王君勤，何 勇，王小允，康小平

(1.四川省水利科學研究院，成都，610072；2.四川省都江堰水利發(fā)展中心通濟堰管理處，四川 眉山，620800)

0 引言

氣候變化對水資源的影響程度較大，水資源的根本來源是降水量，且降水量是水資源評價的主要元素之一[1－2]，因此研究氣候變化背景下降水量的時空變化規(guī)律具有重要科學意義。趙嘉陽[3]通過將中國按照地理位置劃分為七個氣候區(qū)，對1960－2013年中國降水量的年際、季節(jié)時空變化特征、未來變化趨勢進行分析，指出除西南地區(qū)外，降雨量在其它六個地區(qū)和全國均呈不同程度增加趨勢。國內(nèi)很多學者對不同地區(qū)的降水量近50年的變化做出了研究，得出了不同分區(qū)降水量的變化趨勢[4－8]。謝曉平等[9]以Mann－Kendall趨勢分析、Morlet小波分析等方法對60年來福建降雨情況的分析，得出福建省降雨時空分布特征，其總體呈不顯著增加趨勢。高戈斌等[10]研究分析沿海地區(qū)及6個子區(qū)域1951－2016年降水量的年際與季節(jié)時空演變格局，得出其年降水量無明顯變化趨勢，季節(jié)降水量在東北沿海地區(qū)秋季、華北沿海地區(qū)夏季、黃淮沿海地區(qū)春季及江南沿海地區(qū)春季和夏季均存在顯著上升趨勢，其中江南沿海地區(qū)的季節(jié)降水量變化最劇烈，且沿海各子區(qū)域降水量均存在次數(shù)不等、時間點不同的突變。

目前對四川省不同分區(qū)降水量的時間變化規(guī)律研究較少，本文利用四川省8個農(nóng)業(yè)分區(qū)和1個非農(nóng)業(yè)區(qū)1966－2017年共52年的逐月降水量資料，利用Mann－Kendall趨勢和突變檢驗、線性傾向率和云模型法研究四川省不同分區(qū)多年降水量的時間變化特征和變化趨勢，尋找其時間分布規(guī)律，以期為四川省不同分區(qū)水資源調(diào)度、水資源合理開發(fā)利用以及洪水預警提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川省地形地貌復雜，境內(nèi)高原、山地、平原、丘陵、河谷縱橫，獨特的地理位置和復雜的地形地貌造就了氣候類型的多樣性和生物資源的豐富性，農(nóng)業(yè)種植制度與種植模式也多種多樣。為便于比較分析，根據(jù)地理位置、地形地勢和氣候環(huán)境等特點，將四川省分為8個農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(Ⅰ－Ⅷ區(qū))和1個川西北高原非農(nóng)區(qū)，遵循典型性和全面性的原則在每個農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)選取1個代表性站點，在川西北高原非農(nóng)業(yè)區(qū)選取5個代表站點進行定量化研究，如圖1和表1所示[11]。將雅安、成都、遂寧、平武、宜賓、巴中代表的區(qū)域稱為四川盆地，遂寧代表的區(qū)域為四川盆地中部地區(qū)，其他幾個站點代表的區(qū)域稱為盆周地區(qū)。四川省不同分區(qū)13個代表站點1966－2017年逐月的降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象服務共享網(wǎng)站(https://data.cma.cn/)。

圖1 四川省8個農(nóng)業(yè)區(qū)(Ⅰ－Ⅷ)和1個非農(nóng)業(yè)區(qū)及其站點分布

表1 四川省8個農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃分的主要依據(jù)

2 研究方法

2.1 云模型

采用云模型來表征四川省不同分區(qū)年降水量在近50年變化特征的均勻性和穩(wěn)定性，云的整體形狀反映了定性概念的重要特性。云模型的數(shù)字特征用期望Ex、熵En和超熵He三個數(shù)值來表征，這3個數(shù)字特征值把模糊性和隨機性完全集成到一起，構(gòu)成定性和定量的相互映射[12]。

圖2 云模型的數(shù)字特征

2.2 Mann－Kendall趨勢和突變檢驗

由于Mann－Kendall法是無分布、非參數(shù)的統(tǒng)計檢驗方法[13]。四川省不同區(qū)域降水量近50年來的變化趨勢采用Mann－Kendall趨勢分析法進行分析。Mann－Kendall檢驗可進一步用于檢驗序列突變時，通過構(gòu)造一序列:

定義統(tǒng)計變量:

其中，E(Sk)＝k(k－1)/4

Var(Sk)＝k(k－1)(2k＋5)/72

UFK為標準正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若UFK>Uα/2則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時間序列X按逆序排列，再按照上式計算，同時使

通過分析統(tǒng)計序列UFK和UBK可以進一步分析序列X的趨勢變化，若UFK值大于0，則表明序列呈上升趨勢；小于0則表明呈下降趨勢；還可以確定突變時間，指出突變的區(qū)域。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFK和UBK這2條曲線相交，且交點在臨界直線之間，那么突變開始的時刻就是交點對應的時刻。

2.3 線性傾向率

氣象要素的變化趨勢也可用一次直線方程來描述。設某站降水量的時間序列為x1，x2，…，xn，xi與t之間的一元線性回歸方程為

式中，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，可用最小二乘法或經(jīng)驗正交多項式來確定。將b×10稱作氣候變化的傾向率，單位為℃/10a。b的大小能反映氣溫的變化速率，b<0時，表示呈下降趨勢；b>0時，表示呈上升趨勢；b＝0時，趨勢沒有變化[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量時間分布特性的云模型分析

以四川省不同分區(qū)的1966－2017年共52年的年降水量作為研究對象，根據(jù)逆向云發(fā)生器的算法計算各區(qū)域降水量云模型的數(shù)字特征(表2)，然后根據(jù)正向云發(fā)生器的算法計算云滴并分別繪制各個區(qū)域的隸屬云圖(圖3)。

表2 四川省降水量時間分布云模型的數(shù)字特征

云模型中期望Ex反映了該區(qū)在1966－2017年平均降水量。熵值En反映了降水量相對于平均值的離散度，其值越大，降水量在這52年來分布越不均勻。超熵He反映不均勻性的穩(wěn)定性。由四川省不同分區(qū)降水量云模型的數(shù)字特征(表2)可以看出，雅安的多年平均降水量最大，為1693mm，其他農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)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，為725mm。由熵值的大小可以得出雅安的降水量在這52年來分布最為離散、不均勻，熵值為282mm。由超熵值的大小可以得出成都降水量在這52年來分布相對其他農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)來說不均勻性較為穩(wěn)定，超熵值為15mm。其他農(nóng)業(yè)區(qū)的降水量在時間分布上的熵在160mm～235mm之間，超熵在25mm～60mm之間。川西北高原降水量在時間上的分布相對農(nóng)業(yè)區(qū)來說較均勻，且不均勻性較穩(wěn)定。這些特性可由數(shù)字特征值經(jīng)逆向云發(fā)生器算法得到的隸屬云圖(圖3)直觀看出。

圖3 四川省不同分區(qū)年降水量時間分布的隸屬云

降水量時間分布云模型特征值和隸屬云圖雖然能夠表示出時間分布的不均勻性以及不均勻的穩(wěn)定性，但不足之處是不能表示出在時間上的變化趨勢，如降水量在近52年是增加還是減少。

3.2 降水量的趨勢分析

對四川省不同區(qū)域降水量在近52年的變化進行Mann－Kendall趨勢檢驗，檢驗結(jié)果及線性傾向率見表3，由表3可以得出農(nóng)業(yè)區(qū)的降水量除西昌呈不顯著增加趨勢外，其他區(qū)域的降水量呈減少的趨勢。其中宜賓、平武、成都減少的趨勢較顯著(通過置信度水平為99%的檢驗)，雅安次之，巴中和會理的減少趨勢不明顯；川西北高原的降水量呈增加的趨勢，趨勢不明顯。西昌降水量的線性遞增傾向率為16.01mm/10a，宜賓、平武和成都的線性傾向率在－40mm/10a以上，雅安在－30mm/10a左右，而巴中和會理降水量的線性傾向率都在－10mm/10a以內(nèi)；川西北高原的降水量線性傾向率為29.23mm/10a。綜上可以得出，MK趨勢檢驗和傾向率檢驗兩種方法的結(jié)果一致，四川省的降水量呈減少趨勢，這與趙嘉陽等研究的中國西南地區(qū)降水量呈減少趨勢的研究結(jié)果一致[3]，降水量減少不利于水資源的開發(fā)和利用，應引起有關部門的重視。

表3 四川省年降水量的Mann－Kendall趨勢檢驗及線性傾向率

3.3 降水量的突變分析

四川省不同分區(qū)降水量的M－K突變檢驗結(jié)果如圖4所示，可以看出，不同分區(qū)降水量突變呈現(xiàn)不同特征。在會理，降水量在20世紀60年代和70年代發(fā)生的變幅較大，在80和90年代沒有變幅，在2016年又發(fā)生了突變。降水量從1966年到1971年減少較為顯著，從1971年到1975年降水量增加不顯著，在70年代呈減少趨勢，1990年到2016年呈增加趨勢，2016年后降水量減少；在西昌，降水量除在20世紀60年代和80年代有幾年呈減少的趨勢外，總體呈增加的趨勢。在1969年、1981年、1985年和1989年降水量發(fā)生了突變；在雅安，降水量在20世紀60、70和80年代的變幅都比較大。降水量整體呈減少的趨勢；在成都，降水量在20世紀70和80年代的變幅較大，降水量總體呈減少趨勢，且在1975年到1978年和20世紀后減少趨勢較為顯著；在遂寧，降水量在每個年代都有一定的變幅，降水量從1971年到1985年，2001年到2015年呈增加趨勢，其余時間段降水量都呈減少的趨勢；在平武，降水量突變主要發(fā)生在20世紀70年代和1987年，降水量總體呈減少的趨勢，且在1991年后減少的趨勢較為顯著；在宜賓，降水量在1996年發(fā)生突變，70年代以前降水量呈增加的趨勢，增加的趨勢不顯著，70年代以后降水量呈減少的趨勢，2000年后減少的趨勢不顯著；在巴中，降水量除在90年代沒有變幅外，其他年代的變幅較大，降水量從60年代到90年代呈增加的趨勢，90年代后降水量減少，在2016年發(fā)生突變，有增加的趨勢。

圖4 四川省不同分區(qū)1966－2017年降水量突變分析

在川西北高原非農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量在80年代、2011年和2015年有一定的變幅。降水量在1985年前呈減少的趨勢，1985年后降水量一直呈增加的趨勢。

總體來說，四川省的年降水量在每個年代都有一定的變幅，在20世紀60、70和80年代變幅較大，90年代和21世紀初變幅相對較小。

4 結(jié)論

降水量是區(qū)域氣候的基本要素之一，也是水資源的重要補給來源。本文利用四川省8個農(nóng)業(yè)分區(qū)和1個川西北高原非農(nóng)業(yè)區(qū)1966－2017年52年的逐月降水量，采用云模型、線性傾向率、Mann－Kendall趨勢和突變檢驗方法，綜合分析降水量的年際變化特征和規(guī)律，主要結(jié)論如下:

(1)雅安的多年平均降水量最大，為1693mm，其他農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)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，為725mm。雅安降水量在這53年來分布最不均勻，不均勻性也不穩(wěn)定。成都降水量在這53年來分布相對其他農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)來說較為均勻，且不均勻性較為穩(wěn)定。川西北高原降水量在時間上的分布相對農(nóng)業(yè)區(qū)來說較均勻，且不均勻性較穩(wěn)定。

(2)農(nóng)業(yè)區(qū)的降水量除西昌呈不顯著增加趨勢外，其他區(qū)域的降水量呈減少的趨勢，其中宜賓、平武、成都減少的趨勢較顯著，雅安次之，巴中和會理的減少趨勢不很明顯；川西北高原的降水量呈增加的趨勢，趨勢不明顯。

(3)四川省的降水量在每個年代都有一定的變幅，在20世紀60、70和80年代變幅較大，90年代和21世紀初變幅相對較小。