安塞城區延河40年降水特征統計分析

任家偉，馬 榮，劉敏娜

（西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100）

0 引言

延河,全長286.9km,流域面積7725 km2,年平均徑流總量2.94億m3,平均比降3.3‰。安塞城區境內河長90 km,流域面積2649 km2,占總流域面積的34.29%,流速0.8 m/s,河谷由窄深逐漸變為寬淺,呈V型窄谷,屬典型的黃土高原丘陵溝壑區。氣候突變是普遍存在于氣候系統中的一個重要現象,發生極端天氣情況會對人類社會和自然生態系統造成危害[1]因此生態安全問題都將制約該地區的經濟社會發展,所以開展地區氣候變化研究具有重要的現實意義。本次研究主要采用統計學原理,分析安塞城區降水量的各項特征值,尋找其變化規律,通過用差異系數法、皮爾遜相關性分析法、累計距平法分別對安塞城區40年（1982～2021）的降水變化趨勢及突變特征進行分析、以便更好地為當地國民經濟建設、防汛抗旱、農業生產等做好服務,為區域社會經濟可持續發展提供有利支持。

1 降水趨勢變化特征分析

1.1 研究區概況與數據來源

資料經過嚴格的檢查與質量控制,選用安塞水文站1982年～2021年逐月降水資料,主要分為春、夏、秋、冬四季平均降雨量及年均降雨量5個部分來分析降水量趨勢變化。

1.2 對降水量的月、季、年特征分析

標準差也為均方差,其反應某一要素的離散程度[2],差異系數（CV）是一種反應相對離散程度的系數,是相對差異量數中的一種測度,又名“變異系數”。對安塞城區各月、各年降水量的最大值、最小值、平均值、標準差及差異系數等特征量進行統計分析得出,安塞城區年平均降水量為521.0 mm,年際降水量變化小,年標準差為163.7 mm,其最大值為2013年降水量801.0 mm,比其平均值偏多53.7%；最小值為1997年降水量270.3 mm,比起平均值偏少48.1%。年內各月降水量呈單峰型,主峰在8月,最低為12月份。差異性系數8月份最大,7月與6月次之,即夏季差異性系數最大。差異性系數最低的為12月份,其次為1月與2月份,即冬季差異性系數最小,這說明了相對離散程度夏季比冬季大得多,干濕變化更明顯。

由圖1可知,近40年安塞城區的年降水量呈現平穩趨勢。2013年降水量最高,達到801.0 mm；1997年降水量最少,為270.3 mm；多年平均降水量為521 mm。春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）、冬季（12月～翌年2月）降水量分別占全年降水量的15%、53%、22%、10%。由圖2可知,安塞城區降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般發生在夏季月份,最小值一般發生在冬季月份。

圖1 安塞城區1982年～2021年年均降水量變化趨勢

圖2 安塞城區1982年～2021年平均逐月降水量

1.3 皮爾遜相關系數分析法

在統計學中,皮爾遜相關系數（Pearson correlation coefficient）,又稱皮爾遜積矩相關系數（Pearson productmoment correlation coefficient,簡稱PPMCC或PCCs）,是用于度量兩個變量X和Y之間的相關（線性相關）,其值介于-1與1之間。

利用統計學分析軟件spss27.0對安塞城區近40年的年均降雨量、春夏秋冬各季降雨量進行分析,了解其相關性和是否具有顯著性關系。

由表1可以看出年平均降雨量和夏季平均降雨量皮爾遜相關性為0.697,顯著性檢驗＜0.01,得出兩者之間為極顯著相關,因此夏季的降雨量對全年的平均降雨量影響極大。春秋二季平均降雨量雖相關性顯著,但是相關系數并不大,并不能說明春秋二季平均降雨量對年降雨量的影響力有多大,冬季降雨量與年平均降雨量沒有通過相關性檢驗,說明冬季的平均降雨量基本對全年的降雨量造成不了影響。

表1 安塞城區近40年年平均降雨量與春夏秋冬平均降雨量相關性統計

1.4 累積距平法

累計距平法是一種由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。即距平值的累加, 距平氣候要素值與多年平均值的偏差。利用累積距平法對安塞城區1982年～2021年春、夏、秋、冬四季和年均降水量在時間序列上進行探討分析。

安塞城區年降水量累積距平曲線見圖3和圖4,發現安塞城區40年降水量的變化規律：年降水量比上一年增加（減小）的情況交替出現,旱澇交錯,變化劇烈。

圖3 安塞城區1982年～2021年各季節累積距平曲線

圖4 安塞城區1982年～2021年年降水量累積距平曲線圖

由圖3可知,春季降水在20世紀80年代至2021年總體呈現交替趨勢。突變出現在1997年、2003年、2021年。

夏季降水從20世紀80年代至20世紀90年代中期呈現增長趨勢,進入90年代后期呈現交替變換趨勢。突變出現在1983年、1984年、2008年、2009年、2015年。

秋季降水在20世紀80年代至20世紀90年代總體呈增長趨勢,20世紀呈現多次波動,突變出現在2006年、2007年、2021年。

冬季降水趨勢呈現多次波動,20世紀80年代至20世紀00年代中期呈現交替趨勢,20世紀00年代中期至2021呈波動趨勢。突變出現在1998年、1999年。

年均降水趨勢在20世紀80年代至90年代呈現穩定趨勢,20世紀90年代中期呈現顯著性波動。突變出現在1997年、1998年、2013年。

對年降水量累進平均值變化分析,降水量的累進平均值變化過程可以反映不同樣本降水量均值的變化過程：過程線是否趨向于穩定,在一點程度上可反映不同長度系列的代表性和穩定性。但因旱、澇、正常時期前后組合不同,所以曲線形態各異,只有在系列相當長時才不會受豐枯期次序的影響而趨于穩定。在40年降水數據的基礎上,圖1安塞城區年降水量均值變化圖,反映了不同樣本降水量系列值的變化過程。通過圖1可看出,在時間序列上安塞城區的年降水量平均值隨著時間越長、其曲線的變化幅度也越小,但還有上下波動說明其年降水量的狀態不是很穩定。

2 結果與討論

（1）安塞城區降水的季節變化為典型的單峰型；多年平均降水量521 mm,降水主要集中在夏季,月降水量最大值一般發生在夏季月份,最小值一般發生在冬季月份。春夏秋冬降雨量分別占全年的15%、53%、22%、10%。夏季的差異系數最大,冬季差異系數最小。

（2）安塞城區1982年～2021年平均降雨量和夏季平均降雨量皮爾遜相關性為0.695,顯著性檢驗＜0.01,兩者之間為極顯著相關,說明夏季的降雨量對全年的平均降雨量影響極大。春秋二季平均降雨量雖相關性顯著,但系數較小,且在實際的防汛工作中,安塞城區一般不在春秋二季防汛,可以得出春秋季節雨量較多,但強度偏低。冬季降雨量與年平均降雨量沒有通過相關性檢驗,說明冬季的平均降雨量基本對全年的降雨量造成不了影響。

（3）比較差異系數法與皮爾遜相關性分析法檢測安塞城區1982年～2021年年平均降雨量和各季降雨量得出的結論,發現兩者結論具有高度的相似性,即夏季降水強度大且其降雨量對全年降雨量影響巨大,冬季降水強度小且其降雨量基本對全年降雨量沒有影響,建議安塞城區各級防汛部門需重點防范在夏季的洪澇災害,同時也要防范冬季出現的不同程度的干旱。

（4）安塞城區1982年～2021年春季、夏季、秋季、冬季降水時間序列均發生了突變。春季是1997年,為降水增加突變點；秋季是2006年,為降水增加突變點；夏季是1983 年,為降水減少突變點；冬季是1999年,為降水減少突變點。總體來說突變點數較少,各季降雨量量呈波動趨勢。

（5）從安塞城區年降水量累積距平曲線可以得出安塞城區近40年安塞城區的年降水量整體呈現波動趨勢,年降水量比上一年增加（減小）的情況交替出現,但整體變化幅度不大,在時間序列上安塞城區的年降水量平均值隨著時間越長,其曲線的變化幅度越小,結論可為各級防汛部門防汛減災工作提供參考。