皖北平原近56年来降水时间分异规律研究

苏海民，何爱霞，袁新田

(宿州学院环境与测绘工程学院,安徽 宿州 234000)

皖北平原近56年来降水时间分异规律研究

苏海民，何爱霞，袁新田

(宿州学院环境与测绘工程学院,安徽 宿州 234000)

利用皖北平原5个气象站1957-2012年逐月降水资料，运用线性趋势分析、距平分析、小波分析和Mann-Kendall法对该区年降水量和季节降水量进行年际和年代际分析，揭示该区降水量时间尺度变化特征，并分析其降水序列的周期变化和突变点。结果表明：(1)皖北平原降水趋势总体呈增长趋势，降水倾向率为8.51 mm/10 a，其中距平33年为负，23年为正。1960年代、1990年代和2000年代为丰水期。除夏季外，春季、秋季和冬季降水量总体变化趋势不显著，降水倾向率分别为-3.59 mm/10 a、-2.50 mm/10 a和2.13 mm/10 a，夏季降水增长趋势明显，降水倾向率为12.93 mm/10 a。(2)小波分析结果显示，区域降水量存在不同尺度的周期变化，普遍存在10～15年的震荡周期，5～10年的次周期和3～5年小周期。(3)皖北平原年降水量经滑动t检验，在1994年发生突变，但变化不明显，夏季突变与年降水量一致，春季、秋季和冬季降水量时间上没有发生突变。

皖北平原；趋势分析；小波分析；Mann-Kendall法

在工业化、城市化及人类活动的影响下，全球CO2等温室气体的排放量不断增加，气候变暖已成为不争的事实，气候变暖必然会影响全球及区域降水的变化。G.Lenderink[1]研究表明气温每升高1 ℃大气湿度将增加7%，而大气湿度变化又会使全球水分循环更为活跃和复杂[2]。降水的年际、年代变化及降水方式等都会对人类生活、生产带来重要影响。G.Lenderink[3]研究认为，降水先小后大对于雨水入渗土壤、植物生长有益，若是先暴雨后小雨往往在较短的时间内则可能导致洪涝、泥石流和水土流失等问题；罗琳[4]和李建柱[5]的研究表明，同样的雨量如果降雨持续时间长，在某些以超渗产流为主的区域则可能难以形成地表径流，从而影响水资源分布格局。降水变化更是对工农业生产及人类社会经济活动产生重要影响，自20世纪80年代以来，降水变化已引起国内外学者的广泛关注，取得了大量的研究成果[6-11]。这些研究涵盖了大、中、小不同尺度的研究区，研究内容包括降水时空分布、极端降水及对未来降水趋势的预测等方面。但由于各地大气环境、地形特征及纬度位置的不同，不同区域仍应开展更加详尽、细致的工作。

皖北平原是安徽省乃至全国重要的粮食生产基地，降水的多寡对区域经济和农业生产具有重要影响。前人针对安徽和淮河流域开展了丰富的研究，取得的一些研究成果。如：顾万龙等[12]利用淮河流域84个气象站资料分析年内降水变化，表明年内分配具有明显的不均匀性，北部地区的降水相对较少；Xia Jun等[13]对淮河流域1960-2009年极端降水事件的时空变化趋势及分布特征进行研究，结果显示大部分区域极端降水有增加趋势，只有部分地区减少；刘忠平等[14]对安徽省极端降水事件判别方式进行研究。但针对皖北平原降水时空变化研究报道尚不多见，鉴于此，本文以皖北平原为研究区，以5个典型气象站1957-2012年降水资料为基础，运用线性回归分析和小波分析等方法对区域降水事件序列变化特征和规律进行分析，揭示不同时间尺度上降水趋势和异常现象，以期为皖北平原农业生产、自然灾害防御及经济可持续发展提供参考。

1 研究区概况

皖北平原位于黄淮海平原南端，是指安徽省北部平原地区，行政区域包括蚌埠市、淮南市、宿州市、阜阳市、淮北市和亳州市6地，面积占安徽省总面积的26.77%，是安徽省面积最大、人口最多的一个农业区，是中国重要的商品粮生产基地之一，多年来年均粮食产量占全省粮食总量的50%以上，具有“中原粮仓”之称。区内自然条件优越，地势平坦，平原面积广阔，气候以暖温带气候为主，冬干春旱，雨热同期，多年平均降水量在400～800 mm左右，具有温带和亚热带气候过渡性质，气象灾害多发，粮食产量很不稳定。

2 数据资源与研究方法

从皖北地区23个气象站点中选择蚌埠、宿州、阜阳、亳州和砀山5个代表站点1957-2012年逐月平均降水为基础数据，皖北地区年平均降水量、季节平均降水量分别取5个站点的平均值，多年平均降水量为1957-2012年平均值，并对所有数据进行序列检验，对一些缺测和错误数据进行剔除和插补。建立皖北平原地区降水时间变化序列，用于分析降水多时间尺度变化规律。其中，12～2月为冬季、3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季。

本文主要使用的研究方法有4种：线性回归分析、累计距平分析[15]、小波分析[16,17]和Mann-kendall统计检验分析[18,19]。线性回归模型使用最小二乘法预测研究时段内降水变化趋势，通过拟合函数的线性倾向率反映降水变化趋势的大小，线性倾向率为正，表示趋势增加，倾向率越大，变化越明显，反之亦然；累计距平分析是用来反映降水要素长期演变趋势及持续变化过程，可以划分降水变化的阶段性；小波分析用于降水时间周期变化分析；Mann-kendall统计检验分析用来检验降水时间的突变分析。所有数据处理在Excel和DPS统计软件中完成。

3 结果分析

3.1 降水年内、年际变化

皖北平原地区气候具有暖温带向亚热带过度的性质，气候多变，降水年际差异明显，时间上降水量相差悬殊，多年平均降水为848.41 mm，多雨年为少雨年的2～3倍，最大降水量2003年达到1 359.82 mm，最小降水量为1966年的539.50 mm，分别为多年平均降水量的0.63倍和1.61倍。从图1和表1可以看出，56年来降水趋势有一定变化，总体皖北平原年降水量有增长趋势，1957-2012年降水倾向率为8.51 mm/10 a。计算了1957-2012年的降水距平和累计距平，皖北平原56年降水距平33年降水量少于多年平均降水量，23年多于平均值，累计距平曲线自60年代中期至90年代后期呈下降趋势，降水总量不断减少，进入21世纪，降水逐渐呈增长趋势。1950年代后期、1970年代、1980年代和2011-2012年降水量略低于多年平均降水，平均距平为负，为少雨期，累计距平曲线在波动中呈下降趋势。1960年代、1990年代和2000年代年平均距平值为正，降水总量呈增长趋势，为丰水期。

图1 1957-2012年皖北平原年降水量、降水距平和累计距平变化

a年均降水距平春季降水距平夏季降水距平秋季降水距平冬季降水距平1957-1960805.01-43.41166.570.52430.15-29.20134.76-25.9773.549.541961-1970854.215.80174.788.74457.03-2.32169.318.5853.09-10.911971-1980828.72-19.69180.4814.13436.3-23.05149.87-10.8662.07-1.931981-1990821.31-27.10141.88-24.16425.65-33.70190.0929.3663.70-0.301991-2000863.8215.41178.4612.42458.66-0.69163.392.6663.30-0.702001-2010922.5874.17165.85-0.19544.7085.35146.87-13.8474.7210.722011-2012692.31-156.10108.84-57.2389.79-69.55133.15-27.5760.53-3.47

皖北平原春季降水量年际变化显示，1957-2012年春季降水量基本与多年平均降水量持平，总体呈减少趋势，降水倾向率为-3.59 mm/10 a。期间降水量变化相差悬殊，其中1963、1974、1991和1998年降水异常偏多，远高于56年平均降水量；1962、1979和2000年降水量远低于平均降水量。表1中1980、2000年代和2011-2012年降水距平为负值，降水明显减少；1960、1970和1990年代降水距平为正，降水偏多。由图2和表1夏季降水量回归曲线看出，56年间皖北平原夏季降水具有明显的年代和年际变化，总体呈增长趋势，变化趋势较大，降水倾向率达到12.93 mm/10 a。从降水距平来看，只有2000年代为正，其余均为负值，1960和1990年代基本接近正常值，而且1988年是夏季降水的分界点，之前降水呈下降趋势，之后开始逐渐增加，降水量比1988年以前增长了3.14倍，表现出降水进入多雨期。秋季降水呈减少趋势，降水倾向率为-2.50 mm/10 a，1950年代后期、1970和2000年代及2011-2012年降水距平均为负值，说明降水偏少，而其余3个年代降水量为丰水年，尤其是1980年代。而冬季降水量基本比较稳定，大部分年份降水量接近多年平均降水量64 mm，只有1989年和2001年降水距平较大，而且皖北地区冬季降水总体也呈缓慢增长趋势，降水倾向率为2.13 mm/10 a。冬季降水不断增多，这与全球气候变暖可能有一定关系。从年代际看，2000年代降水距平为正值，降水偏多。

3.2 降水周期分析

图3给出了皖北平原地区年及季节降水序列变化的小波分析结果，限于篇幅，冬季小波分析及突变分析图没有给出。从年降水量序列图中可以看到，区域年降水量存在不同尺度的周期变化，2000年以后存在15年的震荡周期，1970年代又存在10年的次周期，其余年份变化周期基本都在3～5年，且贯穿整个研究序列。春季在1980年代存在15～20年的变化周期，1960-1980年代存在10年的降水变化周期，1990年代以后又存在3～5年的小周期，且整个研究期间存在。夏季降水量周期变化基本上与年降水量变化相一致，因为皖北平原为暖温带季风气候，降水主要集中在夏季而导致。秋季在1990年代以前降水周期以10年为主，1980-1990年代中期降水以15年左右的周期为主，2000年以后以频繁的3～5年周期交替存在。冬季降水在1960-1990年代降水周期以10～20年为主，1990-2010年代存在5～10年的震荡周期。总体看来，年降水量及季节降水量以5～10年变化的周期最突出。

图2 1957-2012年皖北平原季节降水量年际变化

图3 1957-2012年皖北平原年降水量和季节降水量小波变化系数

3.3 降水突变分析

对皖北平原年和季节降水量进行突变分析，绘制M-K曲线图(图4)。图4年降水量突变检验显示，年降水量UF曲线在1957-1964年间呈波动上升趋势，曲线在零值以下；1966-2003年UF曲线基本在零值附近波动；2003年之后呈上升趋势，且在零值以上，表明皖北平原年降水量经历了减少→增加的变化过程。UF和UB曲线在研究期内有多个交点，经滑动t检验，在1994年附近通过95%信度检验，说明年降水量在该位置发生突变，UF曲线没有超出信度线，表明变化不明显。1957-2012年间，皖北平原春季UF曲线基本在波动中下降，在1981年前，UF曲线在零值以上，1982年以后基本都在零值下，表明降水经历从多到少的变化。经滑动t检验，UF和UB曲线的交点均没有通过95%的显著性检验，表明研究期内春季降水量没有发生突变。夏季突变曲线显示，1957-1978年间UF曲线在波动中下降，基本零值以下；1979年以后，UF曲线呈不断上升趋势，在2003年之后上升速度明显增大，表明夏季降水量表现出减少→增加的发展趋势。UF和UB曲线在95%的显著性检验中交于1994年，为降水量突变点的开始时间，但突变变化不显著。这也与年降水量突变时间一致。秋季降水变化趋势基本与春季相同，UF曲线在波动中不断下降，在1996年前大于零，表明降水呈增加趋势，尤其在1963年前后UF曲线超出信度线，说明降水增长较为明显；1996年之后在零值以下，表明降水呈减少趋势。降水在研究期内没有明显的突变点。冬季降水趋势变化表现为，1968年前UF曲线在零值以下，降水为减少趋势；1969年以后UF曲线基本在零值以上，降水表现为增长趋势。在95%的显著性检验中，UF和UB曲线交点没有通过，说明在冬季降水也没有发生突变。

图4 1957-2012年皖北平原年降水量和季节降水量突变检验

4 结 论

本文利用线性回归、小波分析和M-K突变分析工具等对皖北平原地区5个典型气象站56年降水规律进行分析。研究结果表明：

(1)皖北平原降水量时间上相差悬殊，多年平均降水为848.41 mm，多雨年为少雨年的2～3倍。56年来降水趋势总体而言年降水量有增长趋势，降水倾向率为8.51 mm/10 a。皖北平原56年降水距平33年为负，23年为正。1960年代、1990年代和2000年代降水总量呈增长趋势，为相对丰水期。从季节上看，除夏季外，春季、秋季和冬季降水量总体变化趋势不显著，降水倾向率分别为-3.59 mm/10 a、-2.50 mm/10 a和2.13 mm/10 a；夏季降水变化较为明显，总体上呈增长趋势，降水倾向率为12.93 mm/10 a。1988年是夏季降水的分界点，1988年之后开始逐渐增加，降水量比以前增长了3.14倍。

(2)小波分析结果显示：区域年降水量存在不同尺度的周期变化，2000年以后存在15年的长震荡周期，1970年代又存在10年的次周期，其余年份变化周期基本都在3～5年，且贯穿整个研究序列。季节降水周期变化中也都存在10、15和5～10年的变化。总体上以5～10年变化的周期最突出。

(3)对于时间突变，皖北平原年降水量56年经历了减少→增加的变化过程。经滑动t检验，在1994年附近通过95%信度检验，说明年降水量在该位置发生突变，但变化不明显。春季、秋季和冬季降水量时间上没有发生突变，夏季UF和UB曲线在95%的显著性检验中交于1994年，为降水量突变点的开始时间，但突变变化不显著。

[1]Lenderink G，van Meijgaard E.Increase in hourly precipitation extremes beyond expectations from temperature changes[J].Nature Geosci,2008,1:511-514.

[2]Trenberth K E,Dai A,Rasmussen R M,et al.The changing character of precipitation[J].Bullet Ameri Meteor So,2003,84:1205-1217.

[3]Lenderink G,van Meijgaard E.Linking increases in hourly precipitation extremes to atmospheric temperature and moisture changes[J].Environm Res Lett,2010,5:205-208.

[4]罗琳,王忠静,刘晓燕,等.黄河流域中游典型支流汛期降雨特性变化分析[J].水利学报,2013,44(07):848-855.

[5]李建柱,冯平.降雨因素对大清河流域洪水径流变化影响分析[J].水利学报,2010,41(05):595-607.

[6]Goswami B N,Venugopal V,Sengupta D,et al.Increasing trend of extreme rain events over India in a warming environment[J].Science,2006,314(5804):1442-1445.

[7]Chen Z H,Qin J.The trend of precipitaion variation in Hubei Province since 1960’s[J].Chin Geogr Sci,2003,13(04):322-327.

[8]陈少勇,任燕,乔立,等.中国西北地区大雨以上降水日数的时空分布特征[J].资源科学,2011,33(05):958-965.

[9]张遇春,张勃.黑河中游近49年降水序列变化规律及干旱预测[J].干旱区资源与环境，2008,22(01)84-88.

[10]张皓,冯利平.近50年华北地区降水量时空变化特征研究[J].自然资源学报，2010,25(02):270-279.

[11]王芸,刘文兆,李志,等.黄土高塬沟壑区砚瓦川流域近60年降水时空变化特征[J].干旱地区农业研究,2013,31(05):34-41.

[12]顾万龙,王纪军,朱业玉,等.淮河流域降水量年内分配变化规律分析[J].长江流域资源与环境,2010,19(04):426-431.

[13]Xia J,She D X,Zhang Y Y,et al.Spatio-temporal trend and statistical distribution of extreme precipitation events in Huaihe River Basin during 1960-2009[J].J Geogr Sci,2012,22(02):195-208.

[14]刘忠平,马晓,胡雯,等.安徽省极端降水事件的判别分析[J].安徽农业科学,2007,35(09):2631-2632.

[15]袁新田,徐光来,徐国伟.皖北地区的气温变率研究[J].安徽农业大学学报,2012,39(02):292-296.

[16]唐启义,冯明光.DPS数据处理系统[M].北京：科学出版社,2007,930-933.

[17]王燕,王润元,王毅荣,等.近37年甘肃省夏季旱涝特征分析[J].干旱地区农业研究,2009,27(03):236-242.

[18]刘德地,李梅,楼章华,等.近50年来浙江省降雨特性变化分析[J].自然资源学报,2009,24(11):1973-1983.

[19]刘引鸽.陕北黄土高原降水的变化趋势分析[J].干旱研究,2007,24(01):49-55.

[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

Time Variability of Precipitation of Northern Plain in Anhui Province in Past 56 Years

SU Hai-min,HE Ai-xia,YUAN Xin-tian

(School of Environmental and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

A total of 56 years of monthly precipitation data in 5 meteorological stations of the Northern Plain in Anhui Province from 1957 to 2012 were applied by trends analysis,wavelet analysis and Mann-Kendall abrupt change analysis to analyze time variation features of interannual and interdecadal precipitation. The results indicated that:(1)the annual precipitation showed a rising trend with the tendency rate 8.51 mm/10 a.more than the average annual precipitation in 33 years and less in 23.And there were 3 abundant water periods in 1960,1990 and 2000.In addition,we found that the seasonal variation trend of precipitation was not significant except in summer at the rate-3.59 mm/10 a,12.93 mm/10 a,-2.50 m/10 a and 2.13 mm/10 a,respectively;(2)Wavelet analysis indicated that precipitation series existed oscillation period of 10 to 15 years,time period of 5 to10 years and small period of 3 to 5 years of the Northern Plain in Anhui Province in 56 years;(3)After the sliding test,the annual precipitation mutation occurred in 1994 but with no obvious change and mutation,which was in line with summer.Nevertheless,there were no mutations in spring,autumn and winter.

northern plain in Anhui Province;trends analysis;wavelet analysis;Mann-Kendall method

安徽省高校重点自然科学研究项目(KJ2013A244,KJ2013Z322)；安徽省煤矿勘探工程技术研究中心开放课题(2014YKF01)；宿州学院自然科学研究项目(2014yyb06)；宿州学院学术技术骨干项目(2014XJGG06)

苏海民(1979-),男，山东鄄城人，副教授，硕士；研究方向为资源与环境。

S 161.6

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.04.014

来稿日期：2015-04-03