天水市域1981—2020年间降水量的突变特征分析

摘 要：在全球变暖的背景下，降水时空结构会发生一定的变化，导致降水时空变异加剧。降水与人类的生产生活和经济社会的发展密切相关，作为甘肃省特色农产品区，天水市对气候变暖的响应敏感程度高、幅度也更大。因此，研究天水市降水时空特征具有实践意义。选取天水市7个气象站点1981—2020年逐月降水数据，采用曼—肯德尔（Mann-Kendall）突变检验法，分析了天水市1981—2020年间降水量的突变特征。结果表明，天水市年降水量均值为425～570 mm，平均降水量为495 mm，CV值为0.19～0.25，极值比为1.9～2.7，说明年际比较稳定。近40年来，天水市降水时间不均衡，有明显的季节性和区域差异。

关键词：降水量；时序特征；分析；全球变暖

中图分类号：K903 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）07–0-03

当前，受人类活动的影响，全球气候变暖越来越严重[1]。气候变暖会导致蒸发量加快，水循环过程加速，进而引起降水时空结构发生变化，降水时空变异加剧[2]。

降水是描述某一区域气候特征的主要因素指标，而降水的时空变化规律又直接影响着区域水文状况和水资源的时空分配[3-4]。作为基本的气候现象，降水与人们的日常生活息息相关，直接影响着人们的生活生产方式[5]。从古至今，人们无时无刻不在关注着降水时空变化，并用于指导生产生活方式，而降水量的丰富程度也在一定程度上制约着区域的经济发展[6]。降水的动态变化在一定区域表现出地域特性，也会随着气候、地形的变化和人类活动的影响，在时间和空间上体现出差异性[7]。

1 研究区概况

本研究区域为天水市，位于甘肃省东南部，秦岭西段、黄河最大支流渭河的中游。天水市是一个典型的农林牧交错复合区域，属于我国气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区，对气候变暖的响应也更为敏感、幅度也较大。研究区地势西北高、东南低，东部和南部为山地地貌，北部为黄土丘陵地貌，中部则是渭河河谷地貌。气候属于温带季风气候，年平均降水为495 mm，降水自东南向西北逐渐减少。天水横跨长江、黄河两大流域，以西秦岭为分水岭，北部地区为渭河流域，以南为嘉陵江流域。截至2021年，常住人口为295.65万人，农业人口占比54.43%。因此，研究该区域降水的时空变化特征具有一定的现实意义。

近年来，全球气候变暖，导致降水时空结构发生变化，降水变化与人类发展密切相关。从19世纪开始，各国学者开始进行全球降水时空变化研究发现，全球降水时空分布极不均衡[8-9]。

2 数据来源

2.1 气象数据

研究中所用气象数据主要来源于中国气象数据网、甘肃省统计局、天水市气象局，主要选取天水市7个气象观测站（图1）。其中，河谷区有麦积站、天水站，渭北区有甘谷站、武山站和秦安站，关山区有清水站、张家川站，1981—2020年逐月降水数据完整，没有缺失。季节划分为春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月），冬季（12月—翌年2月）。

2.2 遥感及矢量数据

所用到的天水市DEM高程数据来自地理空间数据云；天水市行政区矢量数据来自1∶400万全国矢量数据。

3 研究方法——曼—肯德尔（Mann-Kendall）突变检验法

曼—肯德尔（Mann-Kendall）突变检验法是一种非参数统计检验方法。适用于长时间的序列研究，便于操作且受干扰小，既可以检测序列的变化趋势，又可以进行突变点的检验[10]。

首先，对于时间序列X（含有n个样本），构造一个秩序列：

Sk=ri （k=2，3，…，n）（1）

其中，

ri=（2）

秩序列Sk是第i个时刻数值大于j个时刻时，数值个数的累加。

在时间序列为随机的假设下，定义统计量：

UFk=（3）

其中，UF1=0，E（Sk）和Var（Sk）分别是Sk的均值和方差，且x1，x2，…，xn互相独立时，他们具有相同连续分布，可以由下式推算出：

E（Sk）=， （2，≤k≤n）（4）

Var（Sk）= （2≤k≤n）（5）

UFk为标准正态分布，是按时间序列X的顺序（x1，x2，…，xn）计算出的统计量序列，一般取显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96。将UFk和UBk 2个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘制在一张图中，若UFk和UBk的值＞0，则表明序列呈上升趋势；若UFk和UBk的值＜0则表明呈下降趋势。当超过临界直线时，则表明上升或下降趋势明显，超过临界线的范围确定为突变的时间区域。如果UFk和UBk 2条曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻则是突变开始的时间。

4 降水量突变分析

4.1 降水量突变年际分析

4.1.1 降水量突变的大区特征分析

（1）河谷区。天水站年降水的UF曲线与UB曲线在1981—2020年存在3个交点，分别是1981、1983和1986年，且突变点均位于置信区间。根据UF曲线可知，1981—1983年降水减少，1983—1993年降水增多，

1993—2020年波动减少，年降水整体波动明显；麦积站突变点存在于1984、1985、2017、2019和2020年，1981—1983年降水减少，1983—1994年降水波动增加，1994—2017年降水波动减少，2017—2020年降水增加。

（2）渭北区。甘谷站突变点存在于1981、1982和1985年，1981—1983年降水减少，1983—1986年降水增加，1986—2020年降水波动减少，且1995—2004年突破显著性检验下限；秦安站突变年份存在于1983、1986和2018年，1981—1983年降水减少，1983—1994年降水波动增加，1994—2018年降水波动减少，2018

—2010年降水增加；武山站突变年份为1983、1986、2017、2019和2020年，1981—1983年降水减少，1983

—1989年降水增加，1989—2012年降水波动减少，且1997—2002年突破显著性检验下限，2012—2015年降水增加，2015—2017年降水减少，2017—2020年降水增加。

（3）关山区。张家川站突变年份存在于1983、1986和2018年。1981—1983年降水减少，1983—1993年降

水波动增加，其中1990—1992年降水减少，1993—2018年降水减少，2002年突破显著性检验下限，2018

—2020年降水增加；清水站突变年份存在于1983、1985和2018年，1981—1983年降水减少，1983—1986年降水增加，1986—2019年降水波动减少，2020年降水增加。

4.1.2 降水量突变的县区特征分析

（1）由计算得知，天水站年降水的UF曲线与UB曲线在1981—2020年存在3个交点，分别是1981、1983和1986年，且突变点均位于置信区间。根据UF曲线可知，1981—1983年降水减少，1983—1993年降水增多，1993—2020年波动减少，年降水整体波动明显（图2）。

（2）麦积站突变年份为1984、1985、2017、2019和2020年，1981—1983年降水减少，1983—1994年降水波动增加，1994—2017年降水波动减少，2017—2020年降水增加。其中渭北区、甘谷站突变点存在于1981、1982和1985年，1981—1983年降水减少，1983—1986年降水增加，1986—2020年降水波动减少，且1995—2004年突破显著性检验下限（图3）。

（3）秦安站突变年份为1983、1986和2018年，1981—1983年降水减少，1983—1994年降水波动增加，1994—2018年降水波动减少，2018—2010年降水增加（图4）。

（4）武山站突变年份为1983、1986、2017、2019和2020年，1981—1983年降水减少，1983—1989年降水增加，1989—2012年降水波动减少，且1997—2002年突破显著性检验下限，2012—2015年降水增加，2015—2017年降水减少，2017—2020年降水增加（图5）。

（5）张家川站突变年份为1983、1986和2018年。1981—1983年降水减少，1983—1993年降水波动增加，其中1990—1992年降水减少，1993—2018年降水减少，2002年年突破显著性检验下限，2018—2020年降水增加（图6）。

（6）清水站突变年份为1983、1985和2018年，1981—1983年降水减少，1983—1986年降水增加，1986—2019年降水波动减少，2020年降水增加（图7）。

4.2 降水量突变的年内季节分析

由计算得知，春季，天水市突变年份为1982、1985、1987、2012、2013和2014年，1981—1992年降水波动增加，1992—2015年降水波动减少，2015—2020年降水增加。

夏季，天水市突变年份为1981、1983、1986、1988、1989、1991、1992和1993年，1981—1984年降水减少，1984—1986年降水增加，1986—1988年降水减少，1988—1995年降水波动增加，1995—2020年降水波动减少；秋季，天水市突变年份为1981、1983、1984、2001、2003、2011和2020年。除2011年降水略有增加外，1981—1983年降水减少，1983—1986年降水波动增加，1986—2020年降水波动减少。

冬季，天水市突变年份为2005、2015、2016、2017和2019年，1981—1985年降水增加，1985—1988年降水减少，1988—1997年降水增加，1997—2000年降水减少，2000—2009年降水增加，2009—2020年降水减少。

5 结论

天水市年降水量在研究时段内存在突变点，四季降水量因区域和时间的不同，突变情况也不同，降水量在夏季和冬季变化频繁。天水市区多年的年平均降水量为495 mm，在40年长系列年际降水量中，2003年的年降水量最大为830.5 mm，1989年的年降水量最小为392.8 mm，年际整体表现为非显著性增加趋势。四季降水量占全年的权重依次为0.32、0.41、0.15、0.12。此次采t检验法和M-K检验法对长序列降水量进行疑似突变变化分析，发现疑似突变的年份不尽相同，考虑是由于检测方法的系数（敏锐度）不同所致。

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