龙口市近40年降水变化及其成因分析

赵燕+张念鹏+林东瑛+杨洪鉴

摘要：为了解龙口市的水资源变化特征，给龙口市的水资源调配和开发利用以及水利工程的效益发挥提供一定的科学依据，利用龙口市观测站近40年的年降水量，采用线性回归、累积距平法和5年滑动平均法分别进行了倾向性和阶段性趋势分析。结果表明：龙口市的全年降水贡献主要来自于夏季，夏、秋季节降水多，春、冬季节降水少，历年平均降水量总体呈减少趋势，气候倾向率为-11.765 mm/10年，大致与全国降水减少趋势吻合。

关键词：降水量；线性回归；滑动平均；累积距平

中图分类号：P426.6

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0184-04

1 引言

相对于全球性的持续变暖趋势，全球的年平均降水量也有所增加，这种增加也体现在极端降水事件上[1，2]。由于降水量变化格局及其区域分异存在较大的不确定性，分区域研究降水量的变化特征是当前全球气候变化研究的重要内容之一[3]。龙口市近两年的降水偏少，致使龙口市当前旱情特别严重，城市的工业供水、农村饮用水的安全都将受到威胁，农业灌溉用水将会匮缺，农业生产也将受到严重影响，山区作物和果树面临减产甚至绝产的风险，部分面临缺水死亡的困境。通过对龙口市的降水量变化的探讨，分析其阶段性变化趋势及成因，能更好的了解龙口市的水资源变化的特征，为龙口市的水资源调配和开发利用及水利工程的效益发挥提供一定的理论依据，对指导当地的农业生产、社会发展和保护生态环境具有重要的意义。

2 研究区域概况

龙口市属温带季风型气候，四季分明，气候宜人，年均气温11.6℃，冬天不低于-10℃，夏天也不超过40℃，根据6月份气象数据显示已有超过35℃；年均降水量630 mm，年内降水量分布不均，无霜期190多d。

龙口市地貌形态可分为山地、丘陵、平原三种类型：境内东南部为低山区，面积计155.62 km²，占全市总面积的17.47%；丘陵主要分布在南部低山北缘，属构造侵蚀和构造剥蚀类型，面积281.12 km²，占全市总面积的31.56%；平原根据成因及地貌特点，可分为山间河谷冲积平原、山前冲积平原和滨海堆积平原三种类型，总面积为454.03 km²，占全市总面积的50.97%。

龙口市与邻县、市多以山的分水岭为界，故境内河流皆源于东、南部山区，曲折西北行，共有大小23条河流，主要河流有黄水河、泳汶河、南栾河、龙口河、北马河、八里沙河，均为季节性河流。除黄水河、八里沙河外，其余河流皆为境内河流，属季风雨源型。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

采用龙口市观测站1969～2008年的逐日降水统计数据，计算出月降水量和年降水量，对龙口市近40年降水变化进行分析。

3.2 研究方法

3.2.1 线性回归及曲线拟合法

回归分析中，包括一个自变量和一个因变量，且二者之间的关系可用一条直线近似的表示，这种分析称为一元线性回归分析。如果回归分析之中包括两个或两个以上自变量，且因变量和自变量之间的关系是线性的，则称为多元线性回归分析，线性回归是回归分析中第一种经过严格研究并在实际应用中广泛使用的类型，这是因为线性依赖于其未知参数的模型比非线性依赖于其位置参数的模型更容易拟合，而且产生的估计的统计特性也更容易确定[4]。

采用线性回归方法分析龙口市近40年降水的年、季变化特征，为龙口市气候变化的预测和预报提供理论依据。降水的年和季变化特征采用一元线性回归方法和累积距平法，一元线性回归方程为：

b>0表示呈上升趋势，b<0表示呈下降趋势。曲线拟合基于最小二乘法原理，進行六阶多项式拟合，通过最小化误差的平方寻找数据的最佳函数匹配实现拟合曲线的目的拟合曲线的残差越大，表示资料变化愈不稳定，变幅愈大[5]。

3.2.2 累积距平法

距平值在气象上，通常是用来表示某个时段或时次的数据，相对于该数据在某个时段内的平均值是高还是低。累计距平法就是先计算每年的距平值，然后按年序累加，得到累积距平序列。根据距平值有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内降水量距平持续为正，当距平累积持续不变时，表明该时段内距平持续为零即保持平均，当距平累积持续减小时，表明该时段内降水量距平持续为负，据此，可以直观地分析降水量年际变化阶段[6]。

4 结果与分析

4.1 年内降水变化特征分析

龙口市属温带季风型气候，四季分明，通过对龙口市近40年降水量数据进行处理，得到40年月均降水量年内分布图（图1），可以看出龙口市降水年内分布不均，年内降水程单峰型特征：3～6月份降水量逐月增加，7月份降水明显突增，8月份开始稍减，9月份锐减，一直到1月份进入冬季，降水量减少到最少。年降水量的贡献主要来自5～9月份，占多年平均降水量的77.61%。从季节来看，冬季（12～2月）降水量最少，仅占全年降水量的3.9 2%，春季（3～5月）和秋季（9～11月）降水稍多，分别占全年降水量的14.42%和18.07%，而夏季（6～8月）降水量最多，占全年降水的63.59%。

4.2 年际降水变化特征分析

图2是近40年龙口市降水量随时间的变化曲线，根据计算得出，近40年年均降水量为6080 mm，最大降水量出现在2001年，降水量为7931 mm，其中1970，1971，1976，1978，1980，1985，1996，2007年，这些年份降水量均超过7000 mm。最小降水量出现在1991年，另外还有1999年降水量低于4000 mm。本文对降水量系列资料做线性回归及曲线拟合分析和5年滑动平均分析。根据线性回归分析可以看出，近40年来龙口市降水量整体呈现减少趋势，平均变化率为-11.765mm/a，相关系数R2=0.012，其曲线拟合方程为：

可见龙口市近40年出现一个降水偏多的时期和一个降水偏少的时期，1971～1973年降水偏多，1982～1985年降水偏少。从5年滑动平均可以看出，龙口市的年降水量从20世纪70年代到90年代初期呈波动下降趋势，从90年代初期至今呈不规则变动，总趋势是增加→减少→增加，可以看出龙口市近40年降水量呈不规则变动，降水量最少的时段出现在90年代初期。

仅仅根据各年降水量的多少很难清晰的反应龙口市的降水年纪变化是相对稳定还是变化明显，为此，引入降水变率即累积降水距平百分率来更准确地反映近 40年龙口市降水量的年际变化特征。降水变率是指一段时期内各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比，用公式表为：v=Q/P。式中V表示降水变率；Q表示各年降水量的距平数， 即为当年降水量与多年平均降 水量之差；P表示多年平均降水量。降水变率的大小反映降水的稳定性和可靠性，这是衡量水资源利用价值的一个重要指标，对农业生产、水土保持、自然灾害防治都有很重要的指导意义[7]。

对40年降水资料进行距平百分率分析（图3），分析表明，多年平均降水量偏多的有13年，偏少的也有15年，13年为正常年，分别占总年数的32.5%，37.5%和30%。其中降水量偏少30%的异常有6年，降水量偏少20%以上的有11年，其中80年代4年，90年代2年。80、90年代降水量偏少的年份增加，分别为7年和6年，其中1988、1989年降水连续偏少30%以上，降水量偏多30%以上的有1年，偏多20%以上的有7年，其中70年代3年，80年代1年，90年代2年，21世纪初1年。总体上看1969～2008年低于平均降水量的有23年，高于平均降水量的有17年，丰枯年代变化给龙口水资源的优化利用、水利工程的效益发挥及水质污染等的水环境变化都会带来较大影响。

4.3 降水的季节变化特征分析

根据1969～2008龙口市降水量的春季变化图可以看出（图4），近40年龙口市春季降水量整体上呈缓慢增加趋势，气候倾向率为3.97 mm/10年。春季降水量的最大值出现在1973年，降水量为1836 mm；降水量的最小值出现在1992年，降水量为287 mm；春季平均降水量为877.025 mm。春季各年降水量的波动性较大，除1996～2001年的降水相对较少外，其他的时段内均呈显著性波动状态。

从图5可见，近40年龙口市夏季平均降水量总体呈缓慢下降趋势，气候倾向率为-14.648 mm/10年。夏季降水量最大值出现在2001年，降水量为5988 mm；降水量最小值出现在1991年，降水量为1458 mm；夏季平均降水量为677.325 mm。 与年均降水量类似，20世纪70年代中期～90年代初期降水的变化波动较大。2003～2008年降水变化波动较小。

由图6可以看出，近40年龙口市秋季降水量总体上呈明显下降趋势， 气候倾向率为-9.22 mm/10年。秋季降水量最大值出现在1992年，降水量为2008 mm；降水量最小值出现在2006年，降水量为322 mm；秋季平均降水量为1098.85 mm。秋季各年降水量波动性较大，1971～1977年降水相对较多，1981～1991、1993～1999年降水较少，降水变化呈“多→少→多→少”趋势。

从图7可见，近40年龙口市冬季平均降水量总体呈显著上升趋势，气候倾向率为6.59mm/10a。冬季降水量最大值为811mm，出现在1997年；降水量最小值出现在1970年，降水量为2mm；冬季平均降水量为238.25mm。1969-1978年降水较少，其他时段均呈显著性波动状态。

4.4 成因分析

龙口市位于华北地区，属于温带季风性气候，同时受海洋和大陆的共同影响，同时，龙口市年降水量的贡献大部分来自于夏季，所以，当夏季风强的时候很大几率导致年降水量偏多，反之，当夏季风偏弱的时候则会导致年降水量偏少。从以上降水特征分析发现，如果夏季降水丰沛，则全年降水偏多的概率达到76.2%，仅有23.8%的年份是由于春、冬季降水较少的原因导致年降水偏少的情况；反之如果夏、秋季干旱，则全年降水偏少的概率达到94.7%，仅有5.3%的年份是由于春、冬季降水偏多，导致年降水偏多的情况。

同时，厄尔尼诺现象对降水的影响也很显著，近几年厄尔尼诺现象频繁，从以上季节分析中可以看出，2005年以后，厄尔尼诺现象明显，厄尔尼诺现象发生时，春季降水偏多，夏季和秋季降水显著减少，冬季不显著，发生厄尔尼诺的次年降水量偏多[8]。

人类活动对降水也有着重要的影响，随着经济的不断发展，人类对自然地改造越来越严重，植被面积大量减少以及河流河床、湖泊蓄水的锐减使得地面蒸发量减少，从而影响降水量的变化，这也与近40年龙口市降水量整体呈下降的趋势相符。

另外整个华北地区的城市化对龙口市的降水变化也有着一定的影响，随着人口的增加，社会环境发生了很大的变化，尤其是近几十年，城市化的进程迅速，城区面积加大，交通发达，建筑物鳞次栉比，道路纵横交错，使原有的下垫面条件发生了变化，城区及其附近地区也是高强度的经济中心，人口密集，要消耗大量的能源，造成大气污染，排放“人为热”，使城区增加许多额外热量，这些热量的排放对降水有着显著的影响[9]。

5 结论

利用龙口市观测站近40年的年降水量数据，采用线性回归、累积距平法和5年滑动平均法分别进行倾向性和阶段性趋势分析，得出以下结论：①龙口市降水年内分布不均，年内降水程单峰型特征，6月起降水明显增多，7、8月为峰值期，峰值出现在7月，而8月降水量略有回落，8月以后降水迅速减少。夏季（6～8月）平均降水量占全年的63%，说明龙口市夏季降水量的多少对水资源起着重要作用。②龙口市历年平均降水量总体呈下降趋势气候倾向率为-11.765 mm/10年大致与华北地区降水减少趋势吻合。相关系数R2=0.012，影响降水变化的因素有很多，自然和人类活动都会影响降水的变化，因此龙口市降水量变化还存在一定的随机性。③龙口市春、冬季平均降水量总体上呈上升趋势，气候倾向率分别为3.97 mm/10年和6.59 mm/10年。夏、秋季平均降水量总体呈下降趋势，气候倾向率分别为-14.65 mm/10年和-9.22 mm/10年。龙口市的降水量主要有夏季降水量多少决定。④龙口市降水年内分配不均主要是由于龙口市气候类型决定，龙口市属温带季风性气候，四季分明，夏、秋降水偏多，春、冬降水偏少。同时季风也影响着全年降水量的变化，当夏季风强的时候很大几率导致年降水量偏多，反之，当夏季风偏弱的时候则会导致年降水量偏少。另外厄尔尼诺现象、人类活动，以及整个华北地区的城市化发展都可对龙口市降水变化产生不同程度的影响。

参考文献：

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