基于集中度(期)的亳州市降水规律研究

2016-05-11何爱霞张言彩

宿州学院学报 2016年6期

关键词：亳州市距平年际

何爱霞，张言彩

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

基于集中度(期)的亳州市降水规律研究

何爱霞，张言彩

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

利用亳州市1957～2012年逐月降水数据，采用降水集中度(期)、Mann-Kendall突变分析及Morlet小波变换法，研究亳州市近56年降水变化规律。结果表明：(1)1957～2012年亳州市年降水量呈波动上升趋势，变化率为2.57 mm/10a，降水的年际和年代际变化较大；(2)降水集中度年际变化明显，且降水较集中，最大值为0.700，最小值为0.312，平均值为0.519。降水集中期普遍集中在195～225°，降水主要集中在7月份；(3)不均匀系数的变化范围为0.739～1.965，降水年内分配不均匀；(4)从周期振荡来看，亳州市的降水周期以5～8年为主，降水集中度的周期以15年为主。

亳州市；降水集中度(期)；不均匀系数；Mann-Kendall突变分析；Morlet小波分析

近年来,随着全球气候变化和极端异常天气的频繁发生，人们对气候的关注也越来越密切，降水作为影响气候的一个重要因素，也引起了广大学者的重视。降水集中度、集中期，作为研究气候降水规律的一个重要参数，能较好地反映降水分布不均匀性的时空变化规律。当前，已有学者对降水集中度、集中期和不均匀系数进行了研究[1-3]，张录军利用降水集中度和集中期研究长江上中下游不同河段的雨季降水量在时空上的变化规律和分布特征[4]；胡昌琼等对湖北省梅雨期的降水集中度和集中期的时间和空间变化规律及其变化特征进行了研究[5]；张天宇等利用降水集中度和集中期，研究我国华北地区汛期降水量的时空分布特征及变化规律[6]；张林梅等利用降水集中度和集中期对新疆阿勒泰地区的降水规律及分布特征进行了研究[7]。但针对亳州市或皖北地区降水变化的研究尚不多见。亳州市作为传统农业大市，在稳定安徽乃至全国粮食生产中具有重要作用。基于此，本文选取亳州市1957～2012年的降水数据，利用降水集中度、集中期分析亳州市降水的变化特征，以期掌握亳州市的气候状况及降水变化规律，有效地预防旱涝灾害，指导亳州市的农业生产及经济发展。

1 研究区概况

亳州市地处安徽省西北部，北和商丘市相接，西邻周口市，南邻阜阳市，东接淮北市、蚌埠市，处于北纬32°5′～35°05′和东经115°53′～116°49′之间，总面积约为9983平方千米。亳州市位于暖温带南缘，属于暖温带半湿润气候，处于我国湿润区半湿润区的过渡地带，气候的过渡性特征显著，季风性特征明显，气候温和，雨量适中，光热充足，无霜期长，四季分明，降水主要集中在夏秋季节。亳州市的年均温约为14.7℃，年均日照时数为2320小时，年均无霜期长达216天，年均降水量822 mm。常见自然灾害有旱涝、大风、干热风、霜冻、冰雹等，其中旱涝灾害较为频繁也最为严重，给亳州市的农业生产和经济发展带来了重大的影响，因此，研究亳州市的降水变化规律对预防和治理该地的旱涝灾害有着非常重要的意义。

2 研究方法

2.1 数据来源

降水数据来源于国家气象中心发布的1957～2012年亳州市雨量监测站的逐月降水量。

2.2 降水集中度和集中期的定义

集中度是利用每个月的降水量反映年内降水量的时间分布特征的重要指数[8]。它把月降水量看作是矢量，把每月都看成30天，把1月份方向看成15°，以后每月依次按30°等差递增，从1～12月的方位角分别为15°，45°，…，345°。把每个月的降水量看作x、y两个方向的分量，那么x、y两个方向的矢量合成及总向量可表示为：

则降水集中度和集中期为：

由公式可知，PCD表示研究时段降水的集中程度。若研究时段内降水分布均匀，则PCD为0；若PCD值越接近与1，表示降水越集中在某个时段内[9]。而集中期[10]表示的是合成向量的方位角，反映了降水量的最大值集中的年内时段。

3 结果分析

3.1 降水的时间变化分析

3.1.1 降水的年内变化分析

从图1中可以看出，亳州市的年降水量主要发生在5～9月份，降水量占年总降水量的73.8%，且最大降水量在7月份，多年月平均降水量为217.37mm，占多年平均降水量的27.11%。其次是6月份和8月份，最小降水量在12月，多年月平均降水量为15.48mm，占多年平均降水量的1.9%,1～6月的降水量呈增长的趋势，7月份的降水量达到一年中的最大值，7～12月的降水量呈下降趋势，降水的季节变化显著。

图1 1957～2012年亳州市多年月平均降水量

3.1.2 降水的年际变化分析

从图2可以看出，亳州市1957～2012年降水的年际和年代际变化显著，呈波动增长趋势，线性倾向率为2.57mm/10a。多年平均降水量为801.5mm,其中1963年为1472.10mm，降水量最大，是多年平均降水量的1.83倍；1978年为472.7mm，降水量最少，仅仅是多年平均降水量的58.91%。1960年代初降水量较大，且降水的变化较明显；1960年代中期至1990年代中期，降水的波动变化较平缓，降水变率较小；1990年代中期至20世纪以来，降水渐增，且波动幅度变大，降水逐渐趋于不稳定；最近几年，降水又有所减少。

图2 1957～2012年亳州市年降水量图

表1显示，1960年代、1990年代和21世纪的前十年降水偏多，降水距平为正，其中1990年代的降水距平只有0.49%，降水量接近多年平均值。2000年代降水距平为6.75%，为丰水期，其中1963年、1964年、1985年、1998年、2000年和2003年的降水均平百分率都在30%以上，1963年达到83.65%，2003年达到72.03%。1950年代后期、1970年代、1980年代以及2011和2012年的降水偏少，降水距平为负值，26年有15年的降水距平为负。1978年、1981年、1986年和1988年的降水距平百分率都在-25%以上，尤其是1950年代后期和2011年以及2012年，降水距平百分率也分别达到-11.65%和-18.87%。这些数据说明亳州市的降水年际和年代际变化显著，且降水呈波动的上升趋势。

表1 1957～2012年亳州市降水距平变化

3.2 降水集中度和集中期的变化特征分析

图3、4表示1957～2012年亳州市降水集中度年际变化图与集中期的年际变化图，从图3中可以看出，亳州市的降水集中度呈明显的波动上升趋势。亳州市的降水集中度在0.312～0.700之间变化，多年平均降水集中度为0.519。若集中度大于多年平均值时，认为该年的降水较集中；若集中度小于多年平均值时，认为该年的降水分配均匀[4]。1966～1976年的11年中有8年集中度都小于平均值、1987～1994年的8年里有7年的集中度都小于平均值，说明这些年份的降水都以不集中为主；而1982～1986年的连续5年里降水集中度都大于多年平均值、2004～2008年的5年里集中度也都大于多年平均值，降水较集中。由此说明亳州市的降水集中度具有一定的连续性，且降水集中度的年际变化也较大，如1959年的降水集中度为0.312，而1965年的集中度竟达0.700，为1959年的两倍多，表明亳州市的降水集中度的年际变化较大。

图3 1957～2012年亳州市降水集中度的年际变化图

图4 1957-2012亳州市降水集中期的年际变化图

从图4可以看出，1957～2012年的56年中亳州市的降水集中期的变化范围为155.87°～238.04°，且大部分都在195°～225°之间波动。根据方位角的转换可知，亳州市的降水量主要集中在7月份，从图中可以看出56年中有39年的降水集中在7月份，11年集中在6月份，4年集中在5月份，2年集中在8月份，即降水的年内分配较不均匀，主要集中在7月份。且最大降水出现的时间早晚都有差异。如2011年的集中期为238.01°，说明该年的降水最大值出现在8月中旬，1991年的集中期为155.87°，降水最大值提前到5月20日左右。

3.3Mann-Kendall突变分析

对亳州市的年降水量和降水集中度的变化规律，本文采用Mann-Kendall突变分析法[4]进行分析。图5分别为亳州市的降水集中度及年降水量的Mann-Kendall统计量曲线，图中UF曲线为降水的顺序统计曲线，UB曲线为降水的逆序统计曲线，图中的两条红色直线为临界线，其值为±1.96，且其显著性水平值为0.05。若曲线的数值>0，则说明序列呈上升趋势；若<0，则说明序列呈下降趋势；若曲线超过临界线，则说明序列上升或下降的趋势显著。若两条曲线在临界线之间相交，则交点所对应的时间就是突变开始的时间。从图5看出，在1957～2012年的56年里，UF曲线和UB曲线多次相交，但大部分都没有经过T检验，只有1994年经过了T检验，即只有1994年发生了突变。1994年的突变表现为下降趋势，到2001年下降趋势更为明显，至2004年下降至最低，之后开始转变为上升趋势。降水量UF曲线和UB曲线也多次相交，与集中期的Mann-kendall统计量曲线相似，也只有1994年通过了T检验，即只有1994年发生了突变，其他年份都没有发生突变。1994年突变后表现为下降趋势，到2003年下降趋势更为显著，下降至临界值以下，之后开始呈现上升趋势。通过对比可以发现，降水集中度和年降水量都有突变发生，且突变发生的年份相同，突变后上升和下降的趋势也大体一致，说明降水集中度和年降水量在时间上的变化具有相似性。

图5 1957～2012年亳州市降水集中度和降水量Mann--Kendall统计量曲线

3.4 周期变化分析

为了进一步研究亳州市56年来降水集中期和年降水量的年际和年代际变化特点，运用Morlet小波变换法[4]对亳州市的降水集中期和年降水量进行分析。图6分别是1957～2012年亳州市降水集中度和年降水量的Morlet小波变换图。从图6看出，1957～2012年的56年里亳州市PCD一直存在着15年左右的显著周期，在1995～2005年还存在着5年的周期变化，但振幅较15年的周期弱。年降水量在1950年代末有15年左右的周期变化，1960～2003年的周期为5～8年，2003～2012年有20年的周期变化。

4 结论

(1)1957～2012年亳州市的降水量大致呈波动上升的趋势，年际和年代际变化显著。1960年代初、1970年代末和20世纪初的降水较丰富，1960年代中期、1970年代中期和1980年代中期的降水较少。

图6 1957～2012年亳州市降水集中度(左)和降水量(右)的Morlet小波变换图注：横坐标上的刻度1～56表示的是1957～2012年。

(2)1957～2012年亳州市的降水集中度的年际变化较大，56年来的变化范围为0.312～0.700，平均值为0.519，PCD相对较大，降水较集中，年内变化大。PCD的变化具有一定的连续性，总体上呈波动增长的趋势。降水集中期的变化范围为155.87°～238.01°，平均值为197.21°，最大降水量主要集中在7月份。

(3)亳州市的降水不均匀系数变化显著，其变化范围在0.739～1.965之间，平均值为1.093。1950年代末至1960年代初波动较大，1960年代中期至1970年代相对稳定，1980年代后降水不均匀性又趋于增长，降水不均匀系数从总体上呈波动上升的趋势。

(4)亳州市年降水量的变化周期主要为5～8年，也存在着15年的周期变化；降水集中期的变化周期主要为15年。

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