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季 平，莫林谋
(河南省水利勘测设计研究有限公司四川分公司，四川 成都 610073)
近年来全球变暖趋势明显，影响到不同区域的降水模式和水循环过程[1]。联合国政府间气候变化专门委员会IPCC在2011年发布的特别报告中指出，极端天气事件在未来还会增加，由此引发的洪涝灾害、水资源短缺等问题将会日趋严重[2]。我国作为典型的发展中国家，随着近年来经济发展迅速、城市化进程加快，极端降水和洪涝灾害的发生频率也越来越高[3]，如2012年7月，北京遭遇特大暴雨，全市平均降水170mm，受灾人数160.2万[4]；
2021年的郑州“7·20”特大暴雨的小时降水最高达201.9mm，是目前为止我国陆地小时降水量极值[5]，极端降水的频繁出现已经严重影响到社会的和谐稳定和可持续发展。
长时间的水文气象序列，如降水、蒸发等，其演变规律除随机性外，还具有一定的周期性和趋势性特征[6- 7]。目前，关于时间序列特征的分析方法众多，如滑动平均法[8]、Mann-Kendall秩次检验法[9]、游程检验法[10]和小波变换分析[11]等。许多学者针对水文气象序列演变特征与规律开展了分析与研究，如姜洋[12]利用游程检验法对大伙房水库近56年的降水蒸发变化趋势进行了分析；
王姣妍[13]采用降水距平百分率的方法对新疆近64年的降水时空分布特征和演化规律进行了分析，并得出了全区内降水呈增加趋势的结论；
Wu等[14]运用连续小波变换的方法对长江中下游的降水指标变化规律进行分析，并指出极端的降水突变发生在1980和1990年。以上研究表明，在气候变化的影响下全球范围内不同区域的降水都发生了较为明显的变化，因此，定量分析气候变化过程中区域降水的发展演变规律是水文领域的研究重点，对区域洪涝灾害防治有重要意义。
绵阳市地处四川盆地西北部，降水受季风环流和复杂地形影响，时空分布不均，区域特征明显[15]。近来研究表明，绵阳市整体降水呈减少趋势[16]，但极端降水现象发生频率呈增长趋势[3]，如2003年发生的“8.8—8.9”暴雨，过程雨量超过290mm[17]；
2008年9月下旬发生的持续暴雨[18]；
以及2014年的“7.9—7.11”暴雨[19]等，解析绵阳市降水演变特征对提高当地洪灾预防能力，保障当地社会经济发展具有重要指导意义。因此，本文以绵阳市为研究对象，基于绵阳气象站长时间序列降水资料，采用滑动平均法、累积距平法、Mann-Kendall检验法以及滑动T检验法相结合的复合研究方法，对绵阳市1975—2017年间的年降水量和汛期降水量的变化趋势和突变特征进行分析探讨，旨在为绵阳市的水资源开发管理、防洪减灾等工作的开展提供理论依据。
绵阳市位于中国四川盆地西北部，涪江中上游区域绵阳市内多山地丘陵，地势北高南低，高差达5092.8m，地形复杂。属亚热带山地湿润季风气候[15]，冬季干燥寒冷，夏季炎热多雨，年平均气温14.7～17.3℃，年平均降水量826～1417mm，降水量丰富但年际变幅较大，年内分布不均，主要集中在汛期，在雨水充沛年份易发生洪涝灾害[20]。
2.1 气象数据
本文所采用1975—2017年逐日气象资料来源于绵阳气象站，为便于研究绵阳区域内降水序列的年际变化和具有代表性的汛期降水序列年际变化，以6—9月为汛期，分别计算每年的全年总降水量和汛期内的降水量。
2.2 研究方法
本文综合采用滑动平均法、累积距平法、Mann-Kendall检验法以及滑动T检验法这4种方法来研究绵阳区域降水趋势及变化特征。
(1)滑动平均法(Moving average)
滑动平均法通过顺序逐期增减新旧数据，以计算移动平均值的方法削弱时间序列的滑动周期，消除偶然变动因素，并依此找出事务发展趋势，计算过程如下[21]：
(1)
式中，xi—原序列数值，即年降水量，mm；
Mj—新序列数值，mm；
n—原序列长度；
k—滑动长度，本文使用5点滑动平均，即取k=2。
(2)累积距平法(Accumulative anomalies)
累积距平法通过计算序列中每个样本的距平，并绘制从起始样本到该样本的距平累加和曲线，通过观察该累加曲线来判断数据点的离散程度和变化趋势，进而确定序列值的变化趋势和突变拐点，计算过程如下[22]：
(2)
(3)Mann-Kendall突变检验法
Mann-Kendall检验法通过计算构造统计量秩序列，判断序列发生突变的节点，计算方法如下[23]：
(3)
式中，Sk—样本序列{x1，x2，…，xn}中第i个样本大于第j个样本的累计数。
假定序列样本随机独立，定义信度水平统计量UFk[11]：
(4)
(5)
(6)
式中，UFk—正态分布；
E(Sk)和Var(Sk)—Sk的均值和方差。
按原样本序列的逆序{xn，xn-1，…，x1}重复上述过程，得到变化度统计量UBk[11]：
UBk=-UFk，k=n+1-k
(7)
设定显著水平α，若UFk和UBk的变化曲线在临界范围内出现交点，则交点对应时间就是突变开始时间。
(4)滑动T检验法
滑动T检验法通过滑动点检验前后两段子序列的平均值差异是否显著来判断是否发生突变，具体计算过程如下[6]：
将原始样本序列{x1，x2，…，xn}在某一滑动点t的前后划分为两段子序列x1={xt-n1，xt-n1+1，…，xt}和x2={xt+1，xt+2，…，xt+n2}，定义统计量T：
(8)
(9)
设定显著水平α，若某一滑动点满足|T|>tα(n2+n2-2)，表面该滑动点前后子序列均值存在显著性差异，即该点附近可能发生突变。
3.1 绵阳市降水趋势性特征
采用5年滑动平均法对绵阳市1975—2017年间年降水序列和汛期降水序列进行趋势拟合，结果如图1所示。绵阳市的平均年降水和平均汛期降水分别为906.63mm和657.43mm，汛期降水量占全年降水量的72.51%；
多年最大降水量为1569.78mm，出现在1981年，该年汛期降水量也为多年最大值，为1228.4mm；
多年最小年降水量出现在1999年，仅为105.38mm，同年汛期降水量也为历年最低，仅18.04mm。年降水和汛期降水变化呈下降趋势，变化倾向为-47.4mm/10a和-41.1/10a见表1。
图1 绵阳市降水量年际变化
表1 绵阳市降水量趋势演变
年降水量和汛期降水量的正态分布特性如图2所示。结果显示，绵阳市历史年降雨主要集中在800～1000mm之间，600mm以下和1200mm以上的较少；
汛期降雨主要集中在600～800mm之间，200mm以下和1400mm以上的较少。
图2 绵阳市降水量正态分布直方图
3.2 绵阳市降水阶段性特征
绵阳市1975—2017年间降水量具有明显的阶段性特征，累积距平变化趋势如图3所示，相关特征见表2。结果显示，1970—1984年间年降水累积距平呈上升趋势，期间年降水平均值1063.32mm，高于多年降水平均值，变异系数0.28，说明该时期降水较丰富；
1985—1988年间平均降水为988.91mm，接近多年平均值，变异系数0.22，整体降水量变化幅度不大，无明显趋势；
1989—2017年间平均降水为840.95mm，低于多年平均值的92.78%，变异系数为0.29，说明该时期降水量变化幅度增大，且呈现明显下降趋势。汛期降水有相似趋势，在1970—1984年间呈上升趋势，在1985—1988年间有所波动，在1989—2017年间变化幅度较大且呈下降趋势。
3.3 绵阳市降水突变性特征
采用Mann-Kendall检验法和滑动T检验法相结合的方法分析绵阳市多年降水序列的突变点。信度水平统计量UFk和变化度统计量UBk的变化过程如图4所示，95%置信区间的阈值线为±1.96；
滑动T检验结果如图5所示，95%置信区间的阈值线为±4.30。年降水量的UFk和UBk曲线交点出现在1977、1982、1986、1994年附近，同时滑动T检验结果显示超出阈值线的点为1994年，因此，判断1994年为年降水量的变异分割点。汛期的UFk和UBk曲线交点出现在1988年和1995年附近，滑动T检验结果的突变时间点为1987年，因此，推断1987年是绵阳市汛期降水的变异分割点。年降水和汛期降水的突变时间点不同，这可能与气候条件和降水的时空分布不均有关，1987年降水集中分布在汛期(6—9月)，占全年降水的83.30%，而1994年的降水年分布比较均匀，汛期降水低于全年降水的70%。
图3 绵阳市降水量累积距平变化
表2 绵阳市降水量阶段性变化
图4 绵阳市降水量Mann-Kendall曲线
图5 绵阳市降水量滑动T检验
变异点前后的绵阳市年降水量和汛期降水量变化情况见表3。结果显示，年降水量前期平均值为978.74mm，后期减少13.81%，总体呈下降趋势；
汛期降水量后期较前期减少17.92%，呈较明显下降趋势。
表3 绵阳市降水量突变前后期
基于绵阳气象站1975—2017年逐日降水数据，以年降水量、汛期降水量为特征变量，采用滑动平均法进行趋势分析，采用累积距平法进行阶段性特征分析，采用Mann-Kendall检验法和滑动T检验法进行突变检验，得到结论如下。
(1)从趋势性角度看，绵阳市1975—2017年多年平均降水量为903.63mm，汛期多年平均降水量657.43mm，年度和汛期的最大降水量出现年份统一，且整体变化趋势相似，都呈下降趋势，年降水变化倾向为-47.4mm/10a，汛期为-41.1/10a。
(2)从阶段性角度看，绵阳市1975～2017年间年降水量和汛期降水量都具有明显阶段性特征，以1984年和1988年为界，年降水量和汛期降水量呈“上升-波动-下降”的趋势，其中汛期降水的变化幅度比全年降水量的变化幅度大。
(3)从突变性角度看，绵阳市年降雨和汛期降雨的突变时间点有所不同，其中年降雨的突变时间为1994年，汛期降雨的突变时间为1988年，这可能与降水的年际分布不均有关。
研究结果对深入了解绵阳市多年降水趋势和突变性变化特征具有重要意义，可为当地管理部门提前制定洪涝应对措施、优化水资源配置提供理论参考。
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