高廣東

（聊城市水文局，山東 聊城 252000）

1 研究背景及數(shù)據(jù)來源

近年來，魯西黃泛平原區(qū)防洪抗旱形式復(fù)雜多變，根據(jù)當(dāng)?shù)赜隉嵬?、雨洪同步的特點(diǎn)，選取受人類影響較小、一致性較好的降雨資料進(jìn)行特性分析，研究魯西平原區(qū)降雨變化規(guī)律，以便能夠更加精準(zhǔn)的指導(dǎo)地區(qū)防洪抗旱、雨洪資源利用。采用長(zhǎng)系列的降雨資料，能夠保證降雨特性分析結(jié)果的科學(xué)性和可靠性，根據(jù)少雨區(qū)降雨特點(diǎn)，選取降雨趨勢(shì)作為降雨特性研究切入點(diǎn)。聊城市屬于典型魯西北黃泛平原區(qū)，本文降雨資料采用聊城市水文局61年實(shí)測(cè)觀測(cè)資料，38個(gè)站點(diǎn)，站網(wǎng)密度184.8km2/站，能夠控制區(qū)域降水量空間分布，滿足降雨特性分析精度要求。降雨資料經(jīng)過初作、整編、匯編，已通過區(qū)域、流域?qū)彶?，資料科學(xué)、真實(shí)、可靠。

2 降雨趨勢(shì)分析

2.1 分析方法

水文序列趨勢(shì)分析常用的方法有：滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Spearman秩次相關(guān)法、線形回歸法等。本文選取前兩種方法，通過獨(dú)立分析計(jì)算，互相驗(yàn)證降雨趨勢(shì)，保證了結(jié)果的可靠性。

1）Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法。Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M-K法），是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域，適用于類型變量和順序變量。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)建一秩序列：

其中：

秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值小于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

其中：n為序列樣本數(shù)；當(dāng)n增加時(shí)，UFk很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布。

給定顯著水平α（本文α=0.05）后，可在正態(tài)分布表中查得臨界值 Uα/2，當(dāng)｜U｜

按時(shí)間序列逆序，再重復(fù)上述過程，定義統(tǒng)計(jì)量為UBk。

通過繪制出的UFk或UBk曲線分析趨勢(shì)。若UFk曲線值大于0，則表示序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)超越臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)明顯。

2）滑動(dòng)平均法。滑動(dòng)平均法濾掉了小的波動(dòng)，突出了趨勢(shì)變化，使周期更加突出，更加清楚地反映豐枯段及其演變趨勢(shì)。

一般地，設(shè)滑動(dòng)計(jì)算時(shí)段的年數(shù)為m（m為奇數(shù)），則對(duì)于一個(gè)有 n年數(shù)據(jù)（i=1，2，…，n）的系列有：

式中：Xk為實(shí)測(cè)值；Xj，m為第 j個(gè) m 年滑動(dòng)平均值，j=1，2，…，n-（m-1）/2。

考慮降雨系列長(zhǎng)度、波動(dòng)過濾性，采用5a為滑動(dòng)單元長(zhǎng)度進(jìn)行平均分析。

2.2 降雨系列趨勢(shì)分析

1）M-K分析法。選取聊城市1954—2014年共61年降雨系列資料，采用M-K法按照全年、1～5月、6～9月、10～12月 4個(gè)不同時(shí)段進(jìn)行降雨量系列趨勢(shì)分析。取顯著水平α=0.05，查正態(tài)分布表可得臨界值為±1.96，按時(shí)間序列分析繪出UF和UB曲線，若UF曲線值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF曲線超過臨界值時(shí)表明上升或者下降趨勢(shì)顯著，超過臨界線的范圍確定為突變的時(shí)間區(qū)域。如果UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始時(shí)間，如圖1示。

圖1 1954—2014年降雨量M-K趨勢(shì)

由M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法結(jié)果可知：聊城市多年降雨趨勢(shì)趨于減少，尤其是1967—2009年之間，但減少趨勢(shì)不顯著。由聊城時(shí)段降雨量分析知，6～9月份多年降雨呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，10～12月份多年降雨呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1～5月份多年降雨呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是1987—2009年之間；聊城市于1965年、2010年產(chǎn)生降雨趨勢(shì)突變現(xiàn)象，其中2010年之后降雨下降趨勢(shì)減緩，呈現(xiàn)逐年上升現(xiàn)象。

2）5a滑動(dòng)法趨勢(shì)分析。采用聊城市1954—2014年共61年降雨系列資料，連續(xù)5年算術(shù)平均值，形成5a系列，利用5a系列繪制關(guān)系曲線，然后根據(jù)5a滑動(dòng)平均法對(duì)降雨系列的年降雨量、季節(jié)降雨量的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2示。

圖21954 —2014年降雨量5a滑動(dòng)趨勢(shì)

由5a滑動(dòng)平均法可知：聊城市多年降雨呈減少趨勢(shì)，幅度較小，聊城 6～9月份、10～12月份多年降雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1～5月份多年降雨呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

3 結(jié)論

通過M-K趨勢(shì)分析和5a滑動(dòng)分析，得出聊城市降雨特性有以下結(jié)論：1）聊城市多年降雨趨勢(shì)趨于減少，但趨勢(shì)不顯著；2）2010年降雨趨勢(shì)產(chǎn)生突變現(xiàn)象，降雨下降趨勢(shì)減緩，逐漸呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)；3）綜合分析M-K突變節(jié)點(diǎn)、雨期規(guī)律、氣象資料，預(yù)計(jì)魯西黃泛平原區(qū)降雨將繼續(xù)1～5月份降雨出現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，這個(gè)時(shí)段降雨的增加對(duì)于以農(nóng)業(yè)為主的魯西平原區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)非常有利。同時(shí)這一時(shí)段短時(shí)的暴雨也會(huì)帶來災(zāi)害的一面，若魯西平原區(qū)汛期在6～9月份，1～5月份之間防汛沒有做好充分準(zhǔn)備，一旦出現(xiàn)短時(shí)集中暴雨，將帶來很大的災(zāi)害，應(yīng)注意防范。6～9月份降雨下降趨勢(shì)對(duì)于魯西黃泛平原區(qū)的防汛壓力有一定緩解，但是局部暴雨洪水發(fā)生的概率依然很大。10～12月份降雨下降趨勢(shì)對(duì)于魯西平原區(qū)秋種工作有一定影響，應(yīng)在水源調(diào)配及科學(xué)調(diào)度上做好工作。