承德市降雨量时间序列特征分析

刘剑达

（河北省承德水文水资源勘测局，河北 承德 067000）

降雨作为重要的气候资源，为生态环境健康与人类社会发展提供资源支撑［1-2］。然而近现代以来工业化迅速发展、人口膨胀等因素深刻影响了气候系统历史稳定机制，从而改变了局地乃至全球的降雨过程模式。政府间气候变化专门委员会（IPCC）研究指出，以气候变暖为主要特征的全球气候变化已成事实［3-4］，与此同时局部地区降雨丰度与分布特征也在发生着潜移默化的改变［5］。研究降水的时空变化规律，对分析气候变化的社会响应具有重要意义。本文以承德市为案例，探究该地降雨时间变化与空间特征，以期为降雨预报、气象灾害管理提供参考依据。

1 研究区概况

承德地处河北省东北部，处于华北和东北两个地区的连接过渡地带，地近京津，背靠蒙辽，省内与秦皇岛、唐山两个沿海城市和张家口市相邻。城市跨度从北至南269km，从西往东280km。行政区域面积39702.4km2，占河北省总面积的21.15%。

2 资料来源与数据处理

从国家气象中心数据网站提供了全国各地有效的地面气象观测资料，从中提取了承德市内的气象站点及其降水资料。资料源的时间分辨率为逐月的，时间域为1951～2018，共计9个站点。其中部分气象资料中部分日数据存在缺漏，运用3次样条函数法内插处理。分析逐月降水量数据，并计算各季节降水量，其中季节标准为：3～5月为春季；6～8月为夏季；9～11月为秋季；12月～次年2月为冬季，并采用线性回归方法绘制其变化趋势图。

2.1 承德市降雨量线性趋势特征

图1为承德市1951～2018年降水量时间序列变化。可知春季降雨量介于25.9mm（1955年）～232.1mm（2009年），最大最小值相差9.7倍，其平均值为24.07，变异系数58.15%，呈中等程度变异，近67年间的综合趋势为y=0.6319x-1156.2，R2=0.0655，但并未通过5%水平信度检验。夏季降水量最高值出现在1962年，为876.9mm，最低值为1968年的99.2mm，另外1978，1987，1996，2004，2010年夏季降水异常丰富，高出平均水平的45%～85%；1955，1989，2002年均为历史极低水平，低于平均值的35%～55%。夏季降水量达452.95±165.60mm，变异性为36.56%，降雨量占年降雨量的65.52%，这种集中性强、强度大的降雨特征易于引发洪涝灾害；其宏观趋势表明呈弱增加特征（y=0.8386x-1211.2，R2=0.1）。夏季过后季风对区域的影响逐渐减弱，因而降雨量锐减，秋季降水量仅116.31±64.87mm，变异系数达55.78%。近67年来秋季降水量异常高值典型年为1961，2003，2005年，降雨量达299.5，283.1，312.9mm； 异常低值的典型年为1957，1981，1998，2006年，其降雨量不足35mm。 秋季降雨量呈现减少趋势（y=-0.3374x+785.98，R2=0.0106），但并不显著。冬季降雨量最少，仅占全年的3.45%，然而具有较高的变异性，变异系数达为58.15%。其中1995和 1999 年 冬 季 降 雨 不 足 1mm，1951，1979，1990，2001，2016年表现出异常高值，降雨达到54.9～66.5mm之间，综合来看其波动性较大。冬季降雨的倾向趋势为y=-0.0226x+68.842，R2=0.001。承德市年降雨量变化区间为320.7mm（1968年）～1159.2mm（1962年），其平均水平为691.24±189.19mm，变异系数为27.37%，呈中等变异性；近67年来区域降雨变化趋势为y=1.1105x-1512.6，R2=0.0135，趋势并不显著。

图1 承德市降雨量倾向趋势

2.2 承德市降雨量周期性分析

周期性特征是降水量时间序列变化的内在规律之一，是降雨变化的系统性特征，这对中长期水资源调配、气候预测、气象灾害防御具有重要意义。运用Morlet小波核函数识别承德市年、季降水量震荡周期，结果如图2。图中闭合曲线为Morlet小波信号，其指示了循环周期的分布，就年降雨量来看图2（a），其主周期为5a，在各年代均显著；其次是10a的周期。春季降水量的主周期为5a，另外有13a和20a两个次周期。秋季降水量以10a的周期最显著，冬季降水量以3a的周期显著。综合来看，区域降水量的显著周期主要是3～5a的短周期，而长周期不显著，这也反映了区域降水量变异性频繁。

图2 承德市降水量周期性特征

3 结语

研究了1951～2018年承德市降雨量过程变化，结果显示区域年际与春夏季节降雨量呈现增加趋势，而秋冬季节降雨量呈现减少趋势，但均未达到统计显著性，这表明该地区降雨量宏观趋势尚不清晰，有待深入解析。然而值得确定的是，区域降雨量具有明显的波动性，其震荡周期较短的特征也增加了总体趋势的复杂性，这可能与气候变化有密切联系。降雨过程模式的改变具有渐进性、突变性特征，然而这对生态环境、居民生活有重大影响，应注重提升城市对极端降水的应对能力。