摘要 為分析溫升背景下皖北平原地區(qū)1955—2022年降水時空變化規(guī)律，利用皖北平原境內(nèi)5個氣象站點1955—2022年降水逐日數(shù)據(jù)資料，采用現(xiàn)行傾向估計、M-K檢驗、Morlet小波分析及EOF正交分解等方法，分析研究區(qū)近68年降水時空變化規(guī)律。結(jié)果表明，（1）近68年來，皖北平原年降水和春、夏季降水呈下降趨勢，傾向率分別為-0.23、-1.11和-0.05 mm/10 a；秋、冬季降水呈增加趨勢，傾向率分別為0.330和1.08 mm/10 a。（2）M-K突變檢驗顯示，秋季降水在1958年發(fā)生由少到多的突變，年降水和夏季降水分別在2009年和2010年發(fā)生了由多到少的轉(zhuǎn)變，春、冬季未發(fā)生突變現(xiàn)象。（3）利用小波分析可知，年降水無明顯周期變化，春季震蕩主周期16～17 a，夏季震蕩主周期3～4和25～26 a，秋季震蕩主周期19～20 a，冬季震蕩主周期12～13 a。（4）皖北平原年降水和春、夏和秋季降水均呈南—北反向分布形式，冬季呈現(xiàn)東—西反向分布形式，年降水和夏季降水呈現(xiàn)由北向南依次減少的變化趨勢，春、秋季呈現(xiàn)由南向北依次減少趨勢，冬季呈現(xiàn)由東向西依次減少趨勢。

關(guān)鍵詞 溫升；皖北平原；降水；時空變化；M-K檢驗；小波分析

中圖分類號 P426.623；S162" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A" "文章編號 1007-7731（2024）14-0101-07

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.14.022

降水是地區(qū)氣候和水文分析的主要因素之一，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展需要考慮重要因素之一。降水的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量具有重要影響。因此，研究降水的時空變化對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要意義。降水是氣候變化的主要因子之一，也是氣候變化較為突出的一個方面[1]。降水的時空分布是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重，相關(guān)學(xué)者較為重視對不同區(qū)域的降水分布進(jìn)行研究。在氣溫變暖的大背景下，胡文峰等[2]、任國玉等[3]、張一馳等[4]和何書樵等[5]對我國總體和區(qū)域降水的變化特征進(jìn)行了研究，吳燕娟[6]和宋世凱[7]對極端降水和降水程度的時空分布展開分析，結(jié)果表明，總降水量趨勢歷年來并無太大差別，但不同區(qū)域的降水趨勢呈現(xiàn)差別，東南呈現(xiàn)下降的趨勢，西北呈現(xiàn)上升的趨勢。邢軼蘭等[8]、王友賀等[9]、蘇曉丹等[10]和王濤等[11]分別對西北（甘肅）、華中、東北和西北（陜西）等地區(qū)的降水進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，西北（甘肅）和華中地區(qū)降水呈緩慢上升趨勢，東北地區(qū)呈弱減少趨勢，西北（陜西）地區(qū)呈明顯減少趨勢。Greve等[12]和Donat等[13]對全球降水變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果表明，全球干旱地區(qū)的降水變化呈現(xiàn)增加趨勢，而濕潤地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢，且降水與氣溫變化呈正相關(guān)。可見，氣候變化條件下，降水在時間和空間上均會受到影響。

皖北平原地處南北氣候過渡帶的中東部，土地肥沃，耕地面積廣，是糧、棉和油等主要農(nóng)作物的生產(chǎn)基地之一。有關(guān)該地區(qū)升溫背景下降水時空變化規(guī)律對農(nóng)業(yè)影響的研究相對較少。為此，本文利用皖北平原宿州、碭山、蚌埠、阜陽和亳州5個氣象站點1955—2022年降水逐日資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)降水在時間和空間上的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)以及合理利用降水資源等提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用皖北平原5個氣象站點（碭山、蚌埠、宿州、亳州和阜陽）1955—2022年日降水?dāng)?shù)據(jù)資料。選取的5個站點均為國家氣象站，數(shù)據(jù)集具有較強(qiáng)的可靠性和完整性。在季節(jié)劃分上，將3～5、6～8、9～11、12～2月（翌年）分別劃分為春、夏、秋和冬季。

1.2 研究方法

1.2.1 降水趨勢變化 采用線性傾向估計法分析降水變化趨勢的傾向率，即變化趨勢。采用曼－肯德爾（Mann-Kendall，M-K）檢驗中的M-K趨勢檢驗降水變化趨勢是否明顯，主要通過M-K趨勢檢驗中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計量MK-Z值檢驗序列差異，即通過Z值的大小檢驗降水變化趨勢是否明顯。

1.2.2 降水突變 采用M-K檢驗中的突變檢驗，將統(tǒng)計量UFk和UBk的計算結(jié)果繪入一張圖中，以α=0.05為統(tǒng)計學(xué)差異水平，臨界線為1.96（上臨界線）和-1.96（下臨界線），來檢驗?zāi)杲邓蛔兒图窘邓蛔兦闆r。

1.2.3 降水周期變化" 利用小波分析方法，將時間系列分解到時間頻率域內(nèi)，從而得出時間系列的明顯波動模式，即周期變化動態(tài)。

1.2.4 降水空間變化" 采用經(jīng)驗正交函數(shù)（Empirical orthogonal function，EOF）分解方法，并結(jié)合Matlab 2016 b軟件編程，計算年、季降水特征向量特征值的方差以及累計方差貢獻(xiàn)率，利用Arcgis 10.2制作并輸出能夠體現(xiàn)各要素不同尺度空間分布特征的模態(tài)空間分布結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 現(xiàn)行傾向估計" 設(shè)[yi]為某氣候變量，[xi]為觀測氣候變量[yi]的時間，n表示樣本容量大小，則[yi]與[xi]的線性回歸關(guān)系如式（1）。

[yi=kxi+b]（i=1，2，3，...，n） （1）

式（1）中，k為回歸系數(shù)，表示氣候變量的趨勢變化。當(dāng)kgt;0時，其與時間呈正相關(guān)，表示增長趨勢；當(dāng)klt;0時，表示下降趨勢；當(dāng)k=0時，趨勢無變化。b為常數(shù)，運用最小二乘法得出。本文以k×10表示氣候傾向率，單位：℃/10 a。

為探討氣候傾向率的統(tǒng)計學(xué)差異，設(shè)定統(tǒng)計學(xué)差異水平為α=0.05，并運用MK-T檢驗來驗證其差異是否具有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.3.2 M-K檢驗" M-K檢驗是一種非參數(shù)檢驗法，其優(yōu)點是計算簡單、無分布檢驗（樣本不需要按照擬定的要求分布），適用于類型變量和順序變量，不受少數(shù)異常值的干擾。M-K檢驗包括M-K趨勢檢驗和M-K突變檢驗，分別對目標(biāo)的變化趨勢和突變點進(jìn)行檢驗。M-K趨勢檢驗主要通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計量MK-Z值檢驗序列差異，通過[Z]的絕對值與1.96（α=0.05時統(tǒng)計學(xué)差異水平所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計值）相比，若[Z] gt;1.96，表明序列比較明顯，當(dāng)[Z]gt;0時，表明序列上升趨勢明顯，反之下降趨勢明顯；M-K突變檢驗是將統(tǒng)計量UFk和UBk的計算結(jié)果繪入一張圖中，以[α]=0.05為統(tǒng)計學(xué)差異水平，臨界線1.96（上臨界線）和-1.96（下臨界線）。當(dāng)UFkgt;0或UBkgt;0時，樣本序列呈上升趨勢；當(dāng)UFklt;0或UBklt;0時，樣本序列呈下降趨勢；當(dāng)-1.96lt;UFk=UBklt;1.96時，樣本序列發(fā)生突變，兩條線的交點就是突變點，對應(yīng)的時間就是突變開始的時間；若[UFk]和[UBk]超過臨界線，表明樣本變化趨勢明顯。

1.3.3 小波分析" 參考王文圣等[14]、傅夢嫣等[15]的研究方法，利用小波分析將時間系列分解到時間頻率域內(nèi)，得出時間系列的明顯波動模式，即周期變化動態(tài)以及周期變價動態(tài)的時間格局。采用小波分析，運用Matlab 2016 b軟件，計算該地區(qū)年、季降水的周期變化規(guī)律。

1.3.4 經(jīng)驗正交函數(shù)" 通過EOF利用數(shù)據(jù)的方差把數(shù)據(jù)中有用的信息集中到少數(shù)幾個空間分布和時間序列上，具體計算過程參考文獻(xiàn)[16]，從而反映要素場的時空變化[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水趨勢

采用線性傾向估計法和MK-T檢驗對皖北平原年平均和四季平均降水進(jìn)行計算，其降水年、季氣候傾向率見表1。由表1可知，皖北平原年降水氣候傾向率-0.23 mm/10 a，小于0，呈下降趨勢，且每10年下降0.23 mm；春、夏季降水氣候傾向率分別為-1.11、-0.05 mm/10 a，均小于0，呈下降趨勢，每10年分別下降1.11、0.05 mm；而秋、冬季降水氣候傾向率分別為0.33、1.08 mm/10 a，均大于0，呈上升趨勢，每10年分別上升0.33、1.08 mm，且年降水和四季降水差異均在0.01水平上具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.2 降水突變

2.2.1 年降水突變" 1955—2022年皖北平原年降水M-K檢驗統(tǒng)計量如圖1所示。年降水在1968年以前UF線呈周期性波動，在1968—2004年UF線小于等于0，呈下降趨勢，2004年之后UF線大于0，呈上升趨勢，UF與UB相交多個點，但UF線均超過[μ0.05=±1.96]臨界線，表明年降水未發(fā)生突變，進(jìn)一步對交點進(jìn)行滑動t檢驗，結(jié)果顯示2009年通過a=0.05水平差異性檢驗，說明2009年是年降水量由多到少的轉(zhuǎn)變年。

2.2.2 季降水突變" 近68年皖北平原季降水M-K檢驗統(tǒng)計量如圖2所示。由圖2（A）可知，春季降水在1978年之前UF線呈周期性波動，1978年之后，UF線小于0，且未超過統(tǒng)計學(xué)差異水平界線，表明春季降水呈不明顯的下降趨勢，在統(tǒng)計學(xué)差異水平線內(nèi)UF和UB相交7個點，經(jīng)滑動t檢驗，這些交點均未通過[a]=[0.05]水平差異性檢驗，表明春季降水未發(fā)生突變現(xiàn)象。由圖2（B）可知，夏季降水在1955—1958年和2003—2016年呈上升趨勢，其余年份總體呈下降趨勢，UF和UB在統(tǒng)計學(xué)差異水平線內(nèi)相交7個點，對其滑動t檢驗，2010年通過a=0.05水平差異性檢驗，表明夏季降水在2010年發(fā)生由多到少的轉(zhuǎn)變。由圖3（A）可知，秋季降水總體呈上升趨勢，只有在1956—1957年出現(xiàn)短暫下降趨勢，UF和UB在統(tǒng)計學(xué)差異水平線內(nèi)相交多個點，但1958年相交后，UF線在1961—1964年越過[a]=[0.05]水平差異性臨界線，說明此階段上升趨勢較為明顯，1958年為秋季降水增加突變年。由圖3（B）可知，冬季降水在1971年之前呈有序周期性波動，1971年之后，UF線大于0，且在臨界線內(nèi)，表明冬季降水呈不明顯的趨勢，對UF和UB在統(tǒng)計學(xué)差異水平線內(nèi)相交的多個點進(jìn)行滑動t檢驗，這些交點均未通過[a]=[0.05]水平差異性檢驗，表明冬季降水未發(fā)生突變現(xiàn)象。?

2.3 降水周期變化分析

1955—2022??年皖北平原年均和季平均降水小波分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，皖北平原年降水和四季平均降水周期變化呈現(xiàn)較大差異，年降水無明顯的周期性變化特征，春季和夏季發(fā)生4次震蕩主周期，秋季和冬季發(fā)生3次震蕩主周期，其中，春季和冬季小波方差均呈現(xiàn)出明顯的峰值，而夏季和秋季部分震蕩主周期不明顯。

由圖4（A）可知，春季主周期的時間尺度分別為6～7、11～12、16～17和25～26 a。由圖4（B）可知，夏季分別以3～4、11～12、19～20和25～26 a尺度為主周期，其中11～12和19～20 a尺度不穩(wěn)定，而3～4和25～26 a尺度在整個系列年都比較穩(wěn)定。由圖4（C）可知，秋季主周期時間尺度分別為9～10、19～20和29～30 a，其中9～10和29～30 a尺度對應(yīng)的小波方差峰值比較平穩(wěn)，周期呈現(xiàn)不明顯，而19～20 a尺度較明顯。由圖4（D）可知，冬季發(fā)生3次主周期，時間尺度分別為3～4、12～13和19～30 a，呈現(xiàn)出與秋季主周期相同的變化特征，3～4和19～30 a尺度主周期不明顯，12～13 a尺度主周期較明顯。

2.4 降水空間變化分析

2.4.1 年平均降水空間變化特征" 皖北平原1955—2022年降水EOF分解特征向量貢獻(xiàn)率如表2所示。由表2可知，模態(tài)1、2和3方差貢獻(xiàn)率分別為66%、17%和7%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90%；模態(tài)1、2的特征根誤差范圍未重疊，并通過了95%統(tǒng)計學(xué)差異檢驗。因此，模態(tài)1、2對應(yīng)的特征根可以很好地代表研究區(qū)1955—2022年的降水空間分布類型。

模態(tài)1方差貢獻(xiàn)率66%，遠(yuǎn)大于模態(tài)2、3，是研究區(qū)降水場的主要空間分布類型之一。由圖5可知，模態(tài)1（圖5A）對應(yīng)的特征向量均為正值，表明皖北平原降水變化趨勢高度一致，呈現(xiàn)要么同增要么同減的降水趨勢。高值區(qū)和低值區(qū)分別位于北部和南部，表明北部降水變化比南部降水變化明顯。

模態(tài)2方差貢獻(xiàn)率17%，是皖北平原典型的降水主要空間分布形式之一。由圖5（B）可知，以宿州站為界，以北為正值區(qū)，以南為負(fù)值區(qū)，呈現(xiàn)南—北反向分布模式，表明兩種分布模式，即要么北部降水多、南部降水少，要么北部降水少、南部降水多。特征向量值由北向南依次減少，反映皖北平原降水也是由北向南依次減少。

2.4.2 季平均降水空間變化特征" 皖北平原1955—2022年季平均降水EOF分解特征向量貢獻(xiàn)率如表3所示。由表3可知，皖北平原四季降水前3個模態(tài)特征根累計貢獻(xiàn)率均超過89%，四季模態(tài)1、2特征根均通過95%的置信水平檢驗，各季節(jié)前2個特征根誤差范圍未發(fā)生重疊。

皖北平原四季降水場模態(tài)特征向量分布如圖6所示。由圖6可知，研究區(qū)四季平均降水模態(tài)1特征向量值均為正值，四季降水量呈現(xiàn)同增共減的分布特征，其中，春（圖6A）、夏（圖6C）和冬季（圖6G）高值區(qū)和低值區(qū)均分別位于阜陽站和碭山站，表明皖北平原春、夏和冬季降水均呈現(xiàn)出南部變化程度高于北部的趨勢，秋季（圖6E）高值區(qū)和低值區(qū)分別位于蚌埠站和皖北平原西部，降水變化呈現(xiàn)出西部變化程度高于東部的趨勢。

四季平均降水模態(tài)2特征向量值既有正值又有負(fù)值，呈現(xiàn)增減的反向分布特征，其中，春（圖6B）、夏（圖6D）和秋季（圖6F）降水呈現(xiàn)南—北反向增減分布，冬季（圖6H）呈現(xiàn)東—西反向增減分布，表明春、夏和秋季主要是兩種分布模式，即要么北部降水多、南部降水少，要么北部降水少、南部降水多；冬季主要是兩種分布模式，即要么東部降水多、西部降水少，要么西部降水少、東部降水多。春、秋季特征向量值由南向北依次減少，夏季特征向量值由北向南依次減少，冬季特征向量值由東向西依次減少，反映春、秋季降水也是由南向北依次減少，夏季降水由北向南依次減少，冬季降水由東向西依次減少。

3 結(jié)論與討論

（1）近68年皖北平原降水總體呈下降趨勢，其中，年降水和春、夏季降水均呈現(xiàn)下降趨勢，而秋、冬季降水呈增加趨勢，氣候傾向率分別為-0.23、-1.11、-0.05、0.33和1.08 mm/10 a，且年降水和四季降水均通過0.01水平統(tǒng)計學(xué)差異檢驗。

（2）從突變情況來看，皖北平原年降水和四季降水突變情況存在差異，秋季降水在1958年發(fā)生由少到多的突變；年降水和夏季降水在2009年和2010年均發(fā)生了由多到少的轉(zhuǎn)變；春季和冬季未發(fā)生突變現(xiàn)象。

（3）從周期變化來看，年降水和四季平均降水周期變化呈現(xiàn)出較大差異，年降水無明顯的周期變化；春季發(fā)生以16～17 a為主的4次震蕩主周期；夏季發(fā)生以3～4和25～26 a為主的4次震蕩主周期；秋季發(fā)生以19～20 a為主的3次震蕩主周期；冬季發(fā)生以12～13 a為主的3次震蕩主周期。

（4）從空間分布來看，皖北平原降水EOF分解顯示，年降水和四季降水前3個模態(tài)方差累計貢獻(xiàn)率為89%～94%，其收斂速度快。模態(tài)1年、四季降水特征向量值均為正值，表明皖北平原年、四季降水一致，即降水多或降水少；模態(tài)2年、四季降水特征向量呈現(xiàn)南正—北負(fù)、南負(fù)—北正或東正—西負(fù)分布形式，反映了皖北平原年、四季的第二類空間分布形式，即年和夏季降水為南部減少和北部增多，春、秋季降水為北部增多和南部減少，冬季降水為東部增多和西部減少。

綜上，本文基于數(shù)理統(tǒng)計方法對皖北平原5個站點近68年連續(xù)年和四季降水在時間和空間上的變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示研究區(qū)近68年來降水在時間和空間上呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，研究結(jié)果為該地區(qū)來水預(yù)測、水資源分布及水資源合理利用提供一定的參考，同時為農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)以及種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供參考。

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（責(zé)任編輯：楊 歡）

基金項目 安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學(xué)研究院青年科技創(chuàng)新計劃項目（KY202207）；水利部重大科技項目（SKS-2022066）；安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司科技項目（YJJH-ZT-ZX-20230706545）。

作者簡介 劉明亮（1994—），男，安徽宿州人，碩士，助理工程師，從事水文水資源、農(nóng)田水利研究。

收稿日期 2024-03-14