龍口市近40年降水變化及其成因分析

趙燕+張念鵬+林東瑛+楊洪鑒

摘要：為了解龍口市的水資源變化特征，給龍口市的水資源調配和開發利用以及水利工程的效益發揮提供一定的科學依據，利用龍口市觀測站近40年的年降水量，采用線性回歸、累積距平法和5年滑動平均法分別進行了傾向性和階段性趨勢分析。結果表明：龍口市的全年降水貢獻主要來自于夏季，夏、秋季節降水多，春、冬季節降水少，歷年平均降水量總體呈減少趨勢，氣候傾向率為-11.765 mm/10年，大致與全國降水減少趨勢吻合。

關鍵詞：降水量；線性回歸；滑動平均；累積距平

中圖分類號：P426.6

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0184-04

1 引言

相對于全球性的持續變暖趨勢，全球的年平均降水量也有所增加，這種增加也體現在極端降水事件上[1，2]。由于降水量變化格局及其區域分異存在較大的不確定性，分區域研究降水量的變化特征是當前全球氣候變化研究的重要內容之一[3]。龍口市近兩年的降水偏少，致使龍口市當前旱情特別嚴重，城市的工業供水、農村飲用水的安全都將受到威脅，農業灌溉用水將會匱缺，農業生產也將受到嚴重影響，山區作物和果樹面臨減產甚至絕產的風險，部分面臨缺水死亡的困境。通過對龍口市的降水量變化的探討，分析其階段性變化趨勢及成因，能更好的了解龍口市的水資源變化的特征，為龍口市的水資源調配和開發利用及水利工程的效益發揮提供一定的理論依據，對指導當地的農業生產、社會發展和保護生態環境具有重要的意義。

2 研究區域概況

龍口市屬溫帶季風型氣候，四季分明，氣候宜人，年均氣溫11.6℃，冬天不低于-10℃，夏天也不超過40℃，根據6月份氣象數據顯示已有超過35℃；年均降水量630 mm，年內降水量分布不均，無霜期190多d。

龍口市地貌形態可分為山地、丘陵、平原三種類型：境內東南部為低山區，面積計155.62 km²，占全市總面積的17.47%；丘陵主要分布在南部低山北緣，屬構造侵蝕和構造剝蝕類型，面積281.12 km²，占全市總面積的31.56%；平原根據成因及地貌特點，可分為山間河谷沖積平原、山前沖積平原和濱海堆積平原三種類型，總面積為454.03 km²，占全市總面積的50.97%。

龍口市與鄰縣、市多以山的分水嶺為界，故境內河流皆源于東、南部山區，曲折西北行，共有大小23條河流，主要河流有黃水河、泳汶河、南欒河、龍口河、北馬河、八里沙河，均為季節性河流。除黃水河、八里沙河外，其余河流皆為境內河流，屬季風雨源型。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

采用龍口市觀測站1969～2008年的逐日降水統計數據，計算出月降水量和年降水量，對龍口市近40年降水變化進行分析。

3.2 研究方法

3.2.1 線性回歸及曲線擬合法

回歸分析中，包括一個自變量和一個因變量，且二者之間的關系可用一條直線近似的表示，這種分析稱為一元線性回歸分析。如果回歸分析之中包括兩個或兩個以上自變量，且因變量和自變量之間的關系是線性的，則稱為多元線性回歸分析，線性回歸是回歸分析中第一種經過嚴格研究并在實際應用中廣泛使用的類型，這是因為線性依賴于其未知參數的模型比非線性依賴于其位置參數的模型更容易擬合，而且產生的估計的統計特性也更容易確定[4]。

采用線性回歸方法分析龍口市近40年降水的年、季變化特征，為龍口市氣候變化的預測和預報提供理論依據。降水的年和季變化特征采用一元線性回歸方法和累積距平法，一元線性回歸方程為：

b>0表示呈上升趨勢，b<0表示呈下降趨勢。曲線擬合基于最小二乘法原理，進行六階多項式擬合，通過最小化誤差的平方尋找數據的最佳函數匹配實現擬合曲線的目的擬合曲線的殘差越大，表示資料變化愈不穩定，變幅愈大[5]。

3.2.2 累積距平法

距平值在氣象上，通常是用來表示某個時段或時次的數據，相對于該數據在某個時段內的平均值是高還是低。累計距平法就是先計算每年的距平值，然后按年序累加，得到累積距平序列。根據距平值有正有負的特點，當距平累積持續增大時，表明該時段內降水量距平持續為正，當距平累積持續不變時，表明該時段內距平持續為零即保持平均，當距平累積持續減小時，表明該時段內降水量距平持續為負，據此，可以直觀地分析降水量年際變化階段[6]。

4 結果與分析

4.1 年內降水變化特征分析

龍口市屬溫帶季風型氣候，四季分明，通過對龍口市近40年降水量數據進行處理，得到40年月均降水量年內分布圖（圖1），可以看出龍口市降水年內分布不均，年內降水程單峰型特征：3～6月份降水量逐月增加，7月份降水明顯突增，8月份開始稍減，9月份銳減，一直到1月份進入冬季，降水量減少到最少。年降水量的貢獻主要來自5～9月份，占多年平均降水量的77.61%。從季節來看，冬季（12～2月）降水量最少，僅占全年降水量的3.9 2%，春季（3～5月）和秋季（9～11月）降水稍多，分別占全年降水量的14.42%和18.07%，而夏季（6～8月）降水量最多，占全年降水的63.59%。

4.2 年際降水變化特征分析

圖2是近40年龍口市降水量隨時間的變化曲線，根據計算得出，近40年年均降水量為6080 mm，最大降水量出現在2001年，降水量為7931 mm，其中1970，1971，1976，1978，1980，1985，1996，2007年，這些年份降水量均超過7000 mm。最小降水量出現在1991年，另外還有1999年降水量低于4000 mm。本文對降水量系列資料做線性回歸及曲線擬合分析和5年滑動平均分析。根據線性回歸分析可以看出，近40年來龍口市降水量整體呈現減少趨勢，平均變化率為-11.765mm/a，相關系數R2=0.012，其曲線擬合方程為：

可見龍口市近40年出現一個降水偏多的時期和一個降水偏少的時期，1971～1973年降水偏多，1982～1985年降水偏少。從5年滑動平均可以看出，龍口市的年降水量從20世紀70年代到90年代初期呈波動下降趨勢，從90年代初期至今呈不規則變動，總趨勢是增加→減少→增加，可以看出龍口市近40年降水量呈不規則變動，降水量最少的時段出現在90年代初期。

僅僅根據各年降水量的多少很難清晰的反應龍口市的降水年紀變化是相對穩定還是變化明顯，為此，引入降水變率即累積降水距平百分率來更準確地反映近 40年龍口市降水量的年際變化特征。降水變率是指一段時期內各年降水量的距平數與多年平均降水量的百分比，用公式表為：v=Q/P。式中V表示降水變率；Q表示各年降水量的距平數， 即為當年降水量與多年平均降 水量之差；P表示多年平均降水量。降水變率的大小反映降水的穩定性和可靠性，這是衡量水資源利用價值的一個重要指標，對農業生產、水土保持、自然災害防治都有很重要的指導意義[7]。

對40年降水資料進行距平百分率分析（圖3），分析表明，多年平均降水量偏多的有13年，偏少的也有15年，13年為正常年，分別占總年數的32.5%，37.5%和30%。其中降水量偏少30%的異常有6年，降水量偏少20%以上的有11年，其中80年代4年，90年代2年。80、90年代降水量偏少的年份增加，分別為7年和6年，其中1988、1989年降水連續偏少30%以上，降水量偏多30%以上的有1年，偏多20%以上的有7年，其中70年代3年，80年代1年，90年代2年，21世紀初1年。總體上看1969～2008年低于平均降水量的有23年，高于平均降水量的有17年，豐枯年代變化給龍口水資源的優化利用、水利工程的效益發揮及水質污染等的水環境變化都會帶來較大影響。

4.3 降水的季節變化特征分析

根據1969～2008龍口市降水量的春季變化圖可以看出（圖4），近40年龍口市春季降水量整體上呈緩慢增加趨勢，氣候傾向率為3.97 mm/10年。春季降水量的最大值出現在1973年，降水量為1836 mm；降水量的最小值出現在1992年，降水量為287 mm；春季平均降水量為877.025 mm。春季各年降水量的波動性較大，除1996～2001年的降水相對較少外，其他的時段內均呈顯著性波動狀態。

從圖5可見，近40年龍口市夏季平均降水量總體呈緩慢下降趨勢，氣候傾向率為-14.648 mm/10年。夏季降水量最大值出現在2001年，降水量為5988 mm；降水量最小值出現在1991年，降水量為1458 mm；夏季平均降水量為677.325 mm。 與年均降水量類似，20世紀70年代中期～90年代初期降水的變化波動較大。2003～2008年降水變化波動較小。

由圖6可以看出，近40年龍口市秋季降水量總體上呈明顯下降趨勢， 氣候傾向率為-9.22 mm/10年。秋季降水量最大值出現在1992年，降水量為2008 mm；降水量最小值出現在2006年，降水量為322 mm；秋季平均降水量為1098.85 mm。秋季各年降水量波動性較大，1971～1977年降水相對較多，1981～1991、1993～1999年降水較少，降水變化呈“多→少→多→少”趨勢。

從圖7可見，近40年龍口市冬季平均降水量總體呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為6.59mm/10a。冬季降水量最大值為811mm，出現在1997年；降水量最小值出現在1970年，降水量為2mm；冬季平均降水量為238.25mm。1969-1978年降水較少，其他時段均呈顯著性波動狀態。

4.4 成因分析

龍口市位于華北地區，屬于溫帶季風性氣候，同時受海洋和大陸的共同影響，同時，龍口市年降水量的貢獻大部分來自于夏季，所以，當夏季風強的時候很大幾率導致年降水量偏多，反之，當夏季風偏弱的時候則會導致年降水量偏少。從以上降水特征分析發現，如果夏季降水豐沛，則全年降水偏多的概率達到76.2%，僅有23.8%的年份是由于春、冬季降水較少的原因導致年降水偏少的情況；反之如果夏、秋季干旱，則全年降水偏少的概率達到94.7%，僅有5.3%的年份是由于春、冬季降水偏多，導致年降水偏多的情況。

同時，厄爾尼諾現象對降水的影響也很顯著，近幾年厄爾尼諾現象頻繁，從以上季節分析中可以看出，2005年以后，厄爾尼諾現象明顯，厄爾尼諾現象發生時，春季降水偏多，夏季和秋季降水顯著減少，冬季不顯著，發生厄爾尼諾的次年降水量偏多[8]。

人類活動對降水也有著重要的影響，隨著經濟的不斷發展，人類對自然地改造越來越嚴重，植被面積大量減少以及河流河床、湖泊蓄水的銳減使得地面蒸發量減少，從而影響降水量的變化，這也與近40年龍口市降水量整體呈下降的趨勢相符。

另外整個華北地區的城市化對龍口市的降水變化也有著一定的影響，隨著人口的增加，社會環境發生了很大的變化，尤其是近幾十年，城市化的進程迅速，城區面積加大，交通發達，建筑物鱗次櫛比，道路縱橫交錯，使原有的下墊面條件發生了變化，城區及其附近地區也是高強度的經濟中心，人口密集，要消耗大量的能源，造成大氣污染，排放“人為熱”，使城區增加許多額外熱量，這些熱量的排放對降水有著顯著的影響[9]。

5 結論

利用龍口市觀測站近40年的年降水量數據，采用線性回歸、累積距平法和5年滑動平均法分別進行傾向性和階段性趨勢分析，得出以下結論：①龍口市降水年內分布不均，年內降水程單峰型特征，6月起降水明顯增多，7、8月為峰值期，峰值出現在7月，而8月降水量略有回落，8月以后降水迅速減少。夏季（6～8月）平均降水量占全年的63%，說明龍口市夏季降水量的多少對水資源起著重要作用。②龍口市歷年平均降水量總體呈下降趨勢氣候傾向率為-11.765 mm/10年大致與華北地區降水減少趨勢吻合。相關系數R2=0.012，影響降水變化的因素有很多，自然和人類活動都會影響降水的變化，因此龍口市降水量變化還存在一定的隨機性。③龍口市春、冬季平均降水量總體上呈上升趨勢，氣候傾向率分別為3.97 mm/10年和6.59 mm/10年。夏、秋季平均降水量總體呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-14.65 mm/10年和-9.22 mm/10年。龍口市的降水量主要有夏季降水量多少決定。④龍口市降水年內分配不均主要是由于龍口市氣候類型決定，龍口市屬溫帶季風性氣候，四季分明，夏、秋降水偏多，春、冬降水偏少。同時季風也影響著全年降水量的變化，當夏季風強的時候很大幾率導致年降水量偏多，反之，當夏季風偏弱的時候則會導致年降水量偏少。另外厄爾尼諾現象、人類活動，以及整個華北地區的城市化發展都可對龍口市降水變化產生不同程度的影響。

參考文獻：

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