基于集中度和不均匀系数的宿州市1957～2012年降水规律研究

苏海民，聂咸林

（宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000）

基于集中度和不均匀系数的宿州市1957～2012年降水规律研究

苏海民，聂咸林

（宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000）

基于宿州市1957～2012年逐月降水资料，运用集中度（期）、不均匀系数和小波分析等方法，分析了宿州市的降水年内、年际等变异规律。结果表明（1）宿州市1957～2012年降水量总体上表现为缓慢增长趋势，降水年代际变化较大变化率为3.02 mm/10a；（2）降水集中度的年际变化明显，且具有一定的连续性，总体上呈微弱增长趋势，变化在0.212～0.757之间，平均为0.504；（3）年降水量和降水集中度都有发生突变，年降水量先下降后上升，降水集中度相反；（4）年降水量和降水集中度以10～15年左右的周期为主，并有5～7年的小周期，二者在周期振荡上具有较好的一致性。此文研究可为宿州市农业生产，经济发展与社会生活提供重要依据。

宿州市；集中度（期）；不均匀系数；M-K突变分析；Morlet小波分析

气候变化已成为全球性的热点问题，对自然生态环境和人们的生产生活影响深远，降水作为气候变化的一个重要因子，能够调节一个地区的干湿程度和改变水资源状况，对自然环境和人们的生活影响明显，黄嘉佑和张镡［1］研究表明降水和水资源之间存在着明显的正相关关系。宿州位于半湿润和半干旱的过渡地区，水资源状况紧缺［2］，影响宿州经济的发展。因此，宿州的水资源和降水变化趋势受到了有关部门和研究学者的广泛关注。苏海民等［3］研究发现宿州市近50年夏季降水量在波动中缓慢增长；曹新良［4］分析认为宿州市降水量年内分配不均，降水量年际变化较大；徐国伟等［5］研究发现宿州市近50年来降雨量表现为增多趋势，年降雨量增加主要集中在夏季，而冬季，春季和秋季时降雨都有不同程度的减少趋势。但是以上学者对气候降水的研究主要是集中在降水量上，对降水的集中度和集中期方面的研究较少，降水集中度（PCD）集中期（PCP）和不均匀系数（Cv）作为研究气候降水特征的一个重要参数，能准确的反应出降水分布集中程度，因此本文在吸取前人的研究经验及成果的基础上，选取宿州市1957～2012年的降水数据，讨论宿州地区集中度和集中期的分布特征，希望能够揭示出一些变化规律，对宿州市的经济发展，人们的生产生活具有一定积极的指导价值。

宿州市位于安徽省北部，处于东经116°09′～118°10′、北纬33°18′～34°38′之间。东、东北两面与江苏省接壤，西北与山东省毗邻，西与河南省交界，南临蚌埠、淮北两市。宿州位于南北气候过渡的地带，属暖温带季风气候，冬季盛行偏北风，气温较低，降雪量少，持续时间长；夏日盛行偏南季风，比较炎热，降水丰沛，有梅雨期但持续时间短，常伴有洪涝灾害［6］；春秋季时间短，气温宜人，降水量比较偏少，旱灾发生的可能性很大；多年平均降水量为750～900 mm。

1　数据资料与研究方法

1.1数据资料来源

本文选用宿州气象站1957～2012年历年逐月降水量建立年、月降水序列，从降水的年际和年内时间变化、集中度和集中期、年内降水分配均匀性等方面进行研究，并运用Mann-kendall突变分析法和Morlet小波变换分析法［7-9］对宿州市56年来年降水量和降水集中度的年际和年代际变化趋势及其变化规律进行进一步分析。

1.2研究方法

1.2.1降水集中度和集中期

集中度和集中期［10］是利用逐月的降水资料反映年内降水集中度和最大降水量出现时段的重要指数。它将月降水量当做矢量，月降水量的大小和时间看做矢量的大小和方向。计算中将每月都看成30天，不区分大小月，把1月份方向看成15°，以后每月依次按30°等差递增表示2～12的方向，从1～12月的方位角分别为15°、45°、…345°。将每月降水量分成x、y两个方向的分量，则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：

PCD用来表示研究时段降水的集中程度，取值在0～1之间，若研究期内降水分布均匀，则PCD 为0；若PCD值越接近于1，表示降水越集中在某个时段内。PCP表示的是合成向量的方位角，可表示向量合成后重心指示的角度，反映了降水量最大值集中的年内时段。

1.2.2降水不均匀系数

本文采用降水不均匀系数［11］反映宿州市降水年内分布不均匀度：

式中，Cv为降水不均匀系数，反映降水年内分配均匀度，其值越小，表示降水年内分配越均匀，反之亦然。Rti表示第t年i时段降水量，-R表示研究时段平均降水量。

2　结果分析

2.1降水时间变化

宿州市1957～2012年降水量具有明显年际变化，表现为强烈的逐年波动和年代际变化特征（见图1）。宿州市降水总体表现为缓慢增长趋势，线性倾向率为3.02 mm/10a，多年平均降水量为861.97 mm，最大降水量出现在 1996年，为1 460.20 mm，为多年平均降水量的1.69倍；最小值出现在1968年，只有560.20 mm，只有年平均降水量的一半多一点。60年代初期降水较多，60年代至90年代，呈平缓波动变化，进入21世纪以来，降水渐增，且波动幅度变大，降水过程趋于不稳定变化。

从降水年内分配来看（见图2），宿州市降水主要发生在5～9月，四个月降水量达到了621.38 mm，占全年总降水量852.97 mm的72.84%，最大降水量出现在7月，降水量为241.47 mm，占28.30%，其次是6月和8月；最小降水量出现在12月，降水量为16.02 mm，占1.88%。降水分布趋势1～6月呈增长趋势，7月份的降水量达到一年中的最大值，7月以后呈下降趋势，降水季节性变化明显。

图1　1957～2012年宿州市降水量年际变化

图2　1957～2012年宿州市多年月平均降水量

2.2降水年内分配均匀性分析

宿州市降水年内分配不均匀系数计算结果如图3所示，从图3可以看出，宿州市降水年内分配不均匀系数具有明显年代际变化，56年来变化范围为0.634～1.893，最小值出现在1987年，最大值出现在1965年，降水值最大的1996年为1.259，略高于平均数1.056。50年代后期到60年代较不稳定，1970～1990年代降水分布较为均匀，21世纪以后这种不均匀性再次增长，从总体来看，不均匀系数呈增长趋势，降水不均匀性在加强。

2.3降水集中度（PCD）和集中期（PCP）分析

从图4可以看出，宿州市的PCD变化在0.212～0.757之间，多年平均降水集中度为0.504.当集中度大于多年平均值时，认为该年雨季降水较集中；当集中度小于多年平均值时，则认为该年雨季降水年内分配均匀。其中1960～1965年中连续5年、2002～2012年中连续8年PCD都大于平均值，说明在这些年份降水连续趋于集中；而1972～1981年连续7年、1998～2001年连续3年集中度都在平均值以下，说明在这些年份降水以不集中为主，说明宿州市的降水集中度具有一定的连续性。56年中有30年高于多年平均数，26年低于多年平均数，虽然1996年降水量最大，但降水分布并不集中，最大值出现在1965年为0.757，最小值出现在1987年为0.212，二者相差3.57倍，说明宿州市降水极不稳定。

图3　1957～2012年宿州市降水年内分配均匀系数

图4　1957～2012年宿州市降水集中度年际变化

从图5可以看出，56年来宿州市降水集中期（PCP）波动于179.36～180.68之间，且大部分在180.25附近波动，根据方位角转换，表示向量合成后重心指示的角度为150°～180°时为6月份，角度为180°～210°时为7月份，所以从图中可看出宿州最大降水6、7两个月份，其中以7月份为主，不同年份出现最大降水的时间早晚有差异，比如，1957年PCP值为180.03，说明降水最大值出现在7月初，1966年PCP值为179.36，降水最大集中期提前到6月23日左右。56年中有47年降水集中在7月，9年集中在6月。

图5　1957～2012年宿州市降水集中期年际变化

2.4Mann-kendall突变分析

本文采用了Mann-kendall突变分析法对宿州市的年降水量和降水集中度的变化趋势及其变化规律进行分析。图6（a）、（b）分别为宿州市年降水量和集中度的Mann-Kendall统计量曲线，图中的两条直线为临界线，其值为±1.96，且其显著性水平值为0.05。若曲线的数值大于0，则说明序列呈上升趋势，若小于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。图6（a）显示降水量在1957～2012年的56年里，UF曲线和UB曲线多次相交，但大部分都未经过T检验，都没有发生突变，唯有1996年经过了T检验，发生了突变。突变表现为下降趋势，到了2005年下降至临界点以下，下降趋势显著，2005年以后表现为增加趋势；图6（b）说明集中度在1972年开始突变表现为上升趋势，到了1987年上升趋势显著，1987年以后开始突变下降，通过对比可以发现，年降水量和降水集中度都有发生突变，但降水量突变的年份比降水集中度突变的年份晚了将近24年，且二者突变的趋势相反。

图6　1957～2012年宿州市年降水量和集中度Mann-Kendall统计量曲线

图7　1957～2012年宿州市年降水量和集中度的Morlet小波变换系数等值图（备注：横坐标上的刻度1～56表示的是1957～2012年）

2.5周期分析

为了进一步研究56年来宿州市年降水量和降水集中期的年际和年代际变化特点，本文采用Morlet小波变换分析对宿州市的年降水量和降水集中期进行研究，图7（a）、（b）分别是1957～2012年宿州市降水集中度和年降水量的Morlet小波变换系数等值图，图7（a）Morlet小波变换系数等值线图可以发现，年降水量从50年代末至60年代末、2000年以后存在着10～15年的显著周期，70年代至90年代之间还存在3～5年的小周期，但振幅较10年的周期弱；图7（b）中降水集中度56年中存在 10～15年的显著周期，1967～1982年夹杂着一些5～7年的小周期。通过比较可以发现，从50年代末至60年代中期、90年代以后存在着10～15年的显著周期，其中分散了5～7年的小周期，年降水量的周期振荡比降水集中度的年份稍长，年降水量和降水集中度在周期振荡上具有较好的一致性。

3　结论

本文运用集中度（期）、不均匀系数、Mann-Kendall突变分析和Morlet小波变换分析等方法，利用宿州市1957～2012年的降水变化进行分析，得到以下结论：

宿州市1957～2012年降水量总体上表现为缓慢增长趋势，年际变化表现出高低交错分布，年代际差异较大。

宿州市降水年内分配不均匀系数具有明显年代际变化，从总体来看，不均匀系数呈增长趋势，降水不均匀性在加强。

宿州市1957～2012年降水集中度的年际变化较大，PCD具有一定的连续性，总体上呈微弱增长趋势；根据方位角转换，宿州市最大降水主要集中在7月份。

宿州市1957～2012年年降水量和降水集中度都有发生突变，降水量突变表现为先呈下降趋势，后呈增加趋势；集中度突变先表现为先上升后下降趋势，但前者比后者的突变年份晚了将近24年，且二者突变的趋势相反。

年降水量和降水集中度从50年代至70年代初、21世纪后存在8～16年左右的显著周期，中间同步分散了一些5～7年的零星小周期，年降水量和降水集中度在周期振荡上具有较好的一致性。

［1］ 黄嘉佑，张镡.黄河流域旱涝与水资源分析［J］.大气科学，1996，20（6）：637-377.

［2］ 毕慕莹.近40年来华北干旱的特点及其成因［M］.北京：北京气象出版社，1990：23-31.

［3］ 苏海民，何爱霞，袁新田.近50年宿州市夏季降水变化及预测［J］.邢台学院学报，2013，28（1）：54-55，58.

［4］ 曹心良.宿州市降水特征及变化趋势分析［J］.治淮，2007，1（5）：7-9.

［5］ 徐国伟，袁新田，黄淑玲，等.宿州市近50年气候变化研究［J］.河北北方学院学报，2011，27（06）：54-58.

［6］ 张录军，钱永甫.长江流域汛期降水集中程度和洪涝关系研究［J］.地球物理学报，2004，47（4）：622-629.

［6］ 张录军，钱永甫.长江流域汛期降水集中程度和洪涝关系研究［J］.地球物理学报，2004，47（4）：622-630.

［7］ 郭琳，宫辉力，朱锋.基于小波分析的地下水水位与降水的周期性特征研究［J］.地理与地理信息科学，2014，30（2）：35-37.

［8］ Grinsted J C，Jevrejeva S.Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence togeophysical time series［J］.Nonlinear Processes in Geophysics，2004（11）：561-566.

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［10］董林垚，陈建，付丛生.西江流域径流与气象要素多时间尺度关联性研究［J］.地理科学.2013，32（2）：209-213.

［11］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 （4）：426-429.

Study of variation characteristics of precipitation in Suzhou City during 1957～2012

SU Hai-min，NIE Xian-lin

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

Based on the precipitation data during 1957～2012 in Suzhou City，Anhui Province，this paper illustrated and analyzed the characteristics of precipitation，including precipitation trend，non-uniformity coefficient，concentration degree（period）and wavelet analysis.The results show that：（1）the annual precipitation showed a rising trend with the change rate of 3.02 mm/ 10a，and inter-decadal variation of precipitation is larger.（2）The precipitation concentration degree had a large inter-decadal variation，and that maximum value is 0.504.The precipitation concentration period is generally concentrated in the 150～210 degrees，which explained the rainfall mainly concentrated in June and July.（3）The variation range of the nonuniform coefficient is from 0.634～1.893 which illustrated distribution of precipitation was the uneven in a year.（4）The periodic oscillation of precipitation is 10～15 in Suzhou City.

Suzhou City；concentration degree（period）；non-uniform coefficient；M-K analysis；Morlet wavelet analysis

S161.6

A

1004-4329（2016）03-024-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）03-024-05

2016-05-21

安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2016347）；安徽省煤矿勘探工程技术中心开放课题（2014YKF01）；宿州学院学术技术骨干项目（2014XJGG06）资助。

苏海民（1979-），男，硕士，副教授，研究方向：资源与环境。