上砂河流域降水特征及變化趨勢分析

劉志偉

摘 要：該文選取上砂河流域新嶺、上砂、吉龍、富口4個代表站1959—2015年實測逐月降水資料，利用距平分析法、5年滑動平均法、sen+Man-Kendall 法及其他水文統計方法對流域內降水特征及變化趨勢進行了分析。結果表明：上砂河流域各站點多年平均降水量在1900～2300mm，主要集中于3—9月份，年降水量在1959—2015年期間整體呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

關鍵詞：上砂河流域；降水；距平分析法；5年滑動平均法；sen +Man-Kendall

中圖分類號 P333 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0160-03

Variation Characteristics and Trend of Precipitation over the Shangsha River Basin

Liu Zhiwei

（Shantou Hydrological Bureau of Guangdong，Shantou 505041，China）

Abstract：Using an anomaly analytical method，a five-year moving average method，the sen+Man-Kendall test method and a hydrological statistical method，this paper analyzed monthly precipitation data from 4 station，Xinling，Shangsha，Jilong and Fukou，from 1959 to 2015，in order to identify variation characteristics and trend of precipitation over the shangsha river basin. The results indicate that the average yearly precipitation in this basin is between 1900～2300mm；yearly precipitation period shows a downward trend during the study period，but the downward trend is not obvious.

Key words：Shangsha river basin；Precipitation；Anomaly analysis；Five-year moving average method；Sen +Man-Kendall method

上砂河發源于五華縣籠衣圈，自西北流向東南，于五云鎮下圩匯入榕江。屬山區性河流，流域面積134km2，河流長32km，河床平均比降8.06‰，多年平均流量6.4m3/s。上游多崇山峻嶺，植被良好，是暴雨高區[1]。本研究選取上砂河、新嶺、上砂、吉龍、富口4個代表站1959—2015年的逐月降水數據，采用距平分析法[2]、5a年滑動平均法[3]、sen+Man-Kendall法[4]以及其他相關水文統計方法，對上砂河流域的降水變化特征和變化趨勢進行了分析。

1 降水量的變化特征分析

1.1 降水量的年內分配 從表1可以看出，上砂水流域降水量年內分配不均勻，降水主要集中在3—9月份，該時段的降雨量約占全年降雨量的90%，最大月降水量占全年的18.0%～19.6%，最小月降水量僅占全年的1.4%～1.7%，最大月降水是最小月降水的13倍左右。

1.2 降水量的年際變化 由表2可知，上砂河流域各站點多年均降水量在1900～2300mm，年降水量的CV值在0.18～0.20，年降水量的極值比在2.0～2.4；各站降水量的年際變化基本接近，富口站稍大于其他各站。

1.3 不同時段降水量變化 采用距平分析法對上砂河流域4個代表站不同時段降水量的變化進行分析，分析結果見結果見表3。從表3可知：20世紀60年代，4個站降水量與多年均值相比均偏少，新嶺站偏少較多達到11.7%；20世紀70年代均偏多，偏差在2.5%和8.2%之間；20世紀80年代基本偏少，20世紀90年代總體上偏多；21世紀前10年總體偏少，近5年均偏少，偏差在-2.9%～-12.9%。

1.4 降水量豐、平、枯頻次分析 根據國家標準在國家標準《水文基本術語和符號標準》GB/T50095-98）中，將河川徑流豐、平、枯劃分為：豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年和枯水年五大類別。在對上砂河流域年降水量的頻次分析中，將年降水量按照經驗頻率也分為以上5種年型，劃分標準見表4[5]。從表5可以看出：統計的時段內，上砂河流域4個代表站的豐水年占比在10.7%～17.0%，偏豐年份占比在16.1%～32.1%，平水年占比在22.6%～30.4%，偏枯年占比在19.6%～32.1%，枯水年占比在8.9%～14.3%。

2 降水量的變化趨勢分析

針對上砂河流域降水量的變化趨勢，采用以下3種方法對進行分析：一是5年滑動平均法，繪制年降水量-5年滑動平均過程線圖；二是降水量變化傾向率法[6]；三是Sen斜率和Mann Kendall法。

2.1 5年滑動平均法 對4個代表站繪制時間與年降水量5年滑動平均過程線（見圖1）。從圖1可以看出：各站在不同的時段內降水變化趨勢不一，以吉龍站為例，該站在20世紀60年代初期降水量呈下降趨勢，20世紀60年代中期到20世紀70年代末呈上升趨勢，20世紀80年代先降后升，整個20世紀90年代明顯上升，新世紀前10年先下降后上升，近5年降水量先下降后企穩。

2.2 降水量變化傾向率法 為了進一步說明上砂河流域各代表站年降水量的變化趨勢，對各代表站的年降水量變化傾向率進行了統計分析，以時間t為自變量，年降水量P為應變量，建立一元回歸方程進行分析，也就是以回歸方程的斜率來表明年降水量的變化趨勢；當傾向率即方程的斜率為正值事，表明年降水量呈上升趨勢，當傾向率即方程的斜率為負值時，表明年降水量呈下降趨勢，斜率的絕對值越大，變化趨勢越明顯。計算結果如下：吉龍站y=-0.21t+2668.9，富口站y=-5.30t+12624，上砂站y=-1.89t+5725.9，新嶺站y=-1.31t+4558.5，計算結果表明上砂河流域年降水量變化傾向率在-5.30～-0.21mm，各站年降水量呈下降趨勢。

2.3 基于sen+Man-Kendall法分析

2.3.1 SEN趨勢度分析簡介 SEN趨勢度分析方法是由Sen等人1968年提出的研究長時序變化的方法（Sen，1968），計算公式如下：

[β=Median（xj-xii-i），j>i，i=1，2，3，…，N]

其中，Xj和Xi屬于待分析趨勢的時間序列的元素，依據時間順序排列。Median為中位數函數。當計算結果β大于0時表示待分析的時間序列呈現上升趨勢，當計算結果β小于0時表示待分析的時間序列呈現下降趨勢[7]。

2.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法簡介 在Mann-Kendall趨勢檢驗中，原假設H0為時間序列數據（x1，x2，……，xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1是雙邊檢驗。對于所有的i>j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的。定義檢驗統計量S：

[S=i=2nj=1i-1sign（Xi-Xj）]

其中，sign（）為符號函數。當xi和xj小于、等于或大于零時，sign（Xi-Xj）分別為-1、0或1。S為正態分布，其均值為0，

方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18。

M-K統計量公式S大于、等于、小于0時分別為：

Z=（s-1）/[（n（n-1）（2n+5）/18）] s>0

Z=0 s=0

Z=（s+1）/[（n（n-1）（2n+5）/18] s>0

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若| Z|>Z1/2，Z1/2則原假設H0是不可接受的，即在置信水平α 上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗[8]。

2.3.3 分析計算結果 運用sen+Man-Kendall法對上砂河新嶺、上砂、吉龍、富口4個代表站1959—2015年的逐年降水數據進行分析，分析結果見表6。由表6可知，上砂河流域4個代表站年降水均呈下降趨勢，但四站計均未通過0.1的顯著性檢驗，說明上砂河流域的年降水量下降趨勢并不明顯。這與降水量變化傾向率法分析所得結果是一致的。

3 結論

（1）上砂河流域各站點多年均降水量在1900～2300mm，年降水量的CV值在0.18～0.20，年降水量的極值比在2.0～2.4；各站降水量的年際變化基本接近，下游富口站大于上游各站。

（2）上砂河流域各站點年降水自1959年以來均呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

參考文獻

[1]揭西縣史志編纂委員會.揭西縣志[M].廣州：廣東人民出版社，1984.

[2]譚徐明.近500年我國特大旱災的研究[J].防災減災工程學報，2003.23（2）：77-83.

[3]丁晶，劉權授.隨機水文學[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[4]王佃來，劉文萍，黃心淵，基于Sen+Mann-Kendall的北京植被變化趨勢分析[J].自然災害學報，計算機工程與應用，2012，11.

[5]GB/T 50095-2014水文基本術語和符號標準[S].

[6]于成龍，胡海清，劉丹.近43年來小興安嶺及周邊地區的氣候變化特征[J].自然災害學報，2005，14（5）：55-60.

[7]汪攀，劉毅敏.sens斜率估計與Mann-Kendall在設備運行趨勢分析中的應用[J].武漢科技大學學報，2014，12.

[8]張盛霖，鄧高燕，黃勇奇.Mann-Kendall檢驗法在Excel中的實現與應用[J].中國科技論文在線，2014，06. （責編：張宏民）