西安地区降水时空分布及变化规律分析.doc

1、文章 编号 : 1003 - 7578 ( 2010 ) 01 - 085 - 053西安 地区 降 水 时 空分布 及变 化规律 分析宋 令勇 1 ,宋进喜 1 ,张 文静 2( 1. 西北 大学 环境 科学系 ,西安 ; 2. 陕西 省气 候中心 ,西 安 )提 要 :运用非参 数检验法 (M ann - Kenda ll)对 西 安 地 区 7 个 县 区 的 降 水 数 据 ( 1961 - 2005 年 ) 做 了 计 算分 析 ,探讨了 降水时空 分布规律 。 在时间 上 ,从 年 、 季 、 月 三个角度 进行了研 究 ,在空间上 ,分析 了整个区 域 年 降 水和春 、 夏 、

2、 秋 、 冬四季 降水的分 布规律 ,并检验 了其变化 趋势 。 结 果 表 明 : 1961 年 以 来 西 安 地 区 降 水 时 空 分 布 不 均匀 ,降水 主要集 中 在夏秋季 节 , 5 - 10月份 的降水可占 全年降水 量的 79% ,并且年降 水有减 少 的 趋 势 ,其 中 春 、 秋季节降 水减少 ,尤其以 春季最 为 显著 ,变化率 为 - 1. 98mm / a,夏 、 冬季降水 有增加的 趋势 。关键 词 :西安 ;降水 ;时空分 布 ;非 参数检验 ;变 化中图 分类号 : P426. 6 文 献标识码 : A西 安市位于中 国大陆腹地 黄河流域中 部的关中盆 地

3、 ,东 经 107 40 109 49 和北纬 33 39 34 45 之间 。 辖 境东西 204 km ,南北 116 km;面积 9983 km2 ,其中市区 面 积 1066 km2 。 北部为 冲积平原 ,南部为 剥蚀 山地 ,大体地 势是东南高 ,西北 与西南低 ,呈一簸 箕 状 。 西 安 自 古 以 来 就 有 “八 水 绕 长 安 “之 说 ,为 历 代 文人学士 所称道 。 这 八水指的是 渭 、 泾 、 沣 、 涝 、 、 、 、 灞 八 条 河 流 。 西 安 属 于 暖 温 带 半 湿 润 的 季 风 气 候 区 ,雨量适中 ,四季 分明 。 年降 水 量 平 均 为

4、 507. 7 7 19. 8mm。 年 平 均 湿 度 为 69. 6 % 。 年 平 均 降 雪 日 为13. 8天 。西 安是连接东 部和西部 、 西南部 的 主 要 通 道 ,在 我 国 西 部 大 开 发 中 处 于 十 分 重 要 的 位 置 。 但 是 近 年 来 ,由于自然 与人为的 因 素 ,水 资源不足和 水环境问题 突 出 严 重 制 约 着 西 安 市 经 济 的 发 展 ,开 发 利 用 西 安城市雨 水资源 已 成 当 务 之 急 。 2001 年 水 利 部 发 布 的 雨 水 集 蓄 利 用 工 程 技 术 规 范 ( SL267 - 2001 ) 和2006年

5、建设 部发布的 建 筑与小区雨 水 利 用 工 程 技 术 规 范 ( GB 50400 - 2006 )对 农 村 地 区 开 展 农 业 雨 水 集蓄利 用和城市雨 水资源化利 用 有 较 强 的 指 导 性 。 宋 进 喜 等 ( 2002 )对 西 安 市 雨 水 资 源 开 发 利 用 有 利 条 件进行 了定性分析 ,指出 开发利用雨 水资源已经 成 为 西 安 市 解 决 水 资 源 问 题 的 最 佳 途 径 1 。 由 于 城 市 雨水资源 化利用涉及 许多工程措 施 ,需 要对可收集 利用的雨水 量进行计算 ,目前 不少学者提 出了不同的 计算方法 ,冯浩等 ( 2001

6、) , 高 鹏 等 ( 2006 ) 在 考 虑 降 雨 调 控 系 数 的 条 件 下 计 算 了 区 域 雨 水 资 源 可 实 现 的 潜 力 2 , 3 ;曹秀芹 等 ( 2002 ) ,黄亚伟 ( 2006 ) ,车伍等 ( 2007 ) ,余占 环 等 ( 2008 )在 考 虑 雨 水 下 渗 ,季 节 折 减 和 初期弃流 等因素影响 分别对某一 区域可收集 的雨水 量 进 行 了 计 算 4 - 7 ,但 是 在 计 算 中 年 降 水 量 取 的 是 多 年平均降 水量 ,计算的结果 是年均可利 用雨水资源 量 ,没 有 考 虑 降 水 保 证 率 的 影 响 ,从 降 水

7、 的 突 变 性 以 及 雨 水利用 设施的长期 使用来讲应 该在一定降 水保证率下 来计算一个 区域可收集 的雨水资源 量 。 对降水 的可利用量 进行计算时 应考虑雨水 下 渗 ,季 节 折 减 、 初 期 弃 流 (绿 地 除 外 )和 降 水 保 证 率 等 因 素 的 影 响 。 要 考 虑这些 因素必需要 了解降水的 年 、 季 、 月分 布规律 。 因此 研 究 西 安 地 区 降 水 时 空 分 布 特 征 及 其 变 化 趋 势 ,对于研 究雨水资源 化利用有着 十分重要的 现实意义 ,为城市 雨水资源化 潜力的估算 提供重要的 依据 ,并为 区域性 城市雨水资 源化利用中

8、各环节的有 机协调提供 依据 。韦 志刚等 ( 2000 )利用 PCA 和 SSA 相结 合指出中国 西北地区降 水量演变趋 势 为 : 60 年 代 到 70 年 代 初 降雨减 少 , 70 年 代到 80年代初降 雨增加 , 80年代到 90 年 代 降 雨 又 出 现 减 少 的 趋 势 。 这 种 趋 势 在 陇 南 和 陕西中 南部是最显 著的 8 。 陶林威等 ( 2000 )指出 陕 西 降 水 量 偏 少 且 地 区 分 布 不 均 9 。 徐 小 红 ( 2005 )对3 收 稿日 期 : 2008 - 12 - 31。基 金项 目 :国 家自 然科学 基金 ( ) ;

9、陕 西省 自然科 学研 究项 目 ( 2003D17 )资助 。作 者简 介 :宋 令勇 ( 1983 - ) ,男 ,山 东济 宁人 ,硕士 研究 生 ,研 究方 向为水 资源 开发 利用 。 Em a il: songlingyong sina. com通 讯作 者 :宋 进喜 ( 1971 - ) ,男 ,副 教授 ,从事 水文 学及 水资源 方面 的研 究 。 Em a il: jinxisong gm a il. com西安近 50 年气候变化 研究指出进 入 90年代以来 , 降水量 锐减 ,春季降水量 增加 , 夏 、 秋 、 冬季 减少 , 其中秋 季减 少最明显 10 。 肖

10、军等 ( 2006 )指出 西 安 市 降 水 量 总 体 上 呈 现 下 降 趋 势 ,但 其 间 又 略 有 波 动 11 。 王 波雷等 ( 2007 )运用 R / S ( R e sca led R ange A na lysis)方法对 西 安 市 1951 - 2001 年 过 去 51 年 的 降 水 量 的 年平均 、 冬季 、 夏季进 行了分析计 算 ,结 果表明西安 市冬季的 降 水量呈上升 趋势 ,夏季和年平 均降水量则 呈下降 趋势 12 。 以上都 是以参数评 估方法对降 水规律进 行检验 ,而非参数 法则使用较 少 。 在 水 文 - 气 象 时 间 序列中 使用

11、非参数 检验方 法 比 使 用 参 数 检 验 的 方 法 在 非 正 态 分 布 的 数 据 和 检 验 数 据 中 更 为 适 合 13 ,因此 ,运用非参 数 M ann - Kenda ll检 验方法对西 安 7县区降 水资料进行 分析 ,探 讨 降 水 的 时 空 分 布 和 变 化 规 律 。表 1 西安地 区降水资 料特征值1 数 据来源及 研究方法1. 1 数据 来源由 陕西省气象 局提供的 1961 - 2005年西安地 区Tab. 1 Sta tistic s of annua l p rec ip ita tion in X ian region统计 值 平均 值 标准

12、方差 偏差 系数 峰 态系数降 水 614. 6 130. 6 0. 518 0. 987 县 区 逐 月 降 水 数 据 ,数 据 齐 全 ,准 确 性 高 。 从 西 安地区多 年平均降水 量统计特 征 值 (表 1 ) 来 看 ,西 安 地 区 45 年 降 水 的 平 均 值 为 614. 6mm ,偏 态 系 数 为 0.518 ,不 符合正态分 布 ,因 此可以应 用 M ann - Kenda ll趋 势 检 验 法 。 其 中 区 域 年 降 水 量 采 用 的 是 算 术 平 均 的方法 。1. 2 研 究 方法基 于秩的 M ann - Kenda ll趋势检验 法是一种非

13、 参数统计检 验方法 ,同 传 统 的 参 数 方 法 比 较 ,具 有 明 显 的优越 性 ,它 不需要样 本 遵从一定的 分布 ,也不受少 数 异 常 值 的 干 扰 ,计 算 也 比 较 简 便 ,因 此 ,在 趋 势 分 析中得到 了广泛的应 用 14 。 刘 昌 明 等 ( 2003 ) 指 出 该 方 法 是 世 界 气 象 组 织 推 荐 并 已 广 泛 使 用 的 一 种 方法 15 。S - 1 , S 0va r ( S)0 ,S + 1M ann - Kenda ll检验 统计量公式 为 16 , 17 : Z = S = 0 ( 1 )c, S 0 = 0 01 ,0

14、,- 1 ,n - 1 nsgn ()其 中 : S = sgn ( sk - xi ) ( 2 ) = ( 3 )i = 1 k = i + 1式 中 : xk , xi 为连续的 数值变量 , n 为 资 料 系 列 长 度 , Zc 正 值 表 示 增 加 趋 势 ,负 值 表 示 减 少 趋 势 ,当 -Z1 - / 2 Zc Z1 - / 2时 ,原假设 H0 被 接受 ,表示研究 对象变化趋 势不明显 ,其中 , Z1 - / 2是标准 正态偏 量 ,为检验 的置信水平 。 该文 取值为 95 % ,周芬 ( 2005 )指 出 Kenda ll趋 势 法 的 识 别 能 力 与

15、之 前 给 定 的 显 著性水平 、 样 本 容 量 、 趋 势 度 和 变 差 系 数 有 关 18 ,也 就 是 说 非 参 数 检 验 法 (M ann - Kenda ll)对 不 同 时 间 序 列 的分布 的趋势的识 别能力不一 样 。为 了 检 验 序 列 的 趋 势 , 需 要 计 算 单 调 趋 势的大小 - Kenda ll倾 斜 度 ,即 单 位 时 间 内 的 变 化 量 ,以此来量 化单调趋势 ,其计 算公式 :xi - xj =M ed ian ( ) , V j i ( 4 )i - j式 中 : 1 j in, 当 值 为 正 时 表 示 上 升趋势 ,当 为负

16、时 ,表示下 降趋势 。2 结 果分析2. 1 时间 分布及变化 规律2. 1. 1 年 降水 为 反 映 西 安 地 区 降 水 年 际 变 化规 律 , 做 出图 1 西安地 区 年降水量 和 5年滑 动平均降 水量时间 序列图F ig. 1 Tim e se rie s of annua l and 5 - yea r moving of p rec ip ita tion in X ian了该地 区 1961 - 2005年年 降水量和 5年滑动平均 降水量时 间 序列图 (图 1 ) 。从 图 1可以 看 出 45 年 来 西 安 地 区 降 水 量 逐 年 分 布 极 不 平 衡

17、, 1983 年 降 水 量 达 989. 1mm ,而 1995 年的 降水 量仅有 333. 4mm ,二者相 差 650多 mm , 45年的平 均降水量为 614. 6mm。 年降水 量和 5年滑动 平均降 水量 曲线都随时 间呈现减少 的趋势 。 用 M ann - Kenda ll方法 得到的降水 量 趋 势 检 验 结 果 进 一 步 反 映 降水量的 时间变化趋 势 (表 2 ) 。 表 2中原假设 H0 被接受 ,说明变 化 趋 势 不 显 著 , Zc 为 负 值 说 明 降 水 总 体 上呈减少 的趋势 ,多年平均 降水量倾斜 度 为 - 1. 25 ,说明 45 年 来

18、 西 安 地 区 降 水 量 减 少 幅 度 为 1. 25mm / a。从不同 的降水保证 率来看 (表 3 ) ,在降 水保证率为 95 %的条件下 ,西安 地区 的 年 降 水 量 为 420mm ,在 降 水保证率 为 75 %下 ,年降水量 达 521. 9 mm。表 2 年降 水量趋势 检验结果Tab. 2 Trend te st fo r m ean annua l p rec ip ita tion表 3 不同降水 保证率 下 的年降水 量Tab. 3 The annua l p rec ip ita tion on the cond ition of d iffe ren t

19、 p rec ip ita tion gua ran tee ra te sM ann - Kenda ll检验 Zc H0 显 著性 水平 降水 保证 率 ( % ) 25 50 75 80 90 95- 1. 25 - 0. 99 A 0. 05 年降 水量 (mm ) 695. 5 604. 1 521. 9 503. 6 455. 3 420A:接受原 假设2. 1. 2 季 降水根 据西安地区 的气候特征 ,春季 为 3 - 5月 ,夏 季 为 6 - 8 月 ,秋 季 为 9 - 11 月 ,冬 季 为 12 - 2 月 ,从 降 水 的 季 节 变 化 来 看 (表 4 ) ,西

20、 安 地 区 的 降 水 主 要 集 中 在 夏 、 秋 季 节 ,夏 季 降 水 总 量 占 全 年 降 水 总 量 的 39.表 4 西 安地区季 节降水及 变化趋势Tab. 4 Sea sona l p rec ip ita tion and ave rage slop e in X ian5 % ,而 冬季降水稀 少 ,仅占 年 降 水 量 的 3. 7 % 。 夏 、 冬 季的 M ann - Kenda ll倾 斜 度 为 正 值 ,说 明 降 水 有 增 加 的 趋 势 ,其中 ,夏 季 增 加 幅 度 为 1. 49mm / a, 冬 季 增 加 微 弱 ,春 、 秋季节降 水

21、的 为 负 值 ,说 明 降 水 都 有 减 少 的 趋 势 ,春季降 水减少幅度 比秋季大 。2. 1. 3 月 降水季 节 春 夏 秋 冬平 均 降 水量 (mm )占全 年比 例 ( % )值 (mm / a)146. 523. 8- 1. 9824339. 51. 4920232. 9- 1. 41233. 70. 09从 月变化来看 (表 5 ) ,西 安 地 区的 降 水 主要 集 中 在 5 - 10 月 份 ,占全 年 降 水 量的 79 % ,并 且 平 均每 个月的降 水量都超 过 了 64mm ,均占全年 降水量的 10 %以 上 ,而 12 - 2月份降 水稀少 , 3

22、 个月 总计不足全 年降 水 量的 4 % 。 从 表中还可以 看出 2 , 6 , 7 , 8 ,月 份的 M ann - Kenda ll倾 斜 度 为 正 值 , 1 , 12 月 份 为 0 ,其 他 各 月的 M ann - Kenda ll倾斜度都 为负值 ,说 明 这 些 月 的 降 水 都 有 减 少 的 趋 势 ,其 中 4 月 份 降 水 量 减 少 幅 度 最 大 ,达 0. 72mm / a,说 明 4月份对 降水量减少 贡献最大 ,增加幅 度最大的为 6月份 。表 5 月降水 量及变化 趋势Tab. 5 Mon th ly p rec ip ita tion and

23、ave rage slop e in X ian月 份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月平 均 降 水量 (mm )占全 年比 例 ( % )值 (mm / a)6. 411. 040. 0010. 541. 710. 0528. 534. 64- 0. 2550. 838. 27- 0. 7267. 110. 92- 0. 6764. 2310. 450. 7897. 9615. 940. 0480. 8613. 160. 41106. 7417. 37- 0. 5769. 2311. 27- 0. 1726. 074. 2

24、4- 0. 446. 090. 990. 002. 2 空 间 分布及变 化 规律2. 2. 1 年 降水图 2为西安各 县区多 年 平 均 降 水 量 分 布 图 ,从 图中 可以看出西 安地区 降 水 空 间 分 布 不 均 匀 ,这与秦 岭的分 布 密 切 相 关 。 大 体 从 东 南 到 西 北 呈 减少 的趋势 ,东南部的 长 安 、 蓝 田 降 水 较 多 ,而北部的 高 陵 县 降 水 较 少 , 多 年 平 均 降 水 量 仅 为522mm。 为反 映 西 安地 区 年 降 水量 的 空 间变 化规 律 ,做出 了 西 安 地 区 年 降 水 量 的 M ann - Kend

25、a ll倾斜度 值分 布 图 (图 3 ) 。 从 图 中 可 以 看 出 除 临潼外 ,其 他 各 县 区 年 降 水 量 的 值 均 为 负 值 ,说明降水 量都有减少 的趋势 ,这 与 整 个 地 区 的 变 化图 2 西 安地区多 年平均降 水量分布 图 (单位 mm )F ig. 2 The d istribu tion of m ean p rec ip ita tion in X ian region趋势是 一致的 ,其中周至 县减少幅度 最大 ,户县最小 。2. 2. 2 季 降水从 季节降水的 空间分布来 看 (图 4 ) ,西安各 县区的 降 水 主 要 集 中 在 夏 秋

26、 季 节 , 冬 季 降 水 稀少 ,对整个地 区 而 言 ,除 夏 季 高 陵 县 和 蓝 田 县 的降 水差 距较大外 ,其他季 节 各 县 区 的 降 水 差 异 不 大 ,冬季降 水 分布最均匀 。 每 个 季 节 降 水 多 的 都是蓝田 县 ,最 少的是高 陵 县 。从 西 安 地 区 各 季 节 降 水 量 的 值 分 布 图(图 5 )来 看 ,春 季 ,整 个 西 安 地 区 的 值 均 为 负值 ,说明在 春 季 全 区 的 降 水 量 都 呈 减 少 的 趋 势 ,并且减 少的幅度相 对来说比 较 大 ,各 县 区 之 间 减 少的幅 度 也 不 同 , 户 县 最 大

27、, 为 - 2. 23mm / a, 临潼区最 小 。 夏季 ,整 个 地 区 的 值 均 为 正 ,说 明降 水有 增加的趋势 ,除北 部 的 高 陵 县 增 加 的 幅 度图 3 西安地 区年降水 量的 值分 布图 (单 位 mm / a)F ig. 3 The Kenda ll slop e of m ean p rec ip ita tion in X ian region较小 ( 0. 32mm / a)外 ,其他各 县区增 幅 相 对 较 大 ,但 各 县 区 之 间 的 差 别 不 大 。 秋 季 ,整 个 区 域 的 值 均 为负 ,其中东南 部 的 蓝 田 县 减 小 的 幅

28、 度 最 大 ,为 1.89mm / a,东 部 的 临 潼 区 最 小 。 冬 季 ,整 个 区 域 除 周至县 外 ,各 县 区 的 降 水 都 有 增 加 的 趋 势 ,但 增幅都比 较小 ,最大的为 临 潼区仅为 0. 17mm / a。3 结 论与讨论用 非参数检验 法 (M ann - Kenda ll)对 西 安 地 区 ( 1961 - 2005年 )降 水 时 空 分 布 规 律 和 变 化 趋 势进行 了研究 。 得 出以下结论 :( 1 )时间上 , 1961年 以 来 西 安 地 区 的 降 水 以1. 25mm / a速率减 少 ,并 且 降 水 主 要 集 中 在

29、夏 秋 季 ,而冬季 降 水 稀 少 仅 占 全 年 降 水 量 的 3. 7 % 。春 、 秋季降 水 有减少的趋 势 ,夏 、 冬 季 节 的 降 水 都图 4 西安 地区各县区 季降水量 图F ig. 4 The d istribu tion of sea sona l p rec ip ita tionin X ian region图 5 西安地区 各季降水 量的 值分布 图 (单 位 mm / a)F ig. 5 The Kenda ll slop e d istribu tion of m ean sea sona l p rec ip ita tion in X ian regi

30、on有 增加 的趋势 ,其中春季 减少的幅度 最大 ,为 1. 98mm / a。 一年 内最大降水 量一般都出 现在 6、 7、 9 月 份 , 2 ,6 , 7 , 8月份的降 水存在增加 的趋势 , 1月和 12 月基 本 不 变 ,其 他 各 月 都 有 减 少 的 趋 势 ,其 中 4 月 份 降 水 量 减少幅 度最大 ,达 0. 72 mm / a。( 2 )空间上 ,南部的 长安和东南部 的 蓝 田 降 水 较 多 ,而 北 部 的 高 陵 降 水 较 少 ,并 且 县 区 都 有 不 同 程 度的下降 。 西安地区 的降水除夏 季北部的高 陵县和东南 部 的 蓝 田 县 差

31、距 较 大 外 ,其 他 各 季 节 降 水 的 空 间 分 布差异 不大 ,冬季降水 最 均匀 。 春 、 秋季节 各县区的降水 都 有 不 同 程 度 的 减 少 ,夏 季 各 县 区 都 有 增 加 的 趋势 ,冬季除周 至县外 ,其他各县 区都有较小 幅度的增加 。( 3 )估算出西 安市主城区 可收集利 用 的雨水资 源 量 为 1. 43 亿 m3 ,相 当 于 西 安 市 市 辖 区 2005 年 的 总 用水量 的 12 % ,雨水资源化 利用潜力巨 大 。分 析了西安地 区 7个县区 的降水时空 分布规律和 变化趋势 ,由于站 点较少 ,在反映降 水的空间分 布 规律及变 化

32、趋势时只 是用简单的 示意图表示 ,如果 站 点 较 多 用 等 值 线 图 表 示 其 效 果 更 佳 。 把 年 平 均 降 水 量 的 值与逐月 降水量 值的 累 加 值 相 比 较 发 现 ,二 者 有 一 定 的 差 别 ,并 不 完 全 一 致 ,但 变 化 趋 势 是 一 样的 ,说明 M ann - Kenda ll检 验 法 对 不 同 时 间 序 列 的 趋 势 的 识 别 能 力 不 同 ,这 和 周 芬 的 研 究 结 果 是 一 致 的 ,应归结 为该方法的 局限性 。参考文献 1 宋 进 喜 ,李 怀恩 ,王伯 铎 ,等 . 西安 市雨 水资源 化及 其利 用的探

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40、an , P. R. Ch ina)A b stra c t: O n the ba sis of p rec ip ita tion da ta co llec ted from seven gauging sta tion s a round X ian c ity du ring thep e riod of 1961 - 2005 , the tempo ra l and sp a tia l d istribu tion of p rec ip ita tion in X ian region wa s ana lyzed. The M ann - Kenda ll te st wa

41、 s app lied to ana lyze annua l and sea sona l p rec ip ita tion tim e se rie s. The tempo ra l d istribu2 tion inc luded the va ria tion s of yea r, sea son and mon th fo r the who le region. Fo r sp a tia l d istribu tion, the va ria tion of the p rec ip ita tion of yea r and sea son fo r the seve

42、n a rea s we re de te rm ined. The re su lts showed tha t the tempo ra l and sp a tia l d istribu tion s of p rec ip ita tion wa s uneven and the m ean annua l p rec ip ita tion had a dec rea sing trend from 1961 - 2005 , wh ich m a in ly re su lted from the va ria tion of p rec ip ita tion in the s

43、p ring and au tum n, e sp ec ia lly in sp ring, du ring wh ich the slop e wa s - 1. 98mm / a. W h ile in summ e r and w in te r, the p rec ip ita tion exh ib ited an inc rea sing trend. The ra iny sea son wa s concen tra ted in summ e r and au tum n eve ry yea r, and the to ta l ra infa ll du r2 ing the p e riod from M ay to O c tobe r occup ied 79 % of the annua l p rec ip ita tion.Key word s: X ian; p rec ip ita tion; tempo ra l and sp a tia l d istribu tion; M ann - Kenda ll te st; va ria tion