神木县降水长期变化特征

神木县降水长期变化特征作者：崔璐莹徐琰张磊来源：《安徽农业科学》2014年第30期摘要利用神木县1961～2000年逐月降水量资料，通过趋势成分与随机成分分析、MannKendall突变检验、小波分析及R/S分析等方法，分析了神木县降水量的时空分布特征、长期变化趋势及突变检验。

结果表明，神木县多年平均降水量仅为421.2 mm，并以16.7mm/10a的速度减少；降水量年内分布比较集中，主要集中在6～8月；由自相关分析得出神木县降水量系列是相对独立的系列，相依性弱；Morlet小波变换表明神木县降水量存在着4和11年的中短周期变化；R/S分析表明其降雨呈平缓下降趋势，无明显的主周期变化，自身相关性较弱；MannKendall检验表明神木县降水量在1972、1977、1987和1993年前后发生突变，多由多雨期进入少雨期。

关键词神木县；降水量；变化趋势；周期变化；突变检验中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10586-04作者简介崔璐莹（1981- ），女，黑龙江哈尔滨人，讲师，在读博士，从事水土保持与荒漠化防治研究。

*通讯作者，讲师，博士，从事林业方向研究。

当前，全球环境问题引起人们越来越多的关注。

加之工业化社会的迅猛发展，二氧化碳、甲烷等温室气体的大量排放，全球暖化已成为趋势，温度升高能显著影响大气降雨并改变水分截流、地表径流和蒸发等整个水循环过程，加剧了水资源系统的不稳定性和供需的矛盾[1]。

而较大的降雨丰枯期落差会直接导致经济和生态环境的灾难[2]。

在我国，降雨被认为是占据水资源利用的首要位置，绝大多数水资源利用分配战略是基于连年降雨规律制定的[3]。

因此，全面认识研究各地降水量的长期变化规律及发展趋势就显得至关重要[1，4]。

陕西省南北狭长，横跨3个气候区域，通常气候因素变化差别较大。

近年来许多学者对陕西省的气候变化时空特征进行了分析[5-7]，但基本是从较大范围内入手，而地区间经济文化的差异性也是导致环境变化的重要因素之一，通过研究特定范围内的典型地区降雨分布变化特征可以更好地为当地水资源利用和农业生产的影响提供依据。

神木县是我国第一产煤大县、全国最大的兰炭基地和全国最大的聚氯乙烯基地。

产能的大力发展带动了区域经济的增长，但对环境的破坏作用也不容忽视，近年来神木县实施了采煤沉陷区综合治理，还原矿区山水林田路；开展力度较大的退耕还林、草工程，发展林草产业，优化农业的生产功能，强化农业的生态功能。

生态的修复作用依赖水资源的合理利用，而降水是其中重要的因素之一。

神木县属于亚湿润半干旱地带，降水过程变化十分复杂，年际变化较大，地域差异性明显，旱涝情况时有发生[8]。

有专家学者指出，近半个世纪以来的陕北高原地区降水量的变化是在波动中呈减少趋势，与全球的变化趋势相同[9]。

因此，分析神木县的降水规律对充分认识和利用当地气候资源、指导农业生产和预防灾害有重要意义。

笔者利用良好的气象降雨数据资料，通过趋势成分与随机成分分析、MannKendall趋势分析与突变检验[10]、小波分析及R/S分析[11-12]等方法分析了神木县的降水特征，定量分析其降水特征，力求多种方法相结合，提高结论可信度。

1资料与方法1.1研究区概况神木县位于黄河中游、长城沿线、陕西省北端（38°13′～39°27′N、109°40′～110°54′E），总面积77.06 hm2，居陕西省内各县之首。

神木县界于海拔738.7～1 448.7 m的沙漠丘陵地带，由于地势较高，下垫面保温、保水性较差，大陆性气候显著。

寒暑季气候变化剧烈，温差大，气候干燥，四季较为分明。

冬季少雨雪，而夏季雨水集中，年际变率较大；年平均大风日数14 d，主风方向为西北风，风沙频繁，无霜期短。

年平均气温8.9 ℃，年极温最高38.9 ℃，年极温最低-28.1 ℃；平均年降水量421.2 mm，年内和年际变化较大；年均蒸发量为1 336.6 mm，3倍于年降水量，西北向东南方向每10 km蒸发量约降低23.0 mm。

日照丰富且光照强度较强，年平均日照2 875.9 h，日照率为65%，是陕西省多日照、强辐射地区之一。

1.2数据来源与分析方法在陕西榆林治沙所提供的神木县1961～2000年逐月降水资料的基础上，运用统计学分析软件MatlabR2012和Suffer8.0，对神木县近40年来的降水资料进行了年际变化过程与年内变化特征的分析、趋势系数分析、随机成分分析、小波分析、MK检验及R/S分析，图形处理用Origin9.0pro生成。

1.2.1趋势成分与随机成分分析。

要素序列的平均各值随着时间序列的增长或增加或减少，形成序列在长时间向上或向下缓慢移动，这种一定规则的变化为序列的趋势变化。

随机成分是由不规则的震荡和随机影响造成的，一般由相依和独立两部分组成，是水文序列中除去周期和非周期的确定成分之外的剩余成分，采用自相关分析的方法，绘制自相关图研究序列自身的线性相依性及其随时滞增加而变化的性质。

根据序列的自相关和容许限值，若要素序列均在容许限内，可接受假设检验原理则该序列为独立这一假设，即不存在相依性，反之相依性较强。

1.2.2小波分析。

小波分析是一种具有时频多分辨功能的研究时间序列问题，充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，并能触发对系统未来发展趋势进行定性估计[13]。

在此采用复小波Morlet小波作为基函数进行小波变换分析，原因是降雨过程中包含多时间尺度变化特征且这种变化是连续的；复小波变换可同时给出时间序列变化的位相和振幅两方面的信息优于实小波变换；复小波函数的实部和虚部位相差为π/2，可以消除用实小波变换系数作为判据而产生的虚假振荡，使结果更为准确。

小波系数实部等值线图能反映降雨序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而能判断在不同时间尺度上降雨的未来变化趋势。

Morlet小波系数的模值是不同时间尺度变化周期所对应的能量密度在时间域中分布的反映，系数模值愈大，所对应时段或尺度的周期性就愈强。

小波系数的模方等于小波能量谱，它可以分析出不同周期的震荡能量。

小波方差图能反映径流时间序列的波动能量随尺度的分布情况，用来确定降雨演化过程中存在的主周期[14]。

1.2.3MannKendall突变检验。

气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象，通常表现为相邻气候阶段平均值之间显著的差异。

在此采用MannKendall趋势分析和突变检验来研究神木县降水的长期变化。

基于秩的MK检验是一种非参数统计检验方法又称无分布检验，优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适合于水文气象等非正态分布的数据，该方法还能明确降水的演变趋势及是否存在突变现象以及明确突变开始的时间，并指出突变区域[1]。

1.2.4R/S分析法。

该方法能对未来气候变化的总体趋势做出预测和推断。

总体变化趋势一般为持续性（未来变化与过去相似显示正趋势）和反持续性（未来变化与过去变化相反显示反趋势）。

2结果与分析2.1降水量周期性特征2.1.1年代际变化。

1961～2000年神木县年平均降水量最大值为819.1 mm，出现在1967年，最小值为108.6 mm，出现在1965年，最大降水量与最小降水量之差可达710.5 mm；多年平均降水量427.2 mm；降水量的年际变化较大，平均变差系数达16%。

神木县20 世纪60年代降水量较平均值波动剧烈，60年代以后降水量多在多年平均值上下浮动，到1990～2000年降水量变化震荡明显。

1962、1972、1980、1993、1997、1999和2000年降水量均低于300.0 mm，属于特别干旱年。

屈振江等对陕西的降水量进行分析得出，20世纪80年代及以前降水量异常偏多和偏少的频数均呈现较小的年际波动，而90年代以后两者均呈现明显的增加趋势，且年际变化较大[5]。

这与该研究的年际变化中的特别干旱年结论一致。

2.1.2年内分布。

由于神木县所处的地理位置和气候条件所致，神木县降水的年内分布很不均匀。

从表1可以看出，神木县降水量年内极为不均，降水主要集中在夏季（6～8月），约占全年降水量的62.6%，季节性非常强；从各月标准差分布来看，6～8月的降水量占全年降水量的比例呈现较大波动，而其余各月变化趋势较为平缓和一致。

2.2降水量趋势成分与随机成分分析经过对神木县降水量40年的系列值回归分析，得到一次线性回归方程为：y=-16.69t+37 266，可见近40年神木县降水呈下降趋势，且以16.7mm/10a的速率缓慢下降。

根据随机成分方法，得到了神木县多年降水的自相关图和显著性水平为5%条件下的容许限值，绘制自相关图。

从图1可以看出，除了20世纪60年代中前期（降雨丰枯期变化极其显著），图11961～2000年神木县降水量自相关神木县降水量在绝大多数滞时上的自相关系数在容许范围内，表明神木县20世纪60年代中前期的降雨丰枯变化落差较大，且有相当高的依存度，以后时间序列降雨量变化独立性较强，相依性很弱。

2.3降水变化趋势分析从1961～2000年神木县降水量小波系数实部等值线图（图2a1）可以清楚地看到近40年神木县降雨变化过程中存在的多时间尺度特征，总的来说，在演变过程中存在着1～8和11～32年时间尺度的周期变化规律；从图2a2可以看出，在降雨演化过程中，11～32年时间尺度模值最大，说明该时间尺度周期变化最明显，1～8年时间尺度的周期变化次之，其他时间尺度的周期性变化较小。

由降雨小波系数模方等值线图（图2a3）可知，23～32年时间尺度的能量最强、周期最显著，在20世纪70年代以后逐渐增强，且局部性变化特征较为明显；13～17年时间尺度能量次之，且周期分布也比较明显，在80年代中后期逐渐增强；说明近40年神木县降雨变化过程中具有4和11年的中短期变化规律。

从降雨小波方差图（图2b）可以看出，近40年神木县降雨的时间尺度没有明显的主峰值对应，说明在整个时间域内无规律周期的波动控制着上述降雨的变化特征。

1961～1970和1990～2000年的降雨量变化剧烈、丰枯期相差较大，因此不具有周期性变化趋势，中间的时间序列变化较为平缓且具有一定的周期性，但无主峰周期牵引说明变化趋势有待进一步研究，短时间的震荡趋势明显说明在较小时间区域内周期性变化可能更有意义也具有更好的操作性。

神木县降雨变化属于平稳下降型，其趋势并不明显，处于震荡期。

根据1969～2000年神木县降水量Hurst指数变化（图3），其未来降雨量与过往降雨量的相关性不强，并逐渐进入少雨期。

神木县的Hurst指数从长期上看处于下降趋势，即随着时间的推移正相关性不断地减弱，这也许与全球环境变化和人类活动宽度深度不断加大、不断影响自然本身有关。