福泉市降水特征及其变化分析

任 黎，蔡文美，梁士奎，朱佳晨，宋姝萍，刘雨桐，杨文娇

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.华北水利水电大学水资源学院，河南 郑州 450046)

1 概述

一直以来，降水作为水文循环的必要环节，在水资源中占有举足轻重的地位，对其进行特征分析有非常重要的意义。凭借对经济及社会产生的极大影响，成为全球科学家的研究热点。在全球变暖的大环境下，极端气候事件发生概率大幅度增加，短时间强降水会造成城市内涝，给社会及人身安全造成极大的威胁，极端气候正在“常态化”，成为人类社会必须时时面对的生存危机之一，对水资源的高效管理及水灾害的治理是现如今人类面临的重要挑战。

位于云贵高原的贵州省，由于处于高原斜坡上导致大江大河地势陡峭，其经济发达区大多处于分水岭及小型流域，因此随着经济地快速发展，地区资源性缺水问题日益突出。福泉市位于贵州省中部，作为亚洲磷都以及西南出海的交通要塞，近年来随着经济社会的快速发展，社会需水总量升高，水资源利用率较低。因此研究福泉市的降水时空变化特征，为洪涝、干旱灾害的防治提供依据，保障全市人民生命财产安全，促进研究区经济发展具有重要意义。

2 研究区概况及方法

2.1 研究区概况

福泉市地处于贵州省中部，黔南布依族苗族自治州北部。东邻黔东南的凯里市和黄平县，南边与黔东南的麻江县接壤，西与贵定县、龙里县、开阳县相邻，北与瓮安县相连。福泉市地处云贵高原东部，属亚热带季风气候华中湿润区，热量丰富、雨量充沛，无霜期长，年均温14℃左右，无霜期245～278d。年均降水量1033～1220mm，雨季一般在四月中旬开始，十月下旬结束。地势西高南低，从西北到东南地形逐渐倾斜，其位于乌蒙山脉至苗岭山脉的中段。全境河流隶属于长江流域，以武夷山脉为分水岭，划分为沅江流域和乌江流域[7]。福泉市全境干、支流之数多达39条，其总河长为633.7km，河网密度为0.38km/km2，即每1平方公里就有0.38km的河流。

2.2 研究方法

M-K检验方法是一种非参数检验方法，也称无分布检验，它无需遵循某一特定分布，且不会受到少量的异常影响的特点，对类型、次要变量具有更好的适应性，在降水、气温、径流等非正态分布数据方面被广泛应用。该方法的优势在于无需采样遵循一定的分配，且不会受到少量的异常影响，而且适用于类型变量和连续变量，且易于进行运算。当Z>0时，则表示幅度增加，当Z<0时，则表示幅度减少。当|Z|≥1.28时，表示显著性检验大于90%，当|Z|≥1.64时，表示显著性检验大于95%，当|Z|≥2.32时，表示显著性检验大于99%。

M-K突变检验方法以气候、下垫面一致性为前提，要求序列随机独立且同分布，能够判定气候序列中的气候突变，若有，则能判定其何时出现。该方法不仅计算简单，还能确定变异起始时间，并能确定变异区，因此，是一种常用的突变检测方法。在坐标轴上绘制UFk和UBk两条曲线，当它们超过临界置信水平直线时(检验置信水平α=0.05时，置信水平线为±1.96)，即表示上升或下降的趋势显著，突变的时间为超过临界线的区间，若UFk和UBk两条曲线出现交点且交点位于临界线之间，则该点为便是突变开始的时间。

R/S分析方法又称为重标极差分析法，它是英国水利学者赫斯特在尼罗河大坝项目中提出的一种分析方法，是可以对时间序列进行分析的方法。在描述自然界非线性系统的复杂性，揭示其系统内部本质规律及找出自身特点有着良好的效果，可以用来检验时间序列是否遵循独立，Hurst指数也能很好地揭示出时间序列中的趋势性成分，并且能够代表趋势性成分强度，目前已广泛用于对不同的时间序列进行分析。Hurst指数分级见表1。

表1 Hurst指数分级表

RClimDex模型是一种用于计算极端气候指数的软件，基于R语言编辑器的开发，以Excel为基础，旨在提供容易使用的软件包去计算并监测气候变化的气候极值。RClimDex模型会通过仔细筛查数据中是否存在无效数据，如果存在，就可以通过用户以标准差的形式去定义阈值去除异常值。最后通过计算将会获得27个核心极端气候指数[10]。

3 降水特征分析

3.1 显著性分析

将福泉市60年的降水数据利用Mann-Kendall检验法进行检验，结果见表2。

由表2可知，1959—2018年间，年降水量|Zc|=0.64，小于1.64，未通过显著性检验，故福泉市年降水量呈现出不显著的下降趋势；春、夏两季降水量|Zc|=0.59、|Zc|=0.03，均小于1.64，均未通过显著性检验，故福泉市春、夏两季降水量呈现出不显著的下降趋势；秋季降水量|Zc|=1.75，大于1.64，通过显著性检验，故福泉市秋季降水量表现出明显的下降趋势；冬季降水量|Zc|=0.63，大于1.64，未通过显著性检验，故福泉市冬季降水量表现出不明显的上升趋势。

表2 M-K指数结果

3.2 突变性分析

根据M-K突变检验法，将福泉市60年降水量数据绘制成M-K突变检验图，如图1所示。从图1中可以看出，在1959—1985年间，除1961—1963年外，UFk曲线取值基本上位于0值以上，表明该期间，福泉市年降水量一直呈现出上升的趋势。自1985年后，UFk曲线取值均位于0值以下，表明自20世纪80年代后，福泉市年降水量一直呈现出下降的趋势。图中UFk和UBk曲线存在较多交叉点，再结合变化趋势分析的结果，认为福泉市年降水量在1959—2018年不存在显著性突变时间点。

图1 年降水量M-K突变检验

将福泉市季度降水量数据绘制成M-K突变检验图，如图2所示。图2(a)中UFk曲线在1959—1975年间波动较大，自1975年后UFk曲线均低于0值，且在1996—1998、2001—2002年间超出信度线，表明自20世纪70年代后研究区春季降水量一直呈现出下降的趋势，尤其在1996—1998、2001—2002年间下降的趋势明显。图中UFk和UBk曲线存在较多交叉点，再结合变化趋势分析结果，认为研究区年降水量在1959—2018年不存在显著性突变时间点。图2(b)中UFk曲线除1961—1962年外，均处于0值以上，在1964—1965年超出信度线，表明在1959年来研究区夏季降水量处于不明显上升趋势，在1964—1965年间为突变区间呈现出显著性上升趋势。图2(c)中，在1959—1975年间UFk曲线在0值上下波动，变化趋势不明显。自1975年后，UFk曲线均处于0值以下且在1992年后UFk曲线在信度线上下波动，表明20世纪70年代后，研究区秋季降水量一直处于下降趋势，特别从1992年后为突变区间呈现出显著性下降趋势。图2(d)中，在1959—1970年间UFk曲线位于0值以下，表明该期间研究区冬季降水量处于不显著的下降趋势。自1970年后，除1983—1986、1988—1989年外UFk曲线均处于0值以上，且一直处于信度线之间，表明自20世纪70年代以来，研究区冬季降水量呈现出不显著的下降趋势。UFk和UBk曲线相交多点，结合趋势结果分析可得出冬季降水量于1970年发生突变。

3.3 R/S分析方法

根据研究区逐日降水资料，利用Matlab软件进行分析可得，Hurst指数H=0.1562，介于0～0.5之间，未来与过去的信息在时间尺度上表现出长程负相关性，时间序列具有较强反持续性，表示过去增加意味着未来减少，而过去减少意味着未来增加。年降水量呈现出下降趋势意味着未来年降水量将会呈现出增加趋势，并且其反持续性较强，所以未来的增加趋势较明显。

运用Matlab软件使用R/S分析方法可得出各季度Hurst系数及相关指数，见表3。

表3 R/S分析相关系数表

从表3中可以看出四季度的Hurst系数均处于0～0.5之间，表示未来与过去的信息在时间尺度上表现出长程负相关性，时间序列具有反持续性。春季Hurst系数为0.3426，具有较弱反持续性，意味着未来春季降水趋势与现在相反但关联性较弱。夏季Hurst系数为0.2403，具有较强反持续性，意味着未来夏季降水趋势与现在相反且关联性较强。秋季Hurst系数为0.3861，具有弱反持续性，意味着未来秋季降水趋势与现在相反但是关联性弱。冬季Hurst系数为0.4202,具有弱反持续性且接近于0.5，意味着未来冬季降雨与现在相反,但关联性弱。由于Hurst系数接近于0.5，即尽管过去60年冬季降水量增加，但未来增加趋势减缓还有可能会降低，或者说它更接近于随机变化，即冬季的降水趋势与过去无关，是随机的。

图2 福泉市季度降水量M-K突变检验

3.4 极端降水变化特征分析

在1998—2001年间，世界气象组织(WMO)在全球气候变化监测大会上，推出了一系列的极端气候指标，并且成为气候变化研究的统一标准。这些极端气候指数是由日气温和日降水数据计算而得。本文选取降水强度(SDII)、强降水量(R95p)、日最大降水量(Rx1Day)、5日最大降水量(Rx5Day)、连续无雨天数(CDD)、连续有雨日数(CWD)这6个极端降水指数进行研究区极端降水特征分析，见表4。

表4 极端降水指数表

运用Rclimdex软件计算福泉市6个极端降水指数，各项指数年际变化如图3所示，从图3中可以

图3 福泉市极端气候分析

整体看出，60年间福泉市6个极端降水指数(除连续有雨天数外)总体趋势变动较为平缓。从图3(a)可以看出，降水强度(SDII)反映平均降雨情况，总体呈现出下降趋势，平均每10年下降约0.16mm，整体围绕12mm上下波动。从图3(b)可以看出，强降水量(R95p)反应极端降水量在总降水量中所占的比例，总体呈现出下降趋势，平均每10年下降约15.41mm，整体波动幅度较大，表明福泉市极端降水发生频率差异较大，极端现象发生概率不稳定。从图3(c)、(d)可以看出，日最大降水量(Rx1Day)、5日最大降水量(Rx5Day)总体呈现出下降趋势，日最大降水量(Rx1Day)平均每10年下降约6.4mm，5日最大降水量(Rx5Day)平均每10年下降约11.8mm，在1965、1967、2012年出现了较为明显的极大值，说明这3年日最大降水量(Rx1Day)出现了较为极端的情况。从图3(e)可以看出，连续无雨天数(CDD)总体呈现出上升趋势，平均每10年上升约0.99d，2009—2012年间波动幅度剧烈，表明这几年间福泉市降水频率较为极端，干旱现象频繁。从图3(f)可以看出，连续有雨天数(CWD)总体呈现出下降趋势，平均每10年下降约0.04d，1959—2018年间波动幅度剧烈，极大值、极小值分布不均匀，1992—1996年连续有雨天数低于均值。

4 结论

(1)福泉市60年间年降水量没有显著的下降的趋势，无明显突变年份。春夏两季降水量呈不显著下降趋势，秋季呈显著性下降趋势，冬季呈不显著上升趋势；秋季降水量突变时段较长，其余季度突变年不明显。

(2)6个极端降水指数除连续无雨天数(CWD)呈上升趋势外，其余均呈下降趋势。强降水量(R95p)整体波动幅度较大，连续有雨天数(CDD)、连续无雨天数(CWD)波动剧烈；上述极端降水特征表示福泉市极端降水情况频率较高，近年来，极端气候事件增加，干旱现象频发。