张高健，曹 梅，仇 娜，高 山

（1.西安市气象局，陕西 西安 710016；2.陕西省气象干部培训学院，陕西 西安 710016）

西安作为国家中心城市和西北第一大城市，随着城市规模的不断扩大、常住人口的迅速增加，对西安的城市生态环境和区域性气候产生了巨大影响，其中由于降水引发的城市内涝、溃坝漫堤等灾害，不仅造成了较大的经济损失，而且严重影响到人们的正常生活。2021年西安市主城区年降水量首次达到1000 mm（西安泾河国家基本观测站年降水量），超过了1951年建站以来的最大值。国内关于降水量变化的研究文献较多［1-5］,张允等［6-10］研究了西安降水量的变化情况。丛辉等［11］研究发现，大西安地区年均降水量呈下降趋势，空间分布上呈现出从东南向西北逐渐减少的变化趋势。李娜等［12］研究发现，近38年来西安地区年平均降水量呈下降趋势。综上所述，大部分研究使用的资料序列年代久远，不能反映降水量的最新变化情况，且研究结果均说明西安降水量呈现减少趋势，因此，采用最新降水资料，分析西安市的降水时空变化情况，发现并总结降水变化规律，以期为社会生产及气象预报服务提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

西安市地处中国西北部，位于33°42′～34° 45′N，107°40′～109°49′E，地势东南高西北低。西安市下辖11区2县，11区包括主城区的未央、新城、莲湖、碑林、雁塔、灞桥和远郊区的阎良、临潼、高陵、鄠邑、长安，2县包括蓝田县、周至县。西安市多年平均降水量在520.3～714.1 mm之间。

1.2 数据选取

选取西安市行政区内西安、高陵、临潼、周至、鄠邑、长安、蓝田这7个国家气象站（图1）1971～2020年共50年降水量资料（其中西安站因台站搬迁及名称发生变化，2014～2020年资料用西安泾河国家基本站资料代替），数据取自气象大数据云平台·天擎业务系统，数据完整正确。

图1 西安市国家气象站分布示意图

1.3 主要研究方法

采用趋势线法、滑动平均法、累计距平法、小波分析法［13］分析年际变化规律；采用R/S分析法［14］对变化趋势的持续性进行分析；采用Mann-Kendall检测法［11］、滑动t检验法［10］分析降水量序列突变情况；采用普通克里金差值法分析年降水量和趋势变化在空间上的分布特征。在Mann-Kendall检测法中，用倾斜度β表示序列变化趋势的大小，计算方法为：

公式（1）中：1＜j＜i＜n，n为统计的年数；xi和xj分别为第i年和第j年降水量；median为取中位数函数。若β＞0时，序列呈增加趋势，反之，序列呈减少趋势。β值表示序列上升趋势的程度。

2 结果与分析

2.1 降水量的年内分布特征分析

通过对西安市各气象站月平均降水量进行统计分析可知（图2a）：1971～2020年西安市降水量各月差异较大，5～10月西安汛期的降水量占全年降水量的80.5%，其中9月最多，占全年的17.5%，12月最少，仅占全年的0.9%；从季节分布上来看，夏季（6～8月）降水量最多，占全年的42.2%，冬季（当年12至下年2月）降水量最少，只占到全年的3.8%。从月变化趋势情况来看，1～6月降水量逐步增加，7月显著增长，8月出现小幅回落，9月达到峰值，10月快速下降，12月最小。通过计算7个气象站点全年和汛期5～10月平均降水量可知（图2b），各站点间年平均降水量差别较大，蓝田站最大为714.1 mm，高陵站最小为520.3 mm；7个站点降水量年内分布同西安市整体情况一致，主要集中在汛期，占全年降水量的比例在79.6%～81.5%之间，其中周至站比例最高，占全年降水量的81.5%，长安站最低为79.6%。

图2 西安市降水量年内分布特征

2.2 降水量的年际特征分析

2.2.1 年降水量变化趋势分析 西安市1971～2020 年年均降水量为617.2 mm，降水量年际差异较大，最大值为1983年的989.1 mm，最小值为1995年的332.7 mm。由图3a中线性回归拟合公式可知，1971～2020年西安市降水量整体呈增加趋势，增加倾向率为6.006 mm/10 a。由5年滑动平均线可以看出，西安市降水量呈“减少—增多—减少—增多”的波动增加趋势，20世纪70年代降水量呈现减少趋势，80年代降水量震荡增加，90年代降水量明显减少，21世纪初期降水量又开始呈现逐渐增多的趋势。

西安市50年（1971～2020年）序列降水量累积距平年际变化过程如图3b所示。当累积距平值持续减小时，说明该时段内降水量距平值持续为负，当累积距平值持续增大时，说明该时段内降水量距平值持续为正，因此，可以较直观地确定降水量年际变化阶段特征［15］。由累积距平曲线可以看出，西安市1971～2020年这50年来降水量序列大致可分为以下4个时段（持续期5年以上）：1975～1980年、1993～2002年为2个显著的少雨时段；1981～1992年、2003～2020年为2个显著的多雨时段。

图3 1971～2020年西安市降水量年际变化趋势分析

2.2.2 持续性分析 为探索西安市降水量未来的变化趋势，首先计算了西安市7个站点及全市平均1971～2020年降水量序列的Mann-Kendall倾斜度β，再利用R/S分析法计算出相应的Hurst指数（表1）。由表1可知，西安市近50年来降水序列的趋势系数β为7.18 mm/10 a，降水量呈现增多趋势，与线性趋势计算结果6.006 mm/10 a相近，因此，西安近50年来降水增加倾向率约为6.5 mm/10 a。其中西安站、高陵站、蓝田站呈现减少趋势，临潼站、鄠邑站、周至站、长安站呈现增加趋势。西安市近50年来降水序列的Hurst指数＜0.5，说明西安市年降水量序列未来的变化趋势将发生与现在相反的变化趋势，目前是增加趋势，未来一段时间西安市年降水量整体上将呈现减少的变化趋势。各站点的Hurst指数不尽相同，其中西安、高陵、临潼、长安、蓝田站的Hurst指数＜0.5，降水量未来的变化趋势将与现在的变化趋势相反，即西安、高陵、蓝田站目前是减少趋势，未来将呈现增加趋势，临潼、长安站现在是增加趋势，未来将呈现减少趋势；鄠邑、周至站的Hurst指数＞0.5，降水量将延续现在的变化趋势，2个站点现在是增加趋势，未来还将继续保持增加的趋势。由计算结果也可以发现，不管是西安市还是7个站点的Hurst指数均接近于0.5，因此，上述分析的未来变化趋势并不明显，未来可能发生随机变化。

表1 1971～2020年西安市降水量倾斜度β及Hurst指数

2.2.3 年降水突变分析 突变检验的方法较多，主要有Mann-Kendall检验法、滑动t检验法、Yamamoto检验法、Pettitt检验法、SNHT检验法等，各检验法优缺点不同，选取检验方法不同，可能会出现不同的检验结果，本文选取比较常用的Mann-Kendall检验法和滑动t检验法进行综合判断，尽可能使判断结果有较高的准确性。Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，既可以检测序列的变化趋势，也可以进行突变点检测，缺点是对于存在多个或多种尺度突变的序列不宜适用。滑动t检验法是通过考察2组样本平均值的差异是否显著来检验突变，其缺点是在子序列的选择上具有人为性，因此，在使用过程中应采用多组不同长度子序列进行比较分析，以提高计算结果的可靠性。图4a中，由Mann-Kendall检验法中UFk曲线的变化趋势可以看出，西安市降水量整体呈震荡增加趋势，20世纪70年代震荡减少，80年代波动增加，90年代明显减少，进入21世纪后，降水量呈现缓慢增加的趋势，与滑动平均分析的变化趋势一致。UFk和UBk曲 线 在1973、1976、1983、1985、2011、2014、2015、2017年有多个交点，说明近50年来西安市年降水量发生了突变，但是突变点不易判别，利用滑动t检验进行进一步验证，多次比较后选择子序列长度n=10，由图4b可看出，t统计量分别在1992和2002年超过显著性水平临界线，结合图3b累积距平分析结果，综合分析判定西安市年降水量主要有1992年的由多到少和2002年由少到多这2个突变变化。

图4 1971～2020年西安市年降水量Mann-Kendall检验和滑动t检验

2.2.4 降水量周期分析 采用小波分析法进行周期分析可以看出（图5a），西安市1971～2020年降水量小波方差有3个明显的峰值，在时间尺度上从大到小分别对应25、4和8年，说明在25年周期震荡最强，是降水量变化的第1主振荡周期，4、8年的时间尺度分别对应第2、3主振荡周期，这3个周期的波动变化控制着西安市降水量在研究时间域内的变化特征。由图5b可知，在25年的时间尺度上，西安市年降水量存在“少—多—少—多”的循环变化规律，下一个偏少周期即将来临，目前降水量处于由偏多到偏少的转折期。在8和4年的时间尺度上，同样存在“少—多—少—多”的循环变化规律，在8年的时间尺度上，目前处于多雨期，在4年时间尺度上，目前处于由少雨期到多雨期的转折期。由此可以判断，未来2～4年西安市降水量呈增加趋势，而长期来看，在10年左右的时间尺度上整体呈减少趋势，与R/S分析结果一致。

图5 1971～2020年西安市年降水量小波分析

2.3 降水量的空间特征分析

根据西安市7个气象站1971～2020年的年均降水量及倾斜度β，利用Surfer 15进行普通克里金插值，绘制出西安市年降水量变化空间分布图和降水量变化趋势的空间差异图。

2.3.1 年降水量分布空间差异性 西安市年降水量变化空间分布情况如图6所示，西安市降水空间分布上表现为由东南向西北递减的分布特征，主要受到季风和地形的影响［16］，与西安市东南高、西北低的地势密切相关［17］。年降水量的空间分布差异明显，蓝田县南部为降水量最大区域，超过700 mm，高陵、临潼、阎良区西北部一带最小，仅520 mm左右，2个区域降水量的差值约200 mm。

图6 西安市降水量空间分布

2.3.2 年降水量变化趋势空间差异性 西安降水量变化趋势空间差异情况如图7所示，西安市大部分区域的降水量为增加趋势，增加幅度最大区域为长安区西南部，超过了20 mm/10 a；蓝田县大部分区域及阎良、高陵、西安城区北部、临潼东部和北部为减少区域，降幅最大中心区域在蓝田中东部，超过9 mm/10 a。

图7 西安市降水量变化趋势空间差异

3 结论

（1）西安市年内降水分布不均匀，主要集中在5～10月（西安汛期），占到全年降水量的80.5%，7月显著增长，8月出现小幅回落，9月达到峰值，占全年降水量的15%以上，10月快速下降，12月最小。降水量主要集中在夏季（6～8月）及9月份，易发生强对流及连阴雨天气，造成城市内涝及局部地区的水灾，故除了做好夏季预报服务工作外，对降水比较集中的9月也需特别关注。

（2）西安市1971～2020年降水量呈现“减少—增加—减少—增加”的波动增加趋势，增加率约为6.5 mm/10 a；西安市降水突变主要发生在1992和2002年；西安市降水在时间序列上存在周期性，25年时间尺度为第1主振荡周期，其次是4和8年时间尺度，分别为第2、3主振荡周期，短期2～4年处于降水量偏多期，未来10年左右整体将呈现偏少的变化趋势。

（3）西安市降水量在空间分布上整体呈现出由东南向西北递减的趋势，空间差异显著，降水量最大的中心区域为蓝田南部区域，降水量最小区域为高陵、临潼、阎良西北部一带，2个区域的降水量差值近200 mm。变化趋势上，西安市大部分区域的降水量有所增加，长安区西南部的增幅最大，超过20 mm/10 a；蓝田县大部分区域及阎良、高陵、西安城区北部、临潼东部和北部为减少区域，蓝田县中东部减少幅度最大，超过9 mm/10 a。