邢台市近61年降水变化特征及其对生态环境的影响

郝巨飞,张功文,李芷霞,王晓娟,杨允凌

(1.邢台市气象局, 河北 邢台 054000； 2.邯郸市气象局, 河北 邯郸 056001)

邢台市近61年降水变化特征及其对生态环境的影响

郝巨飞1,张功文2,李芷霞1,王晓娟1,杨允凌1

(1.邢台市气象局, 河北 邢台 054000； 2.邯郸市气象局, 河北 邯郸 056001)

根据邢台市国家气象观测站1954—2014年的逐日降水资料，运用线性倾向分析、Mann-Kendall突变检验、滑动t检验等方法对邢台市的降水气候变化特征进行了分析。结果表明：近61 a来，邢台市月不同等级降水日数随着降水等级的升高而快速下降，月雨日和月雨量的峰值均出现在7月份，平均为18.67 d和150.46 mm;小雨日和小—中雨日分别呈-3.17 d·10a-1和-0.61 d·10a-1的显著性下降，其他等级降水的雨日也都呈不明显的下降趋势，年总雨日呈-4.37 d·10a-1的显著性下降，其中在夏季的下降趋势最明显；年总雨量的气候倾向率为-18.23 mm·10a-1，其中小雨量呈-5.22 mm·10a-1的显著下降；总雨量下降的原因一方面是雨日的减少，另一方面是小雨日和小—中雨日雨量在夏季的显著性减少。检验证明小雨日、小—中雨日的突变时间分别在20世纪70年代中后期和60年代末，总雨日和小雨量的突变时间分别发生在20世纪70年代初和80年代初。

雨日；雨量；Mann-Kendall检验；滑动t检验；邢台

全球变暖引起的区域气候变化是目前人们关注的环境问题之一[1-2]，区域降水则是一个地区气候变化最直接、最敏感的因素[3-4]。许多学者采用各种方法对我国各省、主要流域的降水变化特征进行了分析[5-8],研究表明近50 a来，全国的年平均降水量每10 a减少2.9 mm，华北大部分地区降水明显减少，平均每10 a减少20～40 mm[9]，随着气候变暖的加强，洪水和干旱等极端天气事件的发生频次在不断增加[10]，由于气候变化具有很强的地域特点，尤其是降水的变化趋势与强度各地并不完全一样[11]，对小区域范围或粮食主产区的研究相对缺乏，而这些区域的降水变化特征对农业生产、生活和防灾减灾有着极其重要的影响[12-13]。

邢台地区位于河北省中南部，太行山脉南段东麓，自西而东山地、丘陵、平原阶梯排列 ，三者比例2∶1∶7，是华北平原的主要粮产区之一，降水的变化对粮食稳产、增产有着重要的作用，尤其东部平原地处黑龙港流域，由于多年依靠对地下水的超采来弥补地表水资源的不足，造成地下水位连年下降，形成全国最大、世界罕见的超采漏斗区和地面沉降区[14]。同时关于本地区的降水特征研究，以前更多地关注强降水事件的发生，对雨日的时空变化特征缺乏研究，在此背景下，本文按照降水等级来研究邢台地区的降水分布特点，通过揭示其降水的历史变化规律，探索降水变化特点，以期对区域的生态环境治理、农业生产生活和防灾减灾等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

邢台市辖区共有17个县，气象数据的观测起始时间从1954年到1972年不等，17个测站的年降水日数相关系数平均值0.7329，最小0.6216，年降水量相关系数平均值0.7232，最小0.5666，说明各站雨日、雨量的变化趋势具有较好的一致性，因邢台市资料年代最久，故选取邢台市气象探测中心提供的1954—2014年邢台市国家气象站的逐日降水数据，资料经过较严格的质量控制，具有较高的可靠性。降水日数定义为：当24 h(20∶00至次日20∶00)降水量≥0.0 mm为1个降水日数,降水等级以中国气象局颁布的“降水强度等级划分标准(内陆部分)”为分类的参考依据，因大暴雨及以上等级降水的发生次数在年雨日中占频次很少，故本文将大暴雨及以上等级的降水统称为大暴雨。

1.2 方法

首先对日降水量进行分类，分析各个等级降水事件的发生规律；其次采用趋势分析方法研究变化趋势较明显的雨日、雨量变化特征；最后利用Mann-Kendall检验和滑动t检验来验证分析近61 a来邢台市的降水特征变化情况。季节划分标准为：冬季(上年12月-当年2月)、春季(3月—5月)、夏季(6月-8月)、秋季(9月—11月)。

Mann-Kendall检验法[15]是对具有n个样本量的时间序列x，构造1个秩序列Sk，该序列是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计值，在时间序列随机独立的假定下，定义统计量，见式(1)。

(1)

式中：UF1=0，E(Sk)、var(Sk)是累计数Sk的均值和方差；UFi为标准正态分布，它是按时间序列x1,x2,…,xn计算出的统计量序列，按时间序列x逆序重复上述过程，同时使UBK=-UFK(k=n,n-1,…,1)，UB1=0。当UF>0则表明序列呈上升趋势;UF<0则表明序列呈下降趋势。当UF超过临界线时，表明上升或下降的趋势显著，如果两线在临界值之间出现交点，那么交点对应的时刻即为突变开始时间。

滑动t检验是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。对于具有n个样本的时间序列x，定义统计量，见式(2)。

(2)

2 结果与分析

2.1 降水日、降水量的月变化

根据表1可知：邢台市月平均雨日为8.12d，全年呈单峰型分布，峰值为7月的18.67d，占总雨日的19.15%；1月份降水日数最少，平均雨日2.46d，占总雨日的2.52%。小雨等级的降水是全年降水日中出现次数最多的降水，占总雨日的60.89%，其中1月份小雨日占月总雨日的比例最高，达到92.67%，7月份最低为46.18%。其次为小—中雨等级的雨日，占总雨日的15.54%，其中7月份小—中雨占月总雨日的比例最高，为17.30%，1月份最少，为7.33%。降水出现次数最少的是暴雨和大暴雨等级的降水，降水日占总雨日的比例分别为1.24%和0.31%。其中暴雨日在7月份发生次数最多，平均为0.61d，大暴雨等级的降水日在8月份发生最多，平均为0.16d。除大雨、大暴雨降水的月平均雨日在8月份出现次数最多外，其他等级降水的月平均雨日均是在7月份达到最高，并且各月不同等级降水的雨日随着降水等级的升高而快速下降。

表1 1954—2014年邢台市不同等级降水的月雨日、雨量统计

邢台市月平均雨量为43.60mm，高值出现在7—8月份，分别为150.46mm和134.84mm，占全年总降水量的54.53%，低值出现在1月份，月平均降水量3.50mm，占全年总降水量的0.67%。中雨、暴雨日的月平均雨量在5月份出现最高值，小雨日的月平均雨量在6月份出现最高值，小—中雨、大雨日的月平均雨量在7月份出现最高值，中—大雨、大—暴雨、大暴雨等级降水的月平均雨量在8月份出现最高值。

通过对逐月不同等级降水的雨日和雨量进行气候倾向性分析发现：总雨日在3月、7月和10月达到α0.05，8月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-0.004、-0.008、-0.007 d·10a-1和-0.013 d·10a-1；小雨日在3月、7月达到α0.05，8月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-0.004、-0.005 d·10a-1和-0.006 d·10a-1；小—中雨日在7月达到α0.05，10月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-0.001 d·10 a-1和-0.002 d·10a-1；中雨日在11月达到α0.05，9月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-0.001 d·10a-1和0.002 d·10a-1；大雨日在11月达到α0.05的显著性检验，气候倾向率0.003 d·10a-1；其他等级降水的雨日变化均没有通过显著性检验。小雨等级的雨量在10月达到α0.05的显著性检验，气候倾向率-0.013 d·10a-1；小—中雨等级的雨量在9月达到α0.05，10月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为0.019 d·10a-1和-0.024 d·10a-1；中雨等级的雨量在11月达到α0.05，9月达到α0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-0.019 d·10a-1和0.037 d·10a-1；大雨等级的雨量在11月达到α0.05的显著性检验，气候倾向率-0.009 d·10a-1；其他等级降水的雨量变化均没有通过显著性检验。可以发现：小雨和小—中雨等级降水的雨日气候倾向率变化趋势与总雨日的气候倾向率变化趋势较为一致。

2.2 降水日、降水量的季节变化

在季节分布上，夏季出现的总雨日占全年降水日的比例最高，占比47.04%；其次为秋季的24.30%，再次为春季的19.33%，冬季降水日数最少，占比只有9.34%。除大暴雨外的其他等级降水雨日，均表现为夏季最多，秋季次之，再次春季，冬季最少的特征。

通过对近61 a邢台市四季不同等级降水的气候倾向率(表2)进行分析发现：各等级降水在春季的气候倾向率大部分都表现为减少，但趋势不明显；夏季，小雨日、小—中雨日和总雨日的气候倾向率分别为-1.05、-0.45 d·10a-1和-2.29 d·10a-1，均通过α0.05的显著性检验，其他等级降水的雨日气候倾向率虽然也表现为减少，但是都没有通过显著性检验；秋季、冬季通过显著性检验的降水等级为小雨日，气候倾向率分别为-1.09 d·10a-1和-0.64 d·10a-1，其他等级降水的雨日气候倾向率均没有通过检验。可以发现，总雨日在夏季减少的主要原因是小雨日和小—中雨日的显著性减少。

表2 邢台市不同等级降水的气候倾向性变化

注：*表示通过0.1显著性水平，**表示通过0.05显著性水平。

Note: * means significance at 0.1; ** means significance at 0.05.

通过表2同时可发现，总雨量在春季呈增加趋势，夏季、秋季和冬季呈减少趋势，气候倾向率相对高值出现在夏季的-18.48 mm·10a-1，但没有达到显著性检验水平。小雨等级的降水量四季均表现为减少趋势，其中夏季气候倾向率为-3.02 mm·10a-1，通过90%的置信度检验，呈明显下降趋势。小—中雨等级的降水量在春季呈增加趋势，夏季、秋季和冬季呈减少趋势，其中夏季的气候倾向率为-3.57 mm·10a-1，通过90%的置信度检验。四季中其他等级降水雨量的气候倾向率大部分呈减少趋势，但都没有通过显著性检验。可知总雨量在夏季减少的主要原因是小雨和小—中雨等级降水雨量的减少。

2.3 降水日、降水量的年变化

根据表3发现：邢台市年平均降水日数为97.48 d，最大值出现在1954年的144 d，最小值出现在1981年的69 d。年平均降水日数以小雨日出现的次数最多，年平均出现次数59.36 d，占全部雨日的60.59%，最大值出现在1954年的88 d，最小值出现在2006年的41 d。其次为小—中雨，年平均出现次数15.15 d，占全部雨日的15.46%，最大值出现在1990年的27 d，最小值出现在1996年的8 d。年平均出现次数最少的是大暴雨等级降水的雨日，年平均值为0.30 d，占全部雨日的0.30%，最大值出现在1962年的3 d。

对雨日进行气候倾向性分析发现：总雨日呈-4.37 d·10a-1的下降趋势，小雨日和小—中雨日的气候倾向率分别为-3.17 d·10a-1和-0.61 d·10a-1，均达到99%显著性检验，呈显著性下降。其他等级降水的年出现次数一致呈下降趋势，但都没有达到显著性检验。对不同等级降水的年雨量同时做气候倾向性分析可以发现，年总降水量呈-18.23 mm·10a-1的下降，但趋势不明显。小雨等级的年降水气候倾向率-5.22 mm·10a-1，达到95%显著性检验，呈显著性下降。其他等级降水的年雨量气候倾向率一致呈减少趋势，但都没有通过检验，下降趋势不明显。结合表2的分析结论可以得出：邢台市小雨日在夏季、秋季、冬季和小—中雨日在夏季的显著性下降是导致总雨日全年显著性下降的最主要原因。年总雨量下降的原因一方面是雨日的下降，另一方面是小雨日和小—中雨日雨量在夏季的显著性减少所致。

表3 1954—2014年邢台市不同等级降水的年变化

注：*表示通过0.05显著性水平，**表示通过0.01显著性水平。

Note: * means significance at 0.05; ** means significance at 0.01.

2.4 Mann—Kendall检验和滑动t检验

为深入研究邢台市降水的时间分布特征，同时又不失特征性，对逐年总雨日、小雨日、小—中雨日和小雨雨量举行Mann—Kendall检验(图1)。发现总雨日在1970年发生突变，1970—1976年间虽然略微增加，但总体仍在零线以下，1976—1983呈下降趋势，其中在1980年达到α0.05=±1.96的显著性水平检验，1983年达到α0.01=±2.56的显著性水平检验，80年代后表现为波动下降的分布，在1989—1991、2001—2004、2007—2013年间有所增加，但不改下降的总趋势。小雨日在50年代呈零度线下的波动状态；60年代前期呈增加趋势，中后期开始下降；1972—1977年间发生突变，70年代后期呈下降趋势，1983年和1986年分别达到α0.05和α0.01的显著性水平检验。小雨日的增加主要集中在1989—1990、2000—2004、2007—2011年间。较总雨日的增加而言，具有持续时间短，结束时间早的特点。小—中雨日在50年代处于低值徘徊；60年代中前期缓慢上升，后期开始下降；1969—1971年间发生突变，呈缓慢下降趋势；1989年和1997年分别达到α0.05和α0.01的显著性水平检验。较总雨日和小雨日的增加而言，小—中雨日的持续时间更短，主要时段在2001—2004年间。小雨量在50年代呈零线下的波动分布，60年代中前期呈增加趋势，后期呈波动下降，突变时间发生在1979—1980年间，突变时间落后于小雨日突变时间，其中1981—1986年呈明显下降趋势，1987—1992年呈波动下降趋势，1995年和1997年分别达到α0.05和α0.01的显著性水平检验，在2001—2004年、2007—2010年、2013—2014年间有所增加，但不改整体下降趋势。

根据魏凤英对Mann—Kendall检验法的分析，当UF和UB曲线有多个交点时，不是所有的交叉点均是突变点，需要对其中的杂点进行去除。由于小雨日和小—中雨日的M-K检验曲线均存在一个以上的交点，为了能够进一步明确雨日的突变时间，使用滑动t检验方法进行验证(图2)。结果显示小—中雨日的统计值序列在1969年达到α0.05的显著性水平，转为明显减少趋势。小雨日的统计值序列在1976—1979年达到α0.01的显著性水平，转为显著性减少趋势。结合滑动t检验和Mann—Kendall检验结论可以得出，小雨日、小—中雨日的突变时间分别在70年代中后期和60年代末。

2.5 雨日、雨量变化对生态环境的影响

邢台区域的农业种植为灌溉农业，作物以冬小麦和夏玉米为主，为一年两作的种植结构，其中冬小麦的灌溉需水量明显大于夏玉米的灌溉需水量[16]。结合上述分析发现，邢台市降水具有明显的季风气候特点，雨日和雨量主要集中在夏季，占比达到47.04%和65.20%，在冬季占比最少，分别为9.35%和2.85%，为满足冬小麦越冬等农业用水需求，在雨日和雨量呈减少的情况下，大量抽取地下水来满足农业生产用水。同时雨量的减少会带来地下水补给减少，尤其是在农作物生长的主要时段，上述两方面的作用互相叠加，对地下水位下降、超采漏斗区和地面沉降等都带来了不利影响，若该状况持续发展，水资源匮乏将会越来越严重。由于农业用水占总用水量的70%以上，所以通过开展农艺节水、工程节水、管理节水等[16]措施，切实改善雨日、雨量的减少对农业生产、生态环境的影响。

图1 邢台市近61 a总雨日(a)、小雨日(b)、小-中雨日(c)、小雨量(d)的M-K检验曲线

Fig.1 Mann-Kendall test curve of total rainy days (a), light rain days (b), light-moderate rain days (c), light rain amount (d)in recent 61 years in Xingtai

图2 邢台市近61 a的雨日滑动t检验

Fig.2 Slidingttest of rainy days in recent 61 years in Xingtai

3 结论与讨论

1) 邢台市月平均总雨日为8.12 d，峰值出现在7月份的18.67 d，各月不同等级降水的雨日随着降水等级的升高而快速下降，其中小雨日降水占总雨日的比例为60.89%。是全年降水日中出现次数最多的降水。小雨和小—中雨等级降水的雨日气候倾向率变化趋势与总雨日的气候倾向率变化趋势较为一致

2) 邢台市月平均雨量为43.60 mm，高值出现在7—8月份，分别为150.46 mm和134.84 mm，占全年总降水量的54.53%。

3) 总雨量在夏季减少的主要原因是小雨和小—中雨等级的降水量减少。总雨日在夏季减少的主要原因是小雨日和小—中雨日的显著性减少。其中小雨日、小—中雨日和总雨日在夏季的气候倾向率分别为-1.05、-0.45 d·10 a-1和-2.29 d·10 a-1。

4) 邢台市小雨日在夏季、秋季、冬季和小—中雨日在夏季的显著性下降是导致总雨日全年显著性下降的最主要原因。年总雨量下降的原因一方面是雨日的下降，另一方面是小雨日和小—中雨日雨量在夏季的显著性减少。小雨日、小—中雨日的突变时间分别在70年代中后期和60年代末，总雨日的突变时间发生在70年初，小雨量的突变时间发生在80年代初。

5) 为应对水资源匮乏，通过开展农艺节水、工程节水、管理节水等措施，提高雨水资源的利用，改善雨日、雨量的减少对农业生产、生态环境带来的不利影响。

[1] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京:气象出版社,2000:33-34.

[2] 王绍武.现代气候学研究进展[M].北京:气象出版社,2001:49.

[3] 孙鹏森，刘世荣，李崇巍.基于地形和主风向效应模拟山区降水空间分布日[J].生态学报,2004,24(9):1910-1915.

[4] 王 智,吴友均,梁凤超,等.新疆地区年降水量的空间插值方法研究日[J].中国农业气象,2011,32(3):331-337.

[5] 向 亮,郝立生,安月改,等.51 a河北省降水时空分布及变化特征[J].干旱区地理,2014,37(1):56-65.

[6] 刘 勤,严昌荣,张燕卿,等.近50年黄河流域气温和降水量变化特征分析[J].中国农业气象,2012,33(4):475-480.

[8] 黄梅丽，况雪源，覃志年,等.广西后汛期不同等级降水变化及突变机理探讨[J].热带气象学报,2014,30(1):92-100.

[9] 丁一汇,张 锦,徐 影,等.气候系统的演变及其预测[M].北京:气象出版社,2003:34.

[10] 龚 宇,邢开成,王 璞.沧州地区近40年来气温和降水量的变化趋势分析[J].中国农业气象,2008,29(2):143-145.

[11] 周 浩,杨宝钢,程炳岩.重庆近46年气候变化特征分析[J].中国农业气象,2008,29(1):23-27.

[12] 马晓群,张爱民,陈晓艺.气候变化对安徽省淮河区域旱涝灾害的影响及适应对策[J].中国农业气象,2002,23(4):1-4.

[13] 蔡 敏,张 智.河套地区大雨以上降水日数的气候变化特征分析[J].暴雨灾害,2014,33(4):401-406.

[14] 李志强.关于南水北调与沧州经济社会可持续发展[J].南水北调与水利科技,2004,2(3):8-13.

[15] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社,1999:58-66.

[16] 孙宏勇,刘昌明,王振华,等.太行山前平原近40年降水的变化趋势及其对作物生产的影响[J].中国生态农业学报,2008,15(6):18-21.

Characteristics of precipitation variation in recent 61 years and its influence on ecological environment in Xingtai City

HAO Ju-fei1, ZHANG Gong-wen2, LI Zhi-xia1, WANG Xiao-juan1, YANG Yun-ling1

(1.XingtaiMeteorologicalBureau,Xingtai,Hebei054000,China; 2.HandanMeteorologicalBureau,Handan,Hebei056001,China)

Based on the daily precipitation data from 1954 to 2014 at Xingtai meteorological observatory in Hebei Province, the characteristics of precipitation variation were analyzed with the methods of linear trend analysis, Mann-Kendall mutation test and sliding t test. The results showed that the rainy days in each month declined rapidly along with the increase of rainfall grades, and the maximum monthly rainfall amount and rainy days appeared in July, being 18.67d and 150.46mm in average, respectively. The light rain days and light-moderate rain days showed a significant decrease by -3.17 d·10a-1and -0.61 d·10a-1, respectively, while the days with other rain grades tended to decrease insignificantly; the total annual rainy days showed a significant decrease by -4.37 d·10a-1, in which the most obvious decline occurred in summer. The climate tendency rate of annual total rainfall was -18.23 mm·10a-1, in which the amount of light rain declined significantly by -5.22 mm·10a-1. The decline in total rainfall was caused by both the decrease of rainy days and the significant decrease of rainfall amount in light rain days and light-moderate rain days in summer. Furthermore, it was found that the mutation time of light rain days and light-moderate rain days was the mid and late 1970s and the end of 1960s, respectively, while the mutation time of total rain days and light rain amount was the early 1970s and the early 1980s, respectively.

rainy days； rainfall; Mann-Kendall test curve; sliding t test; Xingtai

1000-7601(2017)02-0271-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.43

2015-12-04基金项目：河北省气象科研项目(13KY32)；河北省邢台市气象科研项目(15xtky11)

郝巨飞(1981—)，男，陕西榆林人，工程师，主要从事气象服务与研究。E-mail:dragonland@126.com。

S162.3

A