近50年来四川省降水量时间变化规律研究

王君勤，何 勇，王小允，康小平

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.四川省都江堰水利发展中心通济堰管理处，四川 眉山，620800)

0 引言

气候变化对水资源的影响程度较大，水资源的根本来源是降水量，且降水量是水资源评价的主要元素之一[1－2]，因此研究气候变化背景下降水量的时空变化规律具有重要科学意义。赵嘉阳[3]通过将中国按照地理位置划分为七个气候区，对1960－2013年中国降水量的年际、季节时空变化特征、未来变化趋势进行分析，指出除西南地区外，降雨量在其它六个地区和全国均呈不同程度增加趋势。国内很多学者对不同地区的降水量近50年的变化做出了研究，得出了不同分区降水量的变化趋势[4－8]。谢晓平等[9]以Mann－Kendall趋势分析、Morlet小波分析等方法对60年来福建降雨情况的分析，得出福建省降雨时空分布特征，其总体呈不显著增加趋势。高戈斌等[10]研究分析沿海地区及6个子区域1951－2016年降水量的年际与季节时空演变格局，得出其年降水量无明显变化趋势，季节降水量在东北沿海地区秋季、华北沿海地区夏季、黄淮沿海地区春季及江南沿海地区春季和夏季均存在显著上升趋势，其中江南沿海地区的季节降水量变化最剧烈，且沿海各子区域降水量均存在次数不等、时间点不同的突变。

目前对四川省不同分区降水量的时间变化规律研究较少，本文利用四川省8个农业分区和1个非农业区1966－2017年共52年的逐月降水量资料，利用Mann－Kendall趋势和突变检验、线性倾向率和云模型法研究四川省不同分区多年降水量的时间变化特征和变化趋势，寻找其时间分布规律，以期为四川省不同分区水资源调度、水资源合理开发利用以及洪水预警提供决策依据。

1 研究区概况

四川省地形地貌复杂，境内高原、山地、平原、丘陵、河谷纵横，独特的地理位置和复杂的地形地貌造就了气候类型的多样性和生物资源的丰富性，农业种植制度与种植模式也多种多样。为便于比较分析，根据地理位置、地形地势和气候环境等特点，将四川省分为8个农业生态区(Ⅰ－Ⅷ区)和1个川西北高原非农区，遵循典型性和全面性的原则在每个农业生态区选取1个代表性站点，在川西北高原非农业区选取5个代表站点进行定量化研究，如图1和表1所示[11]。将雅安、成都、遂宁、平武、宜宾、巴中代表的区域称为四川盆地，遂宁代表的区域为四川盆地中部地区，其他几个站点代表的区域称为盆周地区。四川省不同分区13个代表站点1966－2017年逐月的降水量数据来源于中国气象服务共享网站(https://data.cma.cn/)。

图1 四川省8个农业区(Ⅰ－Ⅷ)和1个非农业区及其站点分布

表1 四川省8个农业生态区划分的主要依据

2 研究方法

2.1 云模型

采用云模型来表征四川省不同分区年降水量在近50年变化特征的均匀性和稳定性，云的整体形状反映了定性概念的重要特性。云模型的数字特征用期望Ex、熵En和超熵He三个数值来表征，这3个数字特征值把模糊性和随机性完全集成到一起，构成定性和定量的相互映射[12]。

图2 云模型的数字特征

2.2 Mann－Kendall趋势和突变检验

由于Mann－Kendall法是无分布、非参数的统计检验方法[13]。四川省不同区域降水量近50年来的变化趋势采用Mann－Kendall趋势分析法进行分析。Mann－Kendall检验可进一步用于检验序列突变时，通过构造一序列:

定义统计变量:

其中，E(Sk)＝k(k－1)/4

Var(Sk)＝k(k－1)(2k＋5)/72

UFK为标准正态分布，给定显著性水平α，若UFK>Uα/2则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列X按逆序排列，再按照上式计算，同时使

通过分析统计序列UFK和UBK可以进一步分析序列X的趋势变化，若UFK值大于0，则表明序列呈上升趋势；小于0则表明呈下降趋势；还可以确定突变时间，指出突变的区域。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFK和UBK这2条曲线相交，且交点在临界直线之间，那么突变开始的时刻就是交点对应的时刻。

2.3 线性倾向率

气象要素的变化趋势也可用一次直线方程来描述。设某站降水量的时间序列为x1，x2，…，xn，xi与t之间的一元线性回归方程为

式中，a为回归常数，b为回归系数，可用最小二乘法或经验正交多项式来确定。将b×10称作气候变化的倾向率，单位为℃/10a。b的大小能反映气温的变化速率，b<0时，表示呈下降趋势；b>0时，表示呈上升趋势；b＝0时，趋势没有变化[15]。

3 结果分析

3.1 降水量时间分布特性的云模型分析

以四川省不同分区的1966－2017年共52年的年降水量作为研究对象，根据逆向云发生器的算法计算各区域降水量云模型的数字特征(表2)，然后根据正向云发生器的算法计算云滴并分别绘制各个区域的隶属云图(图3)。

表2 四川省降水量时间分布云模型的数字特征

云模型中期望Ex反映了该区在1966－2017年平均降水量。熵值En反映了降水量相对于平均值的离散度，其值越大，降水量在这52年来分布越不均匀。超熵He反映不均匀性的稳定性。由四川省不同分区降水量云模型的数字特征(表2)可以看出，雅安的多年平均降水量最大，为1693mm，其他农业生态区的年降水量在800mm～1100mm左右，川西北高原的多年平均降水量最小，为725mm。由熵值的大小可以得出雅安的降水量在这52年来分布最为离散、不均匀，熵值为282mm。由超熵值的大小可以得出成都降水量在这52年来分布相对其他农业生态区来说不均匀性较为稳定，超熵值为15mm。其他农业区的降水量在时间分布上的熵在160mm～235mm之间，超熵在25mm～60mm之间。川西北高原降水量在时间上的分布相对农业区来说较均匀，且不均匀性较稳定。这些特性可由数字特征值经逆向云发生器算法得到的隶属云图(图3)直观看出。

图3 四川省不同分区年降水量时间分布的隶属云

降水量时间分布云模型特征值和隶属云图虽然能够表示出时间分布的不均匀性以及不均匀的稳定性，但不足之处是不能表示出在时间上的变化趋势，如降水量在近52年是增加还是减少。

3.2 降水量的趋势分析

对四川省不同区域降水量在近52年的变化进行Mann－Kendall趋势检验，检验结果及线性倾向率见表3，由表3可以得出农业区的降水量除西昌呈不显著增加趋势外，其他区域的降水量呈减少的趋势。其中宜宾、平武、成都减少的趋势较显著(通过置信度水平为99%的检验)，雅安次之，巴中和会理的减少趋势不明显；川西北高原的降水量呈增加的趋势，趋势不明显。西昌降水量的线性递增倾向率为16.01mm/10a，宜宾、平武和成都的线性倾向率在－40mm/10a以上，雅安在－30mm/10a左右，而巴中和会理降水量的线性倾向率都在－10mm/10a以内；川西北高原的降水量线性倾向率为29.23mm/10a。综上可以得出，MK趋势检验和倾向率检验两种方法的结果一致，四川省的降水量呈减少趋势，这与赵嘉阳等研究的中国西南地区降水量呈减少趋势的研究结果一致[3]，降水量减少不利于水资源的开发和利用，应引起有关部门的重视。

表3 四川省年降水量的Mann－Kendall趋势检验及线性倾向率

3.3 降水量的突变分析

四川省不同分区降水量的M－K突变检验结果如图4所示，可以看出，不同分区降水量突变呈现不同特征。在会理，降水量在20世纪60年代和70年代发生的变幅较大，在80和90年代没有变幅，在2016年又发生了突变。降水量从1966年到1971年减少较为显著，从1971年到1975年降水量增加不显著，在70年代呈减少趋势，1990年到2016年呈增加趋势，2016年后降水量减少；在西昌，降水量除在20世纪60年代和80年代有几年呈减少的趋势外，总体呈增加的趋势。在1969年、1981年、1985年和1989年降水量发生了突变；在雅安，降水量在20世纪60、70和80年代的变幅都比较大。降水量整体呈减少的趋势；在成都，降水量在20世纪70和80年代的变幅较大，降水量总体呈减少趋势，且在1975年到1978年和20世纪后减少趋势较为显著；在遂宁，降水量在每个年代都有一定的变幅，降水量从1971年到1985年，2001年到2015年呈增加趋势，其余时间段降水量都呈减少的趋势；在平武，降水量突变主要发生在20世纪70年代和1987年，降水量总体呈减少的趋势，且在1991年后减少的趋势较为显著；在宜宾，降水量在1996年发生突变，70年代以前降水量呈增加的趋势，增加的趋势不显著，70年代以后降水量呈减少的趋势，2000年后减少的趋势不显著；在巴中，降水量除在90年代没有变幅外，其他年代的变幅较大，降水量从60年代到90年代呈增加的趋势，90年代后降水量减少，在2016年发生突变，有增加的趋势。

图4 四川省不同分区1966－2017年降水量突变分析

在川西北高原非农业区，降水量在80年代、2011年和2015年有一定的变幅。降水量在1985年前呈减少的趋势，1985年后降水量一直呈增加的趋势。

总体来说，四川省的年降水量在每个年代都有一定的变幅，在20世纪60、70和80年代变幅较大，90年代和21世纪初变幅相对较小。

4 结论

降水量是区域气候的基本要素之一，也是水资源的重要补给来源。本文利用四川省8个农业分区和1个川西北高原非农业区1966－2017年52年的逐月降水量，采用云模型、线性倾向率、Mann－Kendall趋势和突变检验方法，综合分析降水量的年际变化特征和规律，主要结论如下:

(1)雅安的多年平均降水量最大，为1693mm，其他农业生态区的年降水量在800mm～1100mm左右，川西北高原的多年平均降水量最小，为725mm。雅安降水量在这53年来分布最不均匀，不均匀性也不稳定。成都降水量在这53年来分布相对其他农业生态区来说较为均匀，且不均匀性较为稳定。川西北高原降水量在时间上的分布相对农业区来说较均匀，且不均匀性较稳定。

(2)农业区的降水量除西昌呈不显著增加趋势外，其他区域的降水量呈减少的趋势，其中宜宾、平武、成都减少的趋势较显著，雅安次之，巴中和会理的减少趋势不很明显；川西北高原的降水量呈增加的趋势，趋势不明显。

(3)四川省的降水量在每个年代都有一定的变幅，在20世纪60、70和80年代变幅较大，90年代和21世纪初变幅相对较小。