安塞城区延河40年降水特征统计分析

任家伟，马 荣，刘敏娜

（西安水文水资源勘测中心,陕西 西安 710100）

0 引言

延河,全长286.9km,流域面积7725 km2,年平均径流总量2.94亿m3,平均比降3.3‰。安塞城区境内河长90 km,流域面积2649 km2,占总流域面积的34.29%,流速0.8 m/s,河谷由窄深逐渐变为宽浅,呈V型窄谷,属典型的黄土高原丘陵沟壑区。气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象,发生极端天气情况会对人类社会和自然生态系统造成危害[1]因此生态安全问题都将制约该地区的经济社会发展,所以开展地区气候变化研究具有重要的现实意义。本次研究主要采用统计学原理,分析安塞城区降水量的各项特征值,寻找其变化规律,通过用差异系数法、皮尔逊相关性分析法、累计距平法分别对安塞城区40年（1982～2021）的降水变化趋势及突变特征进行分析、以便更好地为当地国民经济建设、防汛抗旱、农业生产等做好服务,为区域社会经济可持续发展提供有利支持。

1 降水趋势变化特征分析

1.1 研究区概况与数据来源

资料经过严格的检查与质量控制,选用安塞水文站1982年～2021年逐月降水资料,主要分为春、夏、秋、冬四季平均降雨量及年均降雨量5个部分来分析降水量趋势变化。

1.2 对降水量的月、季、年特征分析

标准差也为均方差,其反应某一要素的离散程度[2],差异系数（CV）是一种反应相对离散程度的系数,是相对差异量数中的一种测度,又名“变异系数”。对安塞城区各月、各年降水量的最大值、最小值、平均值、标准差及差异系数等特征量进行统计分析得出,安塞城区年平均降水量为521.0 mm,年际降水量变化小,年标准差为163.7 mm,其最大值为2013年降水量801.0 mm,比其平均值偏多53.7%；最小值为1997年降水量270.3 mm,比起平均值偏少48.1%。年内各月降水量呈单峰型,主峰在8月,最低为12月份。差异性系数8月份最大,7月与6月次之,即夏季差异性系数最大。差异性系数最低的为12月份,其次为1月与2月份,即冬季差异性系数最小,这说明了相对离散程度夏季比冬季大得多,干湿变化更明显。

由图1可知,近40年安塞城区的年降水量呈现平稳趋势。2013年降水量最高,达到801.0 mm；1997年降水量最少,为270.3 mm；多年平均降水量为521 mm。春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）、冬季（12月～翌年2月）降水量分别占全年降水量的15%、53%、22%、10%。由图2可知,安塞城区降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般发生在夏季月份,最小值一般发生在冬季月份。

图1 安塞城区1982年～2021年年均降水量变化趋势

图2 安塞城区1982年～2021年平均逐月降水量

1.3 皮尔逊相关系数分析法

在统计学中,皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）,又称皮尔逊积矩相关系数（Pearson productmoment correlation coefficient,简称PPMCC或PCCs）,是用于度量两个变量X和Y之间的相关（线性相关）,其值介于-1与1之间。

利用统计学分析软件spss27.0对安塞城区近40年的年均降雨量、春夏秋冬各季降雨量进行分析,了解其相关性和是否具有显著性关系。

由表1可以看出年平均降雨量和夏季平均降雨量皮尔逊相关性为0.697,显著性检验＜0.01,得出两者之间为极显著相关,因此夏季的降雨量对全年的平均降雨量影响极大。春秋二季平均降雨量虽相关性显著,但是相关系数并不大,并不能说明春秋二季平均降雨量对年降雨量的影响力有多大,冬季降雨量与年平均降雨量没有通过相关性检验,说明冬季的平均降雨量基本对全年的降雨量造成不了影响。

表1 安塞城区近40年年平均降雨量与春夏秋冬平均降雨量相关性统计

1.4 累积距平法

累计距平法是一种由曲线直观判断变化趋势的方法。即距平值的累加, 距平气候要素值与多年平均值的偏差。利用累积距平法对安塞城区1982年～2021年春、夏、秋、冬四季和年均降水量在时间序列上进行探讨分析。

安塞城区年降水量累积距平曲线见图3和图4,发现安塞城区40年降水量的变化规律：年降水量比上一年增加（减小）的情况交替出现,旱涝交错,变化剧烈。

图3 安塞城区1982年～2021年各季节累积距平曲线

图4 安塞城区1982年～2021年年降水量累积距平曲线图

由图3可知,春季降水在20世纪80年代至2021年总体呈现交替趋势。突变出现在1997年、2003年、2021年。

夏季降水从20世纪80年代至20世纪90年代中期呈现增长趋势,进入90年代后期呈现交替变换趋势。突变出现在1983年、1984年、2008年、2009年、2015年。

秋季降水在20世纪80年代至20世纪90年代总体呈增长趋势,20世纪呈现多次波动,突变出现在2006年、2007年、2021年。

冬季降水趋势呈现多次波动,20世纪80年代至20世纪00年代中期呈现交替趋势,20世纪00年代中期至2021呈波动趋势。突变出现在1998年、1999年。

年均降水趋势在20世纪80年代至90年代呈现稳定趋势,20世纪90年代中期呈现显著性波动。突变出现在1997年、1998年、2013年。

对年降水量累进平均值变化分析,降水量的累进平均值变化过程可以反映不同样本降水量均值的变化过程：过程线是否趋向于稳定,在一点程度上可反映不同长度系列的代表性和稳定性。但因旱、涝、正常时期前后组合不同,所以曲线形态各异,只有在系列相当长时才不会受丰枯期次序的影响而趋于稳定。在40年降水数据的基础上,图1安塞城区年降水量均值变化图,反映了不同样本降水量系列值的变化过程。通过图1可看出,在时间序列上安塞城区的年降水量平均值随着时间越长、其曲线的变化幅度也越小,但还有上下波动说明其年降水量的状态不是很稳定。

2 结果与讨论

（1）安塞城区降水的季节变化为典型的单峰型；多年平均降水量521 mm,降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般发生在夏季月份,最小值一般发生在冬季月份。春夏秋冬降雨量分别占全年的15%、53%、22%、10%。夏季的差异系数最大,冬季差异系数最小。

（2）安塞城区1982年～2021年平均降雨量和夏季平均降雨量皮尔逊相关性为0.695,显著性检验＜0.01,两者之间为极显著相关,说明夏季的降雨量对全年的平均降雨量影响极大。春秋二季平均降雨量虽相关性显著,但系数较小,且在实际的防汛工作中,安塞城区一般不在春秋二季防汛,可以得出春秋季节雨量较多,但强度偏低。冬季降雨量与年平均降雨量没有通过相关性检验,说明冬季的平均降雨量基本对全年的降雨量造成不了影响。

（3）比较差异系数法与皮尔逊相关性分析法检测安塞城区1982年～2021年年平均降雨量和各季降雨量得出的结论,发现两者结论具有高度的相似性,即夏季降水强度大且其降雨量对全年降雨量影响巨大,冬季降水强度小且其降雨量基本对全年降雨量没有影响,建议安塞城区各级防汛部门需重点防范在夏季的洪涝灾害,同时也要防范冬季出现的不同程度的干旱。

（4）安塞城区1982年～2021年春季、夏季、秋季、冬季降水时间序列均发生了突变。春季是1997年,为降水增加突变点；秋季是2006年,为降水增加突变点；夏季是1983 年,为降水减少突变点；冬季是1999年,为降水减少突变点。总体来说突变点数较少,各季降雨量量呈波动趋势。

（5）从安塞城区年降水量累积距平曲线可以得出安塞城区近40年安塞城区的年降水量整体呈现波动趋势,年降水量比上一年增加（减小）的情况交替出现,但整体变化幅度不大,在时间序列上安塞城区的年降水量平均值随着时间越长,其曲线的变化幅度越小,结论可为各级防汛部门防汛减灾工作提供参考。