1951-2015年許昌市降水變化特征分析

常肖杰

（河南省許昌水文水資源勘測局）

1 研究背景

許昌市位于河南省中部，地處中原腹地，屬南北氣候過渡帶，氣候復雜多變，旱澇災害頻發，旱災常年發生，已嚴重威脅到許昌市的農業生產活動。近年來許昌市被評為首批國家級水生態文明建設試點城市，水資源卻嚴重短缺，有效利用水資源是加快推進生態文明城市建設的關鍵，因此研究許昌市降水變化規律對提高許昌市水資源利用效率具有重大意義。本文收集到許昌市13 個雨量站（如圖1）1951-2015 年的降水資料，利用泰森多邊形法進行面雨量計算，得到近65 a許昌市年降水量系列值，采用.FOEBMM秩次相關檢驗法和. PSMFU連續復小波分析法對許昌市年降水量進行趨勢分析、突變分析和周期分析，以期摸清許昌市降水量年際變化規律，為許昌市合理利用水資源以及水生態文明建設提供科學依據。

圖1 許昌市位置及雨量站點分布圖

2 研究方法

2.1 面雨量計算—泰森多邊形法

文章首先采用泰森多邊形法對許昌市13個雨量站的降水資料進行處理，得到1951-2015年共65 a年降水量序列。

2.2 Mann-Kendall趨勢分析法和突變分析法

為了得到許昌市年降水量趨勢變化情況和突變檢驗情況，文章選用了.FOEBMM秩次相關檢驗法，該方法具有不需要樣本遵從特定的分布且不會受奇異值的干擾等優點，是一種能很好的應用于水文、氣象等非正態分布數據分析的非參數統計檢驗方法。其計算方法如下：令年降水序列為x（x1，x2，……，xn-1，xn），則統計量Z的計算公式為：

當|Z|≥1.96時，則表示其通過了置信水平為0.05的顯著性檢驗。

通過分析時間序列x 繪制出UF 和UB 曲線圖，若曲線UF和曲線UB 在置信度區間［-1.96，1.96］上相交，則交點對應的時刻為改時間序列的突變點。

2.3 周期分析—Morlet連續復小波分析法

在研究許昌市降水量周期性變化規律時，本文采用小波分析法，該方法被廣泛應用于揭示非穩態變量時間序列在不同尺度上的周期性特征。小波變換公式為

式（3）中：W（τ，l）為小波變換系數；f（t）為水文時間序列；φ為小波函數，φ*為φ的共軛；τ為尺度因子，反映了小波的周期長度；l為平移因子，反映了時間上的平移。

3 結果分析

3.1 年降水量基本特征

通過對許昌市1951-2015年降水系列資料分析可知，該地區多年平均降水量為690.10 mm，最大年降水量為1130.10 mm，發生在1964 年；最小年降水量為448.90 mm，發生在1968 年，年降水量極值差為681.20 mm，極值比為2.50，最大值比多年平均值大440 mm，是多年平均值的1.64倍；最小值比多年平均值小241.20 mm，是多年平均值的0.65 倍。65 a 降水資料中＞1 000 mm的年降水量共發生4次，分別發生在1964年、1984年、2000年和2003年。許昌市年降水量大于多年平均值的年份共32 a，年降水量小于多年平均值的年份共33 a，可以認為均占統計年份的50%。

統計許昌市年代際降水量基本特征值可知，1951-1960年、1961-1970 年和1981-1990 年的平均年降水量高于整個序列的多年平均值；1971-1980 年、1991-2000 年和2001-2015 年的平均年降水量低于整個序列的多年平均值；各年代降水量的極值差為254.50～681.20 mm之間，其中1961-1970年的極值差最大，為681.20 mm，1971-1980 年的極值差最小，為254.50 mm；各年代降水量極值比在1.40～2.50 之間，其中最大極值比出現在1971-1980 年代，最小極值比出現在1961-1970 年代。由此可見，20世紀60、70和90年代為多雨期，20世紀80年代、20世紀末以及21世紀以來為少雨期；20世紀70年代年降水量最不均勻，年際變化最大；20 世紀80 年代年降水量最為均勻，年際變化最小。

3.2 年降水量變化趨勢分析

依據許昌市1951-2015年共65 a的降水資料，計算降水序列5 a滑動平均值，并繪制許昌市降水量年際變化過程線，如圖1所示。由圖1可以看出，許昌市降水量年際變化不大，以平水年和枯水年為主，豐水年發生頻率小，通過矩法估計，許昌市降水量變差系數 W為0.22；5 a滑動平均過程線比較平穩，起伏較小，說明許昌市年降水量波動過程比較平穩，基本維持在多年平均值附近；通過分析降水量趨勢線發現，許昌市年降水量總體呈減少的趨勢，統計線性傾向率為-0.49，說明年降水量以4.90 mm/10 a 的速率遞減。采用.FOEBMM秩次相關檢驗法對許昌市年降水序列進行變化趨勢分析，結果表明，.FOEBMM法檢驗統計值為-0.55，未超過置信區間［-1.96，1.96］，即未通過95%的置信度檢驗，許昌市年降水量趨勢不顯著。

圖1 許昌市降水量年際變化過程線圖

3.3 年降水量變化突變分析

圖2 許昌市年降水量M-K突變分析圖

3.4 年降水量周期分析

為了摸清許昌市年降水量的周期特性，文章采用小波分析法對許昌市年降水量序列進行分析，結果如圖3 所示。從圖3（左）小波實部等值線圖可以看出，許昌市年降水量存在5-7 a、13-18 a、29-31 a 的周期震蕩，且在三個時間段上周期震蕩均比較顯著，20 世紀80 年代以前13-18 a 的周期震蕩顯著性較強，20 世紀80 年代以后5-7 a 和29-31 a 的周期震蕩更為顯著，在2015 年附近降水量增大的等值線沒有閉合，說明未來很長時期內許昌市年降水量將會呈增大的趨勢，即許昌市將進入多雨期；從圖3（右）小波方差圖上可以看出，小波方差主要峰值出現在14 和31 a 出，其中31 a 左右波動性最顯著，周期震蕩最強，為第一主周期，14 a 處的波動性稍次之，為第二主周期。

4 結論

許昌市降水量年際變化不大，變差系數 W為0.22。降水量波動過程比較平穩，總體呈減少的趨勢，年降水量以4.9 mm/10a的速率遞減。.FOEBMM法檢驗統計值為-0.55，未通過95%的置信度檢驗，許昌市年降水量趨勢不顯著。

1964年和1995年為許昌市年降水量突變點，1951-1964年降水呈波動上升趨勢，在1964 年達到最大值1130 mm，1964-1995 年降水量呈波動下降趨勢，1995-2015 年降水量呈顯著上升趨勢。

許昌市年降水量存在5-7 a、13-18 a 和29-31 a 的周期震蕩，且在2015年附近降水量增大的等值線沒有閉合，說明未來很長時期內許昌市將進入多雨期；小波方差主要峰值出現在14和31 a，其中31 a左右波動性最顯著，周期震蕩最強，為第一主周期；14 a處的波動性稍次之，為第二主周期。

圖3 許昌市年降水量周期分析圖