降水的变化特征的稳定程度，降水变率大则说明降水量变化情况较为明显，降水特征不稳定，反之可得降雨变率小的情况，因此可以通过降水率的正负来判断降水量的增减情况，降水率的绝对值反映变化程度。

2.5 指數化降雨变率 由于降水变率的负值增减情况与其绝对值的增减情况正好相反，负值的降水率绝对值越大，反映的变化程度本应越大，其数值反而越小，这对于数据结果的分析产生一定的影响。本文改进了降雨变率，在此基础上定义了全新的指标即“指数化降水变率”，它将所有的降水变率进行指数化，在正向化的同时放大其变化情况，使降水变率的结果更加直观真实。

指数化降雨变率为：

Wm=[eIm]-0.5 （2）

以前的降水变率由正负值来分析和判断降水量变化的快慢，但是由于正负增减规律恰好相反，会对结果的分析产生干扰。而本文改进了降水变率，定义的指数化后的降水变率，放大了数据的变化规律且将结果正向化，从而可以直接进行不同年份之间的比较，降水变率的变化情况更加明显，有利于得出丰富且准确的结论。

2.6 新增雨系数 定性分析了降水量的变化趋势后，需要定量研究降水量变化的多少。本文通过定义新增雨系数来定量分析重庆市的城市化情况对城区和郊区降水量的横向影响效果。

新增雨系数为：

R增=ln[K城K郊] （3）

R增表示新增雨系数，[K城]，[K郊]分别表示城区和郊区各自的年平均降水量，新增雨系数的理论取值分两部分，当[K城]>[K郊]时，R增>0，表示城区的降水量大于郊区的降水量，同理可得R增<0的情况。原始的增雨系数取值范围为0～1，不能直接比较增雨系数，不利于对结果的观察，本文改进后的新增雨系数利用对数的分布规则，将其取值范围转化为正负区间内，表现形式更加直观明确且便于计算。

2.7 数据处理 因为各指标量纲不同，将城市化评价的5个指标从1997—2017年的数据导入SPSS进行标准化处理，计算指数化降水变率、新增雨系数时提取对应的数据在EXCEL中绘制散点图;在SPSS中提取各主城分荷载得到荷载表;针对移动平均法，将数据导入MATLAB中，带入代码得出3年滑动平均曲线、5年滑动平均曲线。

4 结果与分析

4.1 城市化水平评价结果 将城市化得分和2个主成分所对应的指标全部进行标准化，将得分绘制成散点图，得到2个主成分各指标得分的趋势基本相符，验证了主成分选取的可靠性，表示出城市化随时间的变化情况即城市化水平整体呈逐年递增的模式。

根据累积贡献率原则，从上表中可以发现，通过SPSS处理数据得出的2个主成分累计贡献率达到94.752%>85%，能够累计解释样本94.752%的总变异，能够进行主成分的提取。第一主成分的主要荷载分布于水泥，发电量，城镇率。第二主成分荷载分布于本市生产总值和建设用地。将每年的各项指标标准化后的数据带入主成分分析法的综合评分公式[10]中，从时间角度对重庆市城市化程度进行综合评价，得到城市化水平得分，将评价得分结果绘制成散点图。

由城市化评价得分散点图可以发现，从1997年重庆被设立为直辖市后，重庆市城市化水平呈现稳步上升的趋势，并且在2007年增长速度逐年加快，由于2007年重庆市人民政府办公厅出台了市公安局解决进城农民工户籍政策及三峡库区移民的户口迁移等规定。2017年后城市化评价得分逐渐趋于稳定，说明城市化发展工作已经取得了较大成果，基本实现全面建设城市化，相较于10年前的发展阶段，此时城市化进程已处于成熟阶段，因此进步速度没有明显加快。

4.2 城郊降水量变化趋势 在分析城郊降水量变化趋势之前应当确定城区郊区代表站选取是否具有可靠性和代表性[8]，需要排除城郊区间地形气候等其他因素的影响。通过分别对比本文所选取的城区，郊区各站点降水量与重庆市年平均降水量之间的关系[8]，结合曲线图可以发现，城区所选取的11个站点的平均降水量和郊区选取的10个站点的降水量与年降水量具有大致相同的变化趋势。郊区21年平均降水量的平均值为1241.864mm，城区的21年平均降水量的平均值为1224.086mm。在整体时间序列中，年平均降水量虽没有明显的线性变化关系，但是降水量主要集中在1100mm～1550mm，大致范围较为明确，总体的年平均降水量总体呈现逐渐减少的趋势。1997—2007年的三种降水量在逐渐减少，并且在减少的过程中伴随着小范围变化现象;2007—2017年以后降水量有先增加后减少的趋势，数据主要在1150mm上下轻微波动。因此可以得出结论，城区和郊区所选站点的降水量时间序列数据具有较好的一致性和可靠性，城区郊区的地形气候等因素对降水量的研究影响不大，在接下来的对比研究中可以排除其他较小因素的作用效果，满足本文的研究需求。

4.3 降水变率的时间序列变化特征[10] 对比城区郊区的降水变率可知，城区的降水变率范围比郊区更大，但波动趋势大致相同，说明城区的降水量变化比较不稳定，存在大幅度的变化，而郊区降水变率取值范围较小，降水量较稳定。

通过上图可以发现，正负值的降水变率经过指数化后都为正值，可以同时在坐标轴上方表示。因为增减规律相同，可以直接进行不同年份之间的比较，使得对比步骤更加方便简洁。将数据结果进行放大后，降水变率的变化情况更加明顯，分析过程的依据更多，有利于得出丰富准确的结论。

随着城市化近程度不断推进，由上图可以发现城郊两区的指数化降水变率1997年达到最大值，从此之后整体呈逐年递减的趋势，与城市化随时间变化递增的趋势完全相反。数据取值范围大致在0.4～0.8，各极小值点的取值几乎相同，整体水平较为稳定，1997—2007年的变化幅度明显大于2007—2017年的变化幅度，且城区数值基本比郊区的数值大。指数化降水变率在1997、2001、2007年等出现了极大值，说明这些年的降雨情况比较不稳定。2007—2013年的恢复过程历时较长，由于重大灾害对生产生活产生了影响，使得大气环境、下垫面、地表径流等一系列环境因素产生变化，恢复过程需要大量时间。其中在城郊区中各有10年的指数化后降水变率大于平均值，约占所有年份的1/2，表明只有少数年份的变化情况较为复杂，整体趋势依然保持较为稳定的变化。

因此得出结论，城市化的发展会降低城市的指数化降水变率，抑制城市中降水量的变化，使得年平均降水量趋于小范围的波动状态。城市化进程的推进带动工业、生产业等多个领域中机械化、自动化多种人工智能技术的全面推广，人民生产生活方式的全面改变导致人类活动对城市降水量的影响变得更有规律性。

由于重庆地区地处亚热带湿润季风气候区，降水变率一般应在10%左右，本文的数据结果以及曲线图都可以验证这一结论。降水变率主要在±10%范围内变化，这种情况属于正常范围，降水变率超过±20%则处于异常状态，应当引起相关部门的高度重视，因为发生大规模高强度的洪涝灾害的可能性比较高，在进行水文预报等活动时，出现异常状态的年份应当提前做好全方面的预防和准备工作，从而保障人民的人身财产安全。

4.4 新增雨系数结果分析 在1997—2017年，1997、2000、2001、2005、2007、2014年这6年的新增雨系数为负值，约占总时间域的0.28，说明只有少部分时间点发生了降水量减少的现象，大部分时间降水量都在逐年增加。1997—2007年，在这11年中新增雨系数为负值的年份占比0.45;而在2007—2017年这10年中该情况只占0.1，前11年所占比例比后10年所占比例的4倍还要多，因此降水量出现减少的年份主要集中在时间域的前半段。

新增雨系数可以反映该地区降水量的具体变化情况，作为研究地区降水量的一个有效指标，通过其时间序列的趋势线可以发现新增雨系数的变化状态符合重庆市城市化程度的发展情况，即城市化水平整体呈逐年增长的态势。1997—2007年增长速度较为平稳，2007—2017年发展速度逐渐加快;新增雨系数的趋势线大致满足线性关系，且表现出逐年增长的状态，说明随着重庆市城市化进程的不断加快，经济水平的不断提高，同期的新增雨系数也就越大，雨量增加现象发生的频次在逐渐增多。

5 结论

（1）重庆市城市化水平从1997年开始呈现稳步上升的趋势，并且在2007年增长速度逐年加快，2017年后基本实现全面建设城市化，城市化进程处于成熟阶段，发展速度比较稳定。

（2）1997—2007年重庆市新增雨系数增长速度较为平稳，2007—2017年发展速度逐渐加快，随着重庆市城市化进程的不断加快，经济水平的不断提高，同期的新增雨系数也就越大，雨量增加现象发生的频次在逐渐增多。城市化的发展促进新增雨系数的变化，二者呈现明显的正相关关系。

（3）1997—2007年重庆市指数化降水变率的变化幅度明显大于2007—2017年的变化幅度，且城区数值基本比郊区的数值大。指数化降水变率在1997、2001、2007年等出现了极大值，2007—2013年的恢复过程历时较长。城市化的发展与年平均降水量之间呈明显的负相关关系，推进城市化会降低城市的指数化降水变率，抑制城市中降水量的变化，使得年平均降水量趋于小范围的波动。

参考文献

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（责编：王慧晴）

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