1951-2015年西安市大气降水资源趋势分析及预测

徐盼盼,林 涛，3,钱 会,杨 咪

(1.长安大学 环境科学与工程学院,西安710054; 2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,西安 710054； 3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075)

随着全球人口的不断增长和社会经济的高速发展，人们对水的需求量越来越大，水资源匮乏已成为很多国家和地区经济发展的严重障碍[1]。我国水资源受海陆位置、水汽来源和地形地貌等因素的影响，在区域上分布极不均匀，尤其是约占我国1/3面积的西北地区，水资源量仅占全国总量的4.6%，属于严重缺水区[2]。同时，随着全球气候变暖，海平面上升，极端天气和气候灾害频繁发生[3]，对水资源产生了不可忽视的影响。目前，对区域水资源的研究已成为研究热点[4-6]。

一般来说，区域水资源的丰富程度取决于降水、蒸发和径流量的多寡。从气象的角度考虑，降水量与陆面蒸发量分别反映了一个地区水资源的收入与支出情况，两者之差为可利用降水量，是大气降水各分量中(降水量、蒸发量和可利用降水量)可被人实际利用的降水资源，其量的大小基本表征了该区域水资源的多少[7-8]。近年来，很多学者开始关注可利用降水量的变化[9-11]。李鹏飞等[9]将我国干旱半干旱区50 年来东、西部的降水量和潜在蒸散量联系起来，得出东、西部气候变化存在着显著差异。陈豫英等[10]分析了50 a来宁夏可利用降水的时空变化及其对生态环境的影响，研究表明宁夏大部分地区植被系数值的变化与自然环境和水分资源密切相关。程肖侠等[11]对陕西近50 a可利用降水资源的气候变化特征进行分析，并讨论了水资源对气候变化的敏感性。总之，大气降水资源各组分发生的变化与生态环境及生态安全密切相关，它必然会对水资源、农业和生态系统产生深远的影响[12]。因此，大气降水资源各分量将是一个地区气候干旱研究的重点。

作为东、西部结合枢纽的西安市地处西北内陆腹地关中平原中部，是西北地区的国际化大都市，也是陕西省的政治、经济、文化和科教中心。随着“一带一路”战略目标的推进下，西安在“丝绸之路经济带”建设中迎来了难得的发展机遇。但由于其南部秦岭山脉阻挡了湿润气流，使得降水分布极其不均匀且偏丰的年份较少，加之西安市的用水量逐年增加，使得旱灾频频发生[13]。在380—1983年的1604年中，干旱发生529次，其中大旱127次，基本符合“十年一大旱，三年一小旱”的农谚[13]。

在气候变暖背景下，西安市大气降水资源的变化势态如何？不同季节与全年变化的趋势是否一致？不同季节和全年对全球气候变化的响应程度是否相同？这些问题都值得探讨。因此，本文基于线性趋势法和距平法系统分析月尺度、季尺度和年尺度大气降水资源的变化特征，采用逐步回归周期分析法对未来10 a大气降水资源的发展趋势进行预测，可以更好地了解西安市降水资源对全球气候变暖的响应程度，对西安市未来水资源规划、开发和利用具有重要的学术价值和实际意义。

1 资料与方法

1.1 资料

本文选用西安市气象站(108°56′E，34°18′N)1951—2015年的逐月平均气温和逐月降水量观测资料，该数据来源于中国气象科学数据共享服务网和陕西省统计年鉴。该站点与西安市气象局整编的长安站1959—2013年逐月平均气温和降水达到了99.9%的相关水平，表明西安市站的气象资料与邻近的长安站较为一致，代表性高，确定性强，可以准确地反映西安市的气象特征[13]。

1.2 方法

1.2.1 假设检验法 针对气象站的不同短系列降雨资料，用假设检验法对其进行检验，如果通过检验，说明资料系列可视为同一总体，即总体资料具有一致性[14]。一般基于t分布和F分布来确定统计量的接受与舍弃区间，其原理为利用计算得到的统计量与选定的临界值比较，若统计量不属于接受区间，则舍弃；反之则接受[14]。

F检验法通过比较两组数据的方差，判断精密度是否存在显著性差异。根据F分布表查得临界值，看其两组数据是否有显著差异。F检验法计算公式为：

(1)

式中：xi,yi,m；n分别代表系列样本数据和样本个数，且F值服从F(n-1；m-1 )的分布。

t检验用t分布理论判断两个总体平均数之间是否有显著差异，其统计量t值的计算公式为：

(2)

式中：xi，yi，m；n分别代表两系列样本数据和样本个数，且t值服从自由度为m+n-2的t分布。根据t分布表查得临界值，如果t

1.2.2 可利用降水量的计算 可利用降水量为降水量与陆面蒸发量之差，即可被人类所利用的降水资源。在实际情况下，影响蒸发的最主要物理因子是降水和温度，同时考虑到实际陆面蒸发量受气象条件、土壤性质及地表植被等因素的限制，所以利用蒸发皿观测的陆面蒸发量对实际陆面蒸发量的代表性并不好[15]。因此，采用高桥浩一郎的经验公式来计算(实际)陆面蒸发量[16]，该方法仅用月平均降水量和气温即可对蒸发进行估算，方法简便，特别是克服了在低温下无法计算和陆面蒸发会大于降水的缺点。在我国华北、西北、西南地区水资源问题的研究结果证明该方法是合理可信的[1]，可利用降水量的计算公式为[17]：

W=P-E

(3)

(4)

1.2.3 逐步回归周期模型 在分析大气降水各分量隐含周期的基础上，依据逐步回归周期分析原理，对未来10 a的变化趋势进行了预测。逐步回归周期分析就是将预报对象进行分组，每组按一定的周期进行延长，使其长度与预报对象相同，将各组的平均值作为逐步回归的因子，被筛选出的因子就是预报对象的隐含周期[18-20]，其数学模型为

(5)

式中：X(t)为预报对象；bi为回归系数；pi(t)为通过检验的周期项因子；εt为序列的噪声项。

2 降水特征分析

2.1 降水一致性分析

基于西安市站1951—2015年的降水资料系列，将其分为1951—1980年共30 a和1981—2015年共35 a的两个短降水系列，利用F检验法和t检验法对整个降水系列的一致性进行分析，在显著性水平α=0.05时，其分析结果见表1。由表1可知，两个短系列降水资料的各项统计值均通过检验，表明西安市站1951—2015年的降水资料可以视为整体连续应用，即该序列资料具有一致性。

表1 假设检验成果表

2.2 可利用降水量的月际分布

由图1可知，西安市降水主要集中在4—10月，占全年的86.88%，其中7—9月降水量最多，占全年48.29%，各月均超过75 mm。蒸发也主要集中在4—10月，占全年的85.91%，其中在6—9月蒸发量最多，均超过50 mm，占全年的57.47%。降水量和蒸发量的月际分布导致西安市地区可利用降水量以9月最大，为40.03 mm，依次是7月和10月，分别为22.70 mm，20.03 mm，其他月份可利用降水量均低于20 mm。从各月可利用降水系数看，4—11月(除6月)均大于0.2，其他月份均低于0.2，可见从月际分布看，降水利用率普遍较低，蒸发率普遍较高。

2.3 可利用降水量的季节分布

从西安市季节可利用降水量距平及累积距平演变趋势图(图2)可见，1951—2015年西安市四季可利用降水量有着明显的年际及年代际变化特征。

春季可利用降水量呈0.17 mm/a的减少趋势，通过了95%的置信度检验，最多与最少的年份分别出现在1987年和1955年，为106.35 mm和0.25 mm，前者高于均值79.58 mm，后者低于均值26.52 mm。从年际变化特征看，20世纪70年代中叶前和2007年之后可利用降水量偏少，在此期间以1987年为界，基本呈现先增后减的趋势。

图1 1951-2015年西安市多年平均P，E，W 的逐月分布

夏季可利用降水量呈0.45 mm/a的减少趋势，最多与最少的年份分别出现在1957年和1977年，为252.88 mm和3.48 mm，前者高于均值204.40 mm，后者低于均值45.00 mm。从年际变化特征看，20世纪60年代末为界限，整体为先增后减的趋势，在1975年之后，呈现出一个波动中减少的趋势。

秋季可利用降水量呈0.17 mm/a的减少趋势，最多与最少的年份分别出现在1987年和1998年，为266.76 mm和6.03 mm，前者高于均值199.51 mm，后者低于均值60.95 mm。从年际变化特征看，20世纪90年代中叶为界，整体为先增后减的趋势，转为一个相对缺乏期，特别在2000年之后进一步加剧，可利用降水量为负值的年份一共12 a。

冬季可利用降水量呈0.03 mm/a的减少趋势，通过了90%的置信度检验，最多与最少的年份分别出现在1989年和1992年，为28.94 mm和0.02 mm，前者高于均值26.00 mm，后者低于均值2.92 mm。从年际变化特征看，呈现了4个丰枯周期的交替变化，其中1950—1957年、1972—1977年、1988—1992年、2002—2007年为偏丰期，1958—1971年、1978—1987年、1993—2001年、2008—2015年为偏枯期。

从西安市年内季节降水资源的分布特征看(表2)，春夏秋三季的降水量、蒸发量和可利用降水量分布具有一致性，占全年的比例分别高达95.84%，95.11%和97.98%，而冬季所占比例很小，可见年内季节大气降水的各组分分布及其不均匀，不利于水资源的合理利用。四季的蒸发系数远大于可利用降水系数，表明西安市可利用的降水资源很少，原因在于四季的温度呈明显的上升趋势，均通过了99%的置信度检验，降水均呈减少的趋势；可利用降水与温度呈负相关(表3)，与降水呈正相关，且相关系数达0.90～0.98(表3)。总之，近65 a西安市四季可利用降水量均减少，对西安市社会、经济可持续发展将产生负面影响。

表2 1951-2015年西安各季平均降水资源分布

表3 1951-2015年西安市各季降水、温度和可利用降水的M-K检验值及其相关系数

注：*、**和***分别表示通过了信度90 %，95%和99%的显著性检验。

2.4 年可利用降水量的变化特征

1951—2015年西安市可利用降水量距平及累积距平演变趋势见图3。西安市平均年可利用降水量以1983年最多，为395.23 mm，比多年均值多249.80 mm；1995年最少，为33.61 mm，比多年平均少111.83 mm。从年代际变化特征来看，20世纪90年代中叶为界，之前可利用降水偏多，波动中上升，之后可利用降水偏少，呈明显的减少趋势。

年降水量、年蒸发量和年可利用降水量的均值分别为572.44 mm，427.00 mm和145.44 mm，可利用降水系数为0.25。年可利用降水量呈减少趋势，平均每年减少约0.82 mm，通过了置信度为95%的检验(表4)，主要因为年均降水和年均温度分别呈减少和增加的趋势，分别通过了置信度为90%和99%的显著性检验，且可利用降水与温度和降水的相关系数为-0.25，0.93，再加之蒸发量的M-K检验值Z为0.22，呈增加的趋势，因此，可利用的降水资源减少明显。

3 全球气候变暖对西安市可利用降水量的影响

在全球变暖的大气候背景下，各地区气候表现出了一定的差异性与一致性。西安位于西北内陆地区的关中平原腹地，属于暖温带半干旱、半湿润大陆性季风气候，具有明显的区域气候特征，其可利用降水量也具有自身的特点。

由图4可知，西安市年均气温总体呈上升的趋势，其线性变化的斜率为0.04℃/a，大于全球年均气温线性变化的斜率0.01℃/a[1]。从年际变化看，1951—1993年西安市气候属于偏冷期，1993—2015年属于偏暖期，在1997年之后气温上升尤为明显。

为了研究全球气候变暖对西安市可利用降水量的影响，选取1961—1976年为全球偏冷期及1997—2006年为全球偏暖期[1]，分别计算了两个时期西安市全年及四季可利用降水量的平均值。由表5可知，在偏冷期，春、秋季和全年可利用降水量相对于多年平均偏多，而夏季和冬季可利用降水量相对于多年平均偏少；在偏暖期，四季和全年可利用降水量相对于多年平均偏少，可见，除了夏季和冬季可利用降水量对偏冷期气候响应不明显，其他时段对不同时期气候响应显著。总的来说，全球气候的不断变暖，西安市可利用降水量减少。

图2 1951-2015年西安市季节可利用降水量距平及累积距平

表4 1951-2015年西安市年均降水、温度和可利用降水的M-K检验值及其相关系数

注：*，**和***分别表示通过了信度90 %，95%和99%的显著性检验。

图3 1951-2015年西安市年可利用降水量距平及累积距平

时段偏冷期(1961—1976年)可利用降水量均值/mm可利用降水量距平/mm偏暖期(1997—2006年)可利用降水量均值/mm可利用降水量距平/mm春37.4210.6416.24-10.53夏25.97-22.5141.08-7.40秋88.9521.7056.63-10.62冬2.30-0.64-2.83-0.11年154.649.19116.78-28.66

图4 1951-2015年西安市年均气温距平及累积距平

4 未来10 a大气降水资源的变化趋势预测

4.1 预报要素拟合分析

基于逐步回归周期分析法，建立了年降水量和年蒸发量的预报方程，在此基础上对1951—2015年西安市年降水量和年蒸发量进行了拟合，见图5。在中长期水文预报值相对误差小于20%的要求下[21]，各要素拟合预报合格率均为100 %，表明模型精度满足要求，完全可以用于预报，此外，对于可利用年降水量的预测，直接采用年降水量和年蒸发量的差值即可。

图5 1951-2015年西安市年降水量和蒸发量实测与拟合

4.2 各气候要素的预报

表6显示，在未来10 a，西安市年降水量、年蒸发量和可利用年降水量负距平分别有6 a，7 a和6 a，且变化斜率分别为-4.37 mm/a，-1.38 mm/a和-2.99 mm/a，可见，降水量、蒸发量和可利用降水量均呈减少态势。

表6 未来10 a西安市年降水量、年蒸发量及可利用年降水量及其距平值

5 结 论

(1) 西安市大气降水资源年内分布不均匀，春夏秋三季的降水量、蒸发量和可利用降水量占全年的比例分别为95.84%，95.11%和97.98%，冬季所占比例很小。可利用降水量除7月、9月、10月，其他月份均低于20 mm，降水利用率普遍偏低，蒸发率普遍偏高。此外，四季可利用降水量均减少，气温上升显著，导致年可利用降水量明显减少。

(2) 西安市对全球气候变化的响应程度既有一致性，也有差异性。一致性表现为在偏冷期，春、秋季和全年可利用降水量相对于多年平均偏多，在偏暖期，四季和全年可利用降水量相对于多年平均偏少；差异性表现为在偏冷期，夏季和冬季可利用降水量相对于多年平均偏少。

(3) 基于逐步回归周期原理，西安市未来10 a年降水量、年蒸发量和可利用年降水量均以负距平为主，且变化斜率分别为-4.37 mm/a，-1.38 mm/a和-2.99 mm/a，即大气降水资源的减少势态可能会持续。因此，在未来10 a中，应考虑可利用降水量将减少的预测结果，为水资源保护与合理规划和利用提供科学依据，以保证西安市水资源的可持续发展。