基于M-K和GIS技术的唐山市降水量时空变化

徐海剑

（河北省唐山水文水资源勘测局，河北 唐山063000）

联合国政府间气候变化委员会（IPCC）第5次研究报告指出，近100年来全球平均气温升高了0.89℃，在21世纪中叶将升高1.36℃[1]。降水是影响经济发展、自然环境变迁的基础性资源因子，其时空分布模型和速率的改变将对陆地环境和居民生活产生重大影响。相关学者研究指出，在低纬度大陆东岸地区降水将趋于增加；随着西风环流加强，环北冰洋极地带将变得温暖湿润，而中纬度带将逐渐干化[2]。国内学者研究表明，华北和黄土高原地区降水量整体变化趋势不显著（p>0.05），但夏季降水量变化最明显[3]。这些研究从大尺度上揭示了降水变化特征，对宏观农业管理、国际减灾、全球气象监测具有重要意义，而目前针对小尺度上的研究特别是华北地区的报道仍然较少。鉴于此，本文拟采用M-K检验，并结合GIS空间可视化技术，量化唐山市降水时空变化速率，以期为区域气象预测、灾害管理、水资源配置提供参考信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

唐山位于华北平原京津唐工业核心区，行政面积13.472km2。区域属燕山地台向前海低地发育地形，海拔在0～843m之间，地势自北向南倾向，以低山、浅丘、平原为主。受中纬度季风环流与海陆热力性质影响，唐山地区形成温带季风性气候，季候分明、雨热同期，年平均气温11.89℃，降水量介于500～700mm，属半湿润区。区域水系多发源于北部山脉地区，河流短促、流量较小，水资源以降水、径流和地下水构成。降水是生态环境健康演替的重要驱动因子，也是经济社会可持续发展的支持要素，随着全球暖干化的气候演变趋势，对唐山市降水量时空变化带来深刻影响。

1.2 GIS技术

GIS （Geographic Information System，GIS）是 在现代计算机、测绘等技术发展支撑下形成的对空间数据采集、编辑、管理和空间分析的技术系统，其核心特点是对空间要素具有空间分析功能。降水是典型的空间分布性自然变量，为揭示其分布模式，多采用GIS方法对其进行可视化，而其中应用最多的是空间插值。空间插值是以半方差函数为基础的（Semivariogram），其设定区域化变量在局域间具有空间相关等特征[4]。 如式（1）：

式中 γ（h）为半方差函数；h为空间尺度；N为观测值数量；Z（xi）和Z（xi+h）分别为气温或降水在位置xi和xi+h处的数值。

1.3 M-K检验

区域降水量具有多时间尺度特性，通常从日、旬、月、季、年尺度上进行度量，本文主要分析年、季尺度上降水变化特性。降水随时间的变化规律，多采用时间序列分析方法，其中以M-K突变检验应用最广泛，其能够排除特异值、局部噪声的影响，检测出降水变化的宏观和细节特征，并被世界气象组织推荐而广泛应用[5]。对于时间序列变量（x1，x2，…，xn），n为时间序列长度，M-K法定义了统计量S，如式2）。

其中Sgn（）为符号函数，规则如式（3）：

S为正态分布，其均值为0，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18，当n>10时，正太分布统计量计算如式（4）：

若Z>0，则表明降水在该时间序列呈增加趋势，否则为降低趋势，且绝对值越大，则趋势越明显。

1.4 数据来源与处理

从中国气象中心气象数据服务网站下载了唐山市境内12个气象站点的逐日降水数据，鉴于部分站点数据缺失，为保持数据完整和统一，确定研究时域为1980～2015年。将逐日降水数据先按照月进行累加，再统计季节、年尺度上的逐年降水量。唐山市降水变化趋势分析在Excel2016软件中进行，基于GIS的空间可视化在Surfer13.0平台上完成，M-K突变检验则运用Matlab2016b编程计算。

2 结果与分析

2.1 唐山市降水时间序列特征

应用一元回归分析，拟合了1980～2015年唐山市降水量年、季降水量变化趋势，如图1。

图1 唐山市年季降水量变化趋势

由图1可知，研究时域内唐山市年降水量最高值出现在2013年，达714.3mm，最低值为2000年的431.08mm，极差283.22mm；统计显示近35年降水量均值533.02mm，变异系数26.82%，呈中等程度变异，表明唐山市降水量年际变化较大。年降水倾向斜率为-1.1245mm/a，并通过5%水平信度检验，表明唐山市年降水呈减小趋势，并且显著。4个季节中，以冬季降水量呈增加趋势，达0.0226mm/a，其余均为减少趋势，同王秀玲[6]的研究一致，唐山市冬季降水增加趋势达到显著水平。以夏季降水量变率最大，达-0.6647mm/a，p=0.0132，说明近36年来全球气候变化对唐山市夏季降水影响最大。春秋季节降水量亦呈现减少趋势，倾向斜率分别达-0.1535和-0.1694mm/a、春夏之际是唐山市农作物生长关键期，降水量的减少变化容易引发旱灾，造成作物减产；同时也会引起供水困难。

2.2 唐山市降水突变分析

应用M-K检验能够监测降水量局部趋势变化。如图2，图中方框代表UF值，其是降水量经趋势归一化后的值，其值大于0，表明降水量变化趋势呈增加特征，反之表明降水量呈减少特征；UB为变化趋势检验值，虚线为阈值线，本文设定阈值水平为±1.96，当其超过阈值水平，说明其局部变化趋势显著；UF和UB曲线的焦点表示突变点。

由图2可知，唐山市年降水量UF，UB曲线在2010年处相交，表明该年是突变年，结合降水变化趋势可知，由不稳定趋势突变为减少趋势，但并未触及阈值线（P>0.05），表明该突变不显著。春季降水量的UF值多小于0，仅在部分年份大于0，表明春季降水多呈减少特征；UF，UB曲线不存在交点，表明未产生突变。夏季降水量的UF曲线变化特征与年降水量的十分一致，主要由于唐山降水量主要集中于6～8月，夏季降水的密集，导致其与年降水变化趋于相似。M-K检验表明，1999年为夏季降水的突变点，由波动趋势突变为减少趋势，但并不显著（P>0.05）。通过观察UF值趋势特征可知，秋季降水量相对平稳，突变点为2001年，但不具有统计意义（P>0.05）。冬季降水变化存在明显的阶段性特征，1980～1995年降水略呈增加趋势（UF>0），在1996～2009年至今呈波动减少（P<0），而在2010～2015年由变化为增加趋势（UF>0），相应地，1995和2011年为突变点（P>0.05）。

图2 唐山市年季降水量变化M-K检验

2.3 唐山市降水量时空变化

运用M-K检验对1980～2015年唐山境内12个气象站点的年、季降水量进行Z值统计，并以Z值为基础，运用Kriging插值法进行空间估计。Kriging插值过程中先对原数据进行平滑处理，设置为2阶趋势，依据决定系数R2接近于1、残差RSS接近于0的原则选择最优拟合模型，进行插值，如图3。各站点年际降水量变化Z值略有不同。从年降水变化来看，玉田站变化最小，仅-0.16mm/a；乐亭站最大，达-1.65mm/a；全局降水呈减少趋势 （Z<0），Z值在空间上呈现自东南向西北递减趋势。就春季降水量而言，除了玉田、遵化、丰润和迁西站降水呈增加趋势外（Z>0），其余站点呈减少趋势，Z值呈西北、东南向中部减少分布。各站点夏季降水量Z值均小于0，Z值大小呈带状延伸。秋季降水量Z值介于-1.55～-0.58mm/a之间，呈东南—西北减小特征。冬季，除了乐亭站降水略呈减少趋势（Z=0.14mm/a）外，其他站点均为增加趋势，以西北部遵化站增率最大，Z值为1.22mm/a。

图3 唐山市降水量时空变化

3 结语

（1）从时空角度上定量分析了唐山市年季降水时空变化，表明年降水量和春、夏、秋季降水量呈显著减少趋势，冬季降水呈现明显增加趋势，这种变化特征将对区域生态环境演替、灾害管理、水资源规划带来深刻影响。

（2）夏季为唐山市降水集中的季节，随着夏季降水减少一定程度上减小了洪涝灾害压力，但加剧了伏旱的风险；冬季降水的增加主要以降雪的形式呈现，这意味着区域暴雪、暖冬的概率增加。

（3）降水为水循环过程关键环节，区域降水总量的减少将导致气候环境的暖干化发展，这对区域水资源供需平衡较为不利。