天津市降水量及蒸發量變化趨勢研究

(天津市水利科學研究院，天津 300061)

1 引 言

降水量和蒸發量廣泛應用于水資源合理利用和評價、農作物需水和生產管理等研究中。近幾十年來氣候發生明顯變化，降水量和蒸發量也必然會隨之發生變化。因此，利用天津市降水及蒸發長系列數據進行趨勢分析，對探討氣候變化和水循環領域若干重要科學問題具有重要意義。

2 趨勢分析方法

采用線性滑動平均法和Mann-Kendall非參數檢驗法對長序列資料進行趨勢分析。

2.1 線性滑動平均法

對序列x1，x2，…,xn的前后幾個數值取其平均，以減小數據波動，使原序列變得平滑，然后通過對新序列yt進行線性分析以判斷序列的趨勢變化，公式為：

(1)

當k=1時為3點滑動平均，當k=2時為5點滑動平均。本次分析采用5點滑動平均。

2.2 Mann-Kendall趨勢分析法

Mann-Kendall趨勢檢驗被廣泛用于測試水文資料趨勢的顯著性[1]。計算式為：

(2)

式中xk和xi——樣本值；

n——樣本長度。

當xk-xi大于、等于、小于0時，sgn(xk-xi)分別等于1、0和-1。當-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2時，接受原假設，表明樣本無顯著變化趨勢，其中±Z1-α/2是標準正態分布中顯著性水平α下的統計值。當α=0.05時，Z1-α/2=±1.96。

在M-K檢驗中，通常使用Kendall傾斜度β量化單調趨勢，計算見式(3)：

?j

(3)

式中，1≤j

當β>0時，序列為上升趨勢，反之則為下降趨勢。

3 降水量變化趨勢

降水變化主要從年、季兩個維度對降水系列進行趨勢分析。

3.1 年際特征

降水量采用天津市寧河站1964—2015年降水量月值數據進行M-K趨勢檢驗，得到傾斜度為-31.40mm/10a，統計量為-1.6492，呈減少趨勢，未達到0.05的顯著水平。年降水量及5年滑動平均過程線見圖1。

圖1 年降水量及五年滑動平均值過程線

圖1中，年降水量曲線整體呈現波動下降趨勢，多年平均降水量578.97mm。最大年降水量為966.4mm(1969年)，最小為269.6mm(1968年)，兩者相差696.8mm。1964—1981年的降水量呈緩慢下降，1981—1986年間，降水量呈上升趨勢，1986—2001年又表現出下降趨勢，2001—2013年轉而上升。

采用M-K趨勢分析法得到年降水量的UF、UB曲線，見圖2。

圖2 年降水量M-K檢驗

UF曲線僅在2002—2003年超過0.05顯著性水平的信度線，其他時間均在信度線以內，證明降水變化趨勢不明顯。

3.2 年內特征

楊艷娟等[2]利用天津氣象站1951—2008年的資料，分析了天津氣候的季節變化，天津市的四季劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。對應頻率：豐水年10%、平水年50%、偏枯年90%的代表年，繪制P-Ⅲ頻率曲線，見圖3。

由圖3可知，對應豐水年、平水年、枯水年的年降水量分別為813.6mm、548.7mm 、383.7mm。繪制各代表年的年內分配見圖4，可看出：降水量年內分配極其不均，普遍集中在6—9月份，在1—5月和10—12月降水量很少；平水年與多年平均降水量的年內分配狀況基本一致。

圖3 年降水量頻率曲線

圖4 降水量年內分配

對各季節降水量進行趨勢分析，見圖5和表1。

圖5 各季降水量變化

時段季平均值/mm占全年的比重/%傾斜度/(mm/10a)Z值春季66.6411.510.600.20夏季413.3971.40-41.81-2.55*秋季86.7514.985.591.25冬季12.192.110.000.01

注*表示達到0.05顯著性水平

分析圖5和表1得知，降水量具有明顯的季節特征，表現為：春季降水量較少，約占全年總降水量的11.51%；夏季降水量高度集中，占全年總降水量的71.40%；秋季降水量驟減，約占全年總降水量的14.98%；冬季最少，約占全年的2.11%。通過M-K趨勢檢驗發現，夏季降水呈顯著減少趨勢，傾斜度為-41.81 mm/10a，其他季節降水量變化均不明顯。

4 蒸發量變化趨勢

4.1 年際特征

蒸發量采用1960—2015年海河閘站月值數據，進行M-K趨勢檢驗，多年平均蒸發量為961.8mm，蒸發量下降速率為3.91mm/10a。作5年滑動平均過程線見圖6。

圖6 年蒸發量及5年滑動平均值過程線

由圖6知，蒸發量年際變化較大，總體呈下降趨勢，顯著減少的日照時數和風速有可能是蒸散量近幾十年呈現減少的主要原因[3]。這也與全國蒸發量平均值呈遞減的趨勢相一致。

4.2 年內特征

對1960—2015年內各季蒸發量進行趨勢分析，各季蒸發量變化圖及其趨勢檢驗結果見圖7和表2。

圖7 各季蒸發量變化

時段季平均值/mm占全年的比重/%傾斜度/(mm/10a)Z值春季307.7832.005.881.41夏季333.6534.69-3.57-1.04秋季216.2422.48-3.22-1.22冬季104.1010.820.830.76

通過對季蒸發量進行M-K趨勢檢驗，由圖7和表2知，春季和冬季的蒸發量呈上升趨勢，夏季和秋季的蒸發量呈下降趨勢，其中，春季上升速度較快為5.88mm/10a，夏季下降速率較快為-3.57 mm/10a。受溫度、風速、相對濕度、日照時數等影響，蒸發量的年內分配具有季節性，表現為各季節蒸發量均呈波動狀態，夏季多年平均蒸發量最高為333.65mm，占全年蒸發量的34.7%；其次是春季，蒸發量為307.78mm，占全年的32.0%；秋季蒸發量為216.24mm，占全年的22.5%；冬季最低為104.10mm，占全年的10.8%。

5 結 論

由于溫室效應的作用，全球氣溫普遍升高，通常認為氣溫升高，降水量及蒸發量也會增加，但通過對天津市近五十年的降水及蒸發系列進行趨勢分析，降水量及蒸發量均呈下降趨勢，主要結論如下：

a.天津市近50年來年降水量呈不顯著下降趨勢，多年平均降水量578.97mm，下降速率為-31.40mm/10a；而夏季降水量呈顯著下降趨勢，夏季多年平均降水量為413.39mm，下降速率為-41.81mm/10a。

b.年蒸發量呈不顯著下降趨勢，多年平均蒸發量961.77mm，而春季和冬季蒸發量呈不顯著上升趨勢，夏季和秋季蒸發量呈不顯著下降趨勢。季節蒸發量中夏季蒸發量最高為333.65mm，占全年蒸發量的34.7%，其次是春季，占全年蒸發量的32.0%。