山西省降水量变化特征分析

程 俊

(山西省阳泉市水文水资源勘测分局，山西 阳泉 045000)

1 研究背景

水资源是保证人类生存的必要条件，对农业、工业和自然生态系统都至关重要，而气候变化对降雨产生的影响，进一步导致了水资源在时间和空间上的重新分配和水资源数量的改变[1]。大气降水是地表水和地下水的最终补给来源，是水资源中最重要的一环。降雨的变化会导致径流和可用水量发生变化，近年来，有众多学者对全国各区域的降水特征进行了大量研究[2-4]。分析研究降水量的变化特征，对防汛减灾、水资源开发利用和水资源综合规划均有重要的现实意义[5]。

2 数据来源与研究方法

本文所参考的降水量资料全部采用1956—2016年经过整编的水文资料及部分气象站同步期实测资料，精度较高，且具有一致性。

分析站点选用的原则是：资料观测系列较长，精度较高，面上分布均匀，且能反映地形变化影响的站点。根据资料情况，在降水量变化梯度较大的山区，站点相对较密；在平原区则着重考虑站点的均匀分布；在站点较稀的地区，适当增加了一些资料系列较短的雨量站，经过插补延长处理后作为辅助站点参考使用。

通过选用站点降水量月平均情况分析了山西省降水量的年内分配特征，利用线性趋势法、滑动平均法、Mann-Kendall趋势分析法(以下简称M-K检验法)、滑动t检验法、Morlet小波分析法等方法对降水量的年际变化特征进行了分析。

3 年内降水量分配分析

山西属于温带大陆性季风气候，降水量年内分配的一般特征是受季风影响，冬季处在极地大陆气团控制下，仅当极地和变性极地气团过境时，产生少量固体降水，且南部多于北部，山地大于川谷；春季由于冬季风势力的减弱和夏季风逐渐活跃，降水量比冬季明显增多，但就总量来说，占全年降水量的比例不足20%；夏季是山西省降水量特别集中的季节，由于受季风影响，降水量高度集中，约占全年总降水量的60%，且越往北部比例越大；秋季是夏季风过渡到冬季风的转换季节，降水量比夏季显著减少，且分布形式与夏季有所不同，呈现出由北向南增加，由高山向盆地减少的趋势。降水量在年内各季节分配极不均匀，山西省降水量年内分配见图1。

经分析可得出山西省降水量年内分配特征:

a.降水量在年内的分配呈现单峰型，夏季和秋季多雨，汛期(6—9月)降水量占全年的71.3%。

b.汛期降水主要集中于7月、8月，占年降水量的45.2%。

c.冬季干旱，12月至次年2月的3个月是全年降水最少的时期，降水量仅占年降水量的3.2%。

图1 山西省降水量年内分配

4 年际降水量变化分析

4.1 年降水量变化趋势分析

利用线性趋势法、滑动平均法和M-K检验法对山西省1956—2016年平均降水量变化趋势进行分析，见图2。

图2 山西省降水量年际变化

由图2可看出，山西省降水量年际变化大，丰、枯悬殊。1964年和1965年分别出现最大和最小年降水量，降水量极值分别为721.7mm和304.2mm，最大年降水量是最小年降水量的2.4倍。年降水量极大值和极小值均出现在1980年之前，近年来年际最大变幅呈减小趋势。由年降水量线性趋势线可看出，山西省年降水量呈现减小趋势，线性递减率约为每10年5.5mm。由5年滑动平均曲线可看出，山西省降水量波动呈现减小趋势，有一定的周期性。

利用M-K检验法对山西省年降水量变化趋势作显著性分析，取显著性水平为α=0.05，其中M-K趋势指标U=-0.72，|U|

4.2 年降水量突变分析

利用M-K检验和滑动t检验法对山西省1956—2016年降水系列进行突变分析。

图3 降水量M-K统计量曲线

由图3可知，在M-K曲线中，UF和UB曲线有多个交点，均出现在20世纪五六十年代，分别为1956年、1958年和1964年。

图4 降水量滑动t统计量曲线

由图4可知，由M-K检验识别的突变点年份，在子序列长度为10年的滑动t检验中均未通过α=0.05的显著水平检验，因此大致判断山西省近61年的年降水量未发生突变。

4.3 年降水量周期分析

利用Morlet小波分析法对山西省1956—2016年降水系列进行周期分析。将山西省1956—2016年降水系列进行Morlet小波分析后得到其小波系数实部等值线图、模等值线图、方差图，见图5、图6、图7。

图5 降水量小波系数实部等值线

图6 降水量小波系数模等值线

图7 降水量小波方差

在图5中，数值越大颜色越浅，表征降水量偏多期，数值越小颜色越深，表征降水量偏少期。由图5可看出，山西省年降水量存在4个比较明显的特征时间尺度，分别为28年、19年、10年和5年，其中19年左右的特征时间尺度主要存在于1980年之后，没有贯穿整个研究时段。

由图6可看出，28年、19年、10年和5年左右的特征时间尺度对应的小波系数模值较大，说明其周期较为显著，其中28年左右的时间尺度震荡能量最强，其次是10年左右的时间尺度。

由图7可看出，山西省年降水量的小波方差存在4个较为明显的峰值，分别为28年、10年、6年、4年，其中28年左右的特征时间尺度对应最大峰值，同时该尺度下周期震荡也最强烈，因此判断山西省年降水量有28年的第一主周期。

5 结 论

山西省降水量在年内分配极不均匀，主要集中在夏秋两季，其中7月和8月的降水量占全年的近一半，在这两个月，常有历时短、雨强大的短时强降雨发生。

山西省降水量年际间变化剧烈，在近年来呈现不显著的减少趋势，没有明显的突变，有较为稳定的周期变化，第一主周期为28年。根据降水量的变化趋势，预计未来几年降水量会有所减小。

山西省地处黄土高原东端，其部分水系上游的支流流域内植被较差，森林覆盖率低，水土流失十分严重。而且由于各支流都是山区性河流，纵坡普遍较大，产汇流时间短，水流湍急，推移质比重较高，在降雨集中的夏季极易发生山洪灾害和滑坡、泥石流等地质灾害。因此，根据山西省的降水变化特性，在上游山区建立雨水收集系统，在有条件的地区建设新型海绵城市，对缓解区域内水资源短缺、季节性缺水和预防山洪、地质灾害都有重要意义。