魯西黃泛平原區降雨變化趨勢分析

高廣東

（聊城市水文局，山東 聊城 252000）

1 研究背景及數據來源

近年來，魯西黃泛平原區防洪抗旱形式復雜多變，根據當地雨熱同期、雨洪同步的特點，選取受人類影響較小、一致性較好的降雨資料進行特性分析，研究魯西平原區降雨變化規律，以便能夠更加精準的指導地區防洪抗旱、雨洪資源利用。采用長系列的降雨資料，能夠保證降雨特性分析結果的科學性和可靠性，根據少雨區降雨特點，選取降雨趨勢作為降雨特性研究切入點。聊城市屬于典型魯西北黃泛平原區，本文降雨資料采用聊城市水文局61年實測觀測資料，38個站點，站網密度184.8km2/站，能夠控制區域降水量空間分布，滿足降雨特性分析精度要求。降雨資料經過初作、整編、匯編，已通過區域、流域審查，資料科學、真實、可靠。

2 降雨趨勢分析

2.1 分析方法

水文序列趨勢分析常用的方法有：滑動平均法、Mann-Kendall秩次相關檢驗法、Spearman秩次相關法、線形回歸法等。本文選取前兩種方法，通過獨立分析計算，互相驗證降雨趨勢，保證了結果的可靠性。

1）Mann-Kendall秩次相關檢驗法。Mann-Kendall秩次相關檢驗法（以下簡稱M-K法），是一種非參數統計檢驗方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，可以明確突變開始的時間，并指出突變區域，適用于類型變量和順序變量。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構建一秩序列：

其中：

秩序列Sk是第i時刻數值小于j時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

其中：n為序列樣本數；當n增加時，UFk很快收斂于標準化正態分布。

給定顯著水平α（本文α=0.05）后，可在正態分布表中查得臨界值 Uα/2，當｜U｜

按時間序列逆序，再重復上述過程，定義統計量為UBk。

通過繪制出的UFk或UBk曲線分析趨勢。若UFk曲線值大于0，則表示序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當超越臨界直線時，表明上升或下降趨勢明顯。

2）滑動平均法。滑動平均法濾掉了小的波動，突出了趨勢變化，使周期更加突出，更加清楚地反映豐枯段及其演變趨勢。

一般地，設滑動計算時段的年數為m（m為奇數），則對于一個有 n年數據（i=1，2，…，n）的系列有：

式中：Xk為實測值；Xj，m為第 j個 m 年滑動平均值，j=1，2，…，n-（m-1）/2。

考慮降雨系列長度、波動過濾性，采用5a為滑動單元長度進行平均分析。

2.2 降雨系列趨勢分析

1）M-K分析法。選取聊城市1954—2014年共61年降雨系列資料，采用M-K法按照全年、1～5月、6～9月、10～12月 4個不同時段進行降雨量系列趨勢分析。取顯著水平α=0.05，查正態分布表可得臨界值為±1.96，按時間序列分析繪出UF和UB曲線，若UF曲線值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0呈下降趨勢。當UF曲線超過臨界值時表明上升或者下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為突變的時間區域。如果UF與UB兩條曲線出現交點且在臨界線之間，則交點對應的時刻即為突變開始時間，如圖1示。

圖1 1954—2014年降雨量M-K趨勢

由M-K趨勢檢驗法結果可知：聊城市多年降雨趨勢趨于減少，尤其是1967—2009年之間，但減少趨勢不顯著。由聊城時段降雨量分析知，6～9月份多年降雨呈現下降趨勢，10～12月份多年降雨呈現下降趨勢，1～5月份多年降雨呈現上升趨勢，尤其是1987—2009年之間；聊城市于1965年、2010年產生降雨趨勢突變現象，其中2010年之后降雨下降趨勢減緩，呈現逐年上升現象。

2）5a滑動法趨勢分析。采用聊城市1954—2014年共61年降雨系列資料，連續5年算術平均值，形成5a系列，利用5a系列繪制關系曲線，然后根據5a滑動平均法對降雨系列的年降雨量、季節降雨量的趨勢進行對比分析，如圖2示。

圖21954 —2014年降雨量5a滑動趨勢

由5a滑動平均法可知：聊城市多年降雨呈減少趨勢，幅度較小，聊城 6～9月份、10～12月份多年降雨量呈現下降趨勢，1～5月份多年降雨呈現上升趨勢。

3 結論

通過M-K趨勢分析和5a滑動分析，得出聊城市降雨特性有以下結論：1）聊城市多年降雨趨勢趨于減少，但趨勢不顯著；2）2010年降雨趨勢產生突變現象，降雨下降趨勢減緩，逐漸呈現上升態勢；3）綜合分析M-K突變節點、雨期規律、氣象資料，預計魯西黃泛平原區降雨將繼續1～5月份降雨出現顯著上升趨勢，這個時段降雨的增加對于以農業為主的魯西平原區農作物生長非常有利。同時這一時段短時的暴雨也會帶來災害的一面，若魯西平原區汛期在6～9月份，1～5月份之間防汛沒有做好充分準備，一旦出現短時集中暴雨，將帶來很大的災害，應注意防范。6～9月份降雨下降趨勢對于魯西黃泛平原區的防汛壓力有一定緩解，但是局部暴雨洪水發生的概率依然很大。10～12月份降雨下降趨勢對于魯西平原區秋種工作有一定影響，應在水源調配及科學調度上做好工作。