皖北地區近60年降水量變化趨勢分析

汪亞騰

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234001）

1 研究區域概況

安徽省淮河以北地區包括蚌埠、阜陽、亳州、宿州、淮北等地市，區域面積約36660km2，本區域基本上為平原，只有宿州北部少部分山區。該區域多年平均降水量在750～950mm，自南向北遞減。降雨量年內分配不均，汛期5—9月降雨量占全年降雨量的60%～70%。多年平均徑流深75～220mm，北部蕭縣、碭山和亳州在70～80mm，南部沿淮200～220mm，徑流量年內分配不均，其中汛期5—9月徑流量占全年徑流量70%～85%。近年來，隨著區域經濟快速發展，用水需求不斷增加，對水資源優化配置提出了更高的要求。本文擬用Mann_Kendall檢驗方法對該地區降水變化趨勢進行分析，以期為該區域水資源優化和管理提供參考依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選取安徽省淮河以北地區28 處雨量站點1956—2016年逐月降水量數據，根據該區域氣候特征，將全年劃分為1—4月，5—9月（汛期），10—12月三段分別統計降水量進行分析。

2.2 分析方法

Mann_Kendall 檢驗方法是一種非參數統計檢驗方法，變量可以不具有正態分布特征，也不受少數異常值的干擾，廣泛應用于降水、徑流等水文變量的趨勢檢驗分析。

2.2.1 Mann_Kendall 趨勢檢驗

假定X1，X2，X3，…Xn為時間序列變量，定義統計量S：

表1 皖北地區28 處雨量站趨勢檢驗結果統計表

式中：sign( )為符號函數，當(xj-xi)小于、等于或大于零時，sign(xj-xi)分別取-1、0、+1。S 為正態分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。標準正態統計變量表示為：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，如|Z|≥Z1-α/2，則原假設不可接受，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 為正值表示上升趨勢，負值表示減少趨勢。Z 的絕對值在大于等于1.64、1.96、2.58 時表示分別通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

2.2.2 非參數Mann_Kendall 突變檢驗

X1，X2，…Xn為時間序列變量，ri表示第i個樣本xi＞xj的累計數（其中1 ≤j ≤i）。

構造統計量Sk：

將統計量Sk標準化為：

式中：E(Sk)為均值，Var(Sk)為方差。

在給定的置信水平α 情況下，如UFk＞Uα/2或UFk＜-Uα/2時，表明時間序列具有明顯的上升或下降趨勢。繪制UFk曲線。

將時間序列X 按逆序排列，上述過程重新計算，得到第二條曲線UBFk。兩條曲線繪制在同一坐標平面內，如果兩條曲線出現交點，且在臨界線之間，對應的時間即為突變開始的時間。

表2 皖北地區6 處雨量代表站趨勢檢驗結果表

圖1年平均降水量趨勢分布圖

圖2 1—4月降水量趨勢分布圖

圖3 5—9月降水量趨勢分布圖

圖4 10—12月降水量趨勢分布圖

3 結果分析

3.1 趨勢檢驗結果

對28 處雨量站1956—2016年雨量資料按照1—4月、5—9月、10—12月、年降水量進行逐年統計，按照上述的Mann_Kendall 趨勢檢驗方法進行計算，結果見表1、表2，圖1～圖4。

由表1 可知，安徽省淮河以北28 處雨量站，按照年降水量進行分析，其中14 處有下降趨勢，2 處下降趨勢明顯，14 處有上升趨勢。

1—4月降水量：28 處有下降趨勢， 6 處下降趨勢顯著；無1 處有上升趨勢。

5—9月降水量：11 處有下降趨勢；17 處有上升趨勢。

10—12月降水量：5 處有下降趨勢，23 處有上升趨勢。

圖5 徐樓站年平均降水量圖

圖6 徐樓站5—9月降水量圖

圖7 蒙城站年平均降水量圖

圖8 蒙城站5—9月降水量圖

圖9 徐樓站年降水量5年滑動平均過程線圖

圖10 蒙城站年降水量5年滑動平均過程線圖

綜合表明，淮河以北年降水量總體平穩，無明顯上升和下降趨勢；分時段看，1—4月下降趨勢明顯，汛期5—9月，10—12月有上升趨勢。

由表2 可知，年降水量檢驗統計量Z 負值最 小-1.861，濉溪站，1—4月、5—9月 分 別為-2.67、-1.942，均為負值，下降趨勢顯著。徐樓、碭山、蕭縣三站情況類似，全年、1—4月、5—9月均為負值，下降趨勢明顯。

由圖1 可知，年降水量變化趨勢分布，沿淮河以北蒙城、固鎮、五河一帶為增加趨勢，淮北地區亳州、宿州、淮北、蕭縣、碭山為下降趨勢，蕭縣、濉溪下降趨勢明顯。

由圖2 可知，統計量均為負值，說明整個區域1—4月份降水量均呈下降趨勢，其中濉溪、宿州下降趨勢顯著。

由圖3 可知，與年降水量變化趨勢分布基本一致，宿州、淮北、蕭縣、碭山呈下降趨勢，沿淮淮北呈上升趨勢。

由圖4 可知，整個區域呈微弱上升趨勢。

3.2 降水量突變分析

依據Mann_Kendall 突變檢驗方法繪制UFk和UBFk曲線，見圖5～圖8。由圖5、圖6 可知，全年降水量圖UFk（實線）1962—1966年大于0，其他年份均小于0，說明下降趨勢明顯；兩條線在1968年和2010年呈現交點，說明自1968年和2010年以后，徐樓站年雨量呈顯著下降趨勢。5—9月降水量，1966年以后整體呈下降趨勢，兩曲線交點在1966年，說明1966年以后5—9月份降水量下降趨勢顯著。

由圖7、圖8 可知，全年降水量圖UFk（實線）2000年為分界線，之前基本在0 值以下，2000年以后在0 值以上，且上升趨勢明顯。兩條線在2001年呈現交點，說明自2001年以后，蒙城站呈顯著上升趨勢。蒙城站5—9月曲線與全年趨勢基本一致，說明該站年雨量上升趨勢，主要是汛期雨量上升趨勢形成。

由圖9、圖10 可以看出，徐樓站在1966年和2010年以后呈明顯下降趨勢；蒙城站在2001年以后上升趨勢明顯。

4 結語

利用Mann_Kendall 檢驗分析方法，對安徽省淮北地區資料進行趨勢和突變分析，結果表明：

1—4月降水量，該區域均呈現下降趨勢，皖北的蕭縣、碭山、濉溪、宿州下降趨勢比沿淮顯著。

汛期5—9月降水量，11 處呈下降趨勢， 17 處呈上升趨勢。下降趨勢，主要分布在北部的宿州、濉溪、蕭縣、碭山；上升趨勢，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固鎮、五河一帶。

10—12月降水量，5 處呈下降趨勢， 23 處呈上升趨勢。該區域均呈現上升趨勢，但趨勢不明顯。

28 處雨量站點全年平均降水量， 14 處雨量站點年降水量呈下降趨勢，主要分布在北部的宿州、濉溪、蕭縣、碭山；14 處呈上升趨勢，主要分布在沿淮淮北的蒙城、固鎮、五河一帶■