延安市45年降水变化趋势及突变特征分析

延安市45年降水变化趋势及突变特征分析马荣【摘要】根据延安市1971－2015年的降水观测资料，采用线性倾向估计法、累积距平法、滑动t检验法、Mann－Kendall突变检验法，分析该地区45年来的降水变化趋势及突变特性。

结果表明：（1）降水量年际变化整体呈现下降趋势，降水较多年份主要集中在20世纪70年代－90年代初。

（2）年内降水主要集中在6－9月份，月降水最大值出现在7月，最小值出现在1月。

（3）春、夏、秋、冬季降水量分别占全年降水量的17％、57％、24％、2％。

（4）春季、秋季、冬季降水时间序列均发生了突变：春季是2000年，为降水减少突变点；秋季是2000年，为降水增加突变点；冬季是1976年，为降水减少突变点。

%According to Yan′an city rainfall observation data from 1971 to 2015,precipitation change trend in 45 years in the region and mutation features was analyzed using the linear trend estimation method,the cumulative de-parture method,moving t-test and Mann-Kendall mutation test.The results showed that:(1 )the annual precipi-tation had great variation and showed obvious decreasing trend,and more precipitation year mainly concentrated in the 1970s-1990s;(2)monthly precipitation mainly concentrated in six to nine months in a year;the maximum precipitation was in July,the minimum value in January;(3 )the precipitation in spring,summer,autumn and winter accounted for the total rainfall of 17%,57%,24%,57%,respectively;(4)the precipitation time series of spring, autumn and winter are mutated:spring was in 2000 for the precipitationdecrease change point;autumn was in 2000 for precipitation increase point;winter was in 1976 for precipitation decrease mutations.【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】5页(P95-99)【关键词】延安市;降水特征;趋势分析;突变分析【作者】马荣【作者单位】陕西省延安水文水资源勘测局，陕西延安 716000【正文语种】中文【中图分类】TV125地表径流的产生是由于降水引起，所以降水是影响水资源变化的重要因素[1]。

气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象，发生极端天气情况会对人类社会和自然生态系统造成危害[2]。

近年来，国内学者对降水演化规律展开深入研究，主要集中于时间序列趋势分析法：线性倾向估计法[3]、累积距平法[4]、Mann-Kendall法[5]、滑动t检验[6]。

李腹广等[7]采用Mann-Kendll突变检验法对贵州西南部地区1982-2011年降水序列进行分析，发现该地区降水量整体呈现减少趋势，比较明显的突变点是1989年；刘聚涛[8]等采用一元线性回归、累积距平、Mann-Kendll法对抚河流域近30年逐月降水系列值进行分析，确定季节性和年均降水突变发生在20世纪80年代后期及90年代后期。

延安地处于我国西部地区，水资源较为匮乏，气候变化所引起的水资源、生态安全问题都将制约该地区的经济社会发展，因此开展地区气候变化研究具有重要的现实意义。

本次研究主要采用线性倾向估计法、累积距平法、滑动t检验法、Mann-Kendall法对延安市区45年(1971-2015)的降水变化趋势及突变特征进行分析、规律总结，以期为政府决策提供科学依据，为区域社会经济可持续发展提供有利支持。

1.1 研究区概况与数据来源延安市位于陕西省北部，地处陕北黄土高原丘陵沟壑区，属于高原大陆性季风气候[9]。

春季气温快升多变；夏季温热，雨量集中；秋季气温速降，多雾，常有阴雨天气；冬季寒冷干燥，雨量较少。

年均气温10.2℃，年均降水量520 mm。

资料来自于延安水文水资源勘测局提供降水数据资料，经过严格的检查与质量控制，可信度较高。

选用枣园水文站1971-2015年逐月降水资料，主要分为春、夏、秋、冬及年均5个部分来分析降水量趋势变化及突变分析。

1.2 研究方法(1)线性倾向估计法用xi表示样本总数为n的某一实测变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi和ti 之间的一元线性回归方程：。

式中：a为回归常数，b为回归系数。

b值的正负代表样本x的趋势倾向，b>0时，说明x随时间t的增加呈上升趋势，反之亦然；b值的大小反映出样本的变化速率，即表示了趋势的倾向程度。

(2)累积距平法累计距平法是一种由曲线直观判断变化趋势的方法。

对于长序列x中某一时刻t的累积距平值计算方法如下：；。

累计距平值曲线呈上升趋势，表示距平值增加，反之减少。

从曲线明显的升降走向，可以判断出演变趋势及持续性变化的显著与否。

(3)滑动t检验法滑动t检验是用来检验两个随机样本平均值之间的显著性差异。

将一系列连续的随机变量x分成两个子样本集x1和和ni分别表示xi的平均值、方差和样本长度。

假设：H：μ1-μ2=0，则可定义统计量t0：。

式中，为σ2的无偏估计，服从t0～t(n1+n2-2)分布。

给出信度a，可得到临界值ta，当丨t0丨≥ta时，否定原假设H0，表明二者存在显著性差异；当丨t0丨<ta时，则接受原假设H0。

(4)Mann-Kendall法Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(简称“M-K法”)被广泛应用于评估水文、气象要素时间序列趋势分析和突变识别，特点是不受少数异常值干扰，不需要遵从一定的分布，定量化程度高、人为性少。

分析方法具体表述为：对于具有n个样本的时间序列x，构造出—秩序列：。

其中，若xi大于xj，(j=1，2，3，…，i)则ri=1，否则ri=0。

可见，秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数、在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：。

其中UF1=0，E(Sk)，Var(Sk)是累计Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互独立，具有相同连续分布时，他们可由下式得出：；。

UFi为标准正态分布，它是按时间系列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α(本次分析采取α=0.05，临界值Uα=±1.96)，若UFi大于Uα，则表明序列存在明显的趋势变化。

按时间序列x逆序xn，xn-1， (x1)重复上述过程，同时使UBk=-UFk，k=n，n-1，…1，UB=0。

2.1 降水趋势变化由图1可知，近45年延安市的年降水量呈现下降趋势，变化倾向率为-27.087 mm/(10a)。

2013年降水量最高，达到901.2 mm；1997年降水量最少，为303.8 mm；多年平均降水量为537 mm。

春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-次年2月)降水量分别占全年降水量的17%、57%、24%、2%。

如图2所示，延安地区降水主要集中在夏季，其中6-9月的降水量之和占全年降水量的71%；月降水量最大值发生在7月，最小值发生在1月，极值比为33.7。

2.2 累积距平法利用累积距平法对延安市1971-2015年春、夏、秋、冬四季和年均降水量在时间序列上进行突变性探讨分析，计算结果如图3所示。

由图3可知，春季降水在20世纪70年代至90年代中期呈现上升趋势，20世纪90年代中期至2015年处于下降趋势。

突变出现在1994、2000年。

夏季降水从20世纪70年代至90年代中期呈现显著性增长趋势，进入90年代后期呈现显著性下降趋势，至21世纪10年代初有所回升。

突变出现在1996年、2012年。

秋季降水趋势与春季降水趋势正好相反，在20世纪70年代至90年代末期呈现下降趋势，20世纪00年代至2015年处于上升趋势。

突变出现在1999年。

冬季降水趋势呈现多次波动，20世纪70年代降水量呈现上升趋势，80年代降水量呈现下降趋势，90年代至20世纪00年代中期呈现先上升后缓慢下降趋势，20世纪00年代中期至2015先上升后下降趋势。

突变出现在1976年、1988年、1999年、2005年。

年均降水趋势在70年代初期呈现下降趋势，70年代中期至90年代中期呈现显著性上升趋势，90年代中期至21世纪10年代初期呈现显著性下降趋势。

突变出现在1974年、1994年、2012年。

2.3 滑动t检验考虑均值突变能较好的反映气候基本情况的变化，利用滑动t检验法对延安市春季、夏季、秋季、冬季以及年均降水量时间序列进行突变分析。

分别取步长n1=n2=5，n1=n2=10，信度选取α=0.01，查表得出自由度n1+n2-2时显著性水平tα值依次是3.36、2.88。

如果|ti|≥tα，则可认为正在第i年前后n年两段时间可能会有突变。

延安市1971-2015年降水量滑动t检验统计量曲线如图4、图5所示。

由图4可知秋季降水量时间序列在1995年(|tα|=3.41)发生减少突变。

其他季节的降水量时间序列没有通过信度为0.01的检验，无明显突变点。

由图5可知，秋季降水量时间序列在2000年(|tα|=2.89)发生增加突变，其他季节降水量时间序列没有通过信度为0.01的检验，无明显突变点。

2.4 M-K检验采用Mann-Kendall检验对延安市春季、夏季、秋季、冬季以及年均降水量时间序列进行突变检验。

统计量曲线见图6、图7所示。

由图6可以看出：(1)春季：UF曲线呈现整体大于0，表明降水量整体呈现上升趋势，同时分别在1978年、1991-1994年范围内超过α=0.05显著水平线，表明呈现显著的上升趋势。