王 鑫 时晓宁 任修琳
(1.北京市密云水库管理处，北京 101512；
2.北京市水务工程建设与管理事务中心，北京 100036)
降水量是区域水资源量的重要补给来源，对于增加水资源量、改善生态环境具有重要的作用。通过天然降水，可增加地表水面面积，补给地下水。北京市是一座水资源紧缺的大型城市，2014年底南水北调中线一期工程全线建成通水，“南水”进京后成为保障北京城市用水需求的主力水源，为地下水提供了“休养生息”的机会。在全球气候变化的大背景下，北京独特的群山环绕地形加之处在西风带系统与太平洋副热带高压系统交互作用带，北京地区的降水结构变化显著，极端天气和暴雨事件频发[1-3]。
国内许多专家学者对区域降水特征开展了研究[4-6]，已取得了一些成果，但对于北京地区相关研究较少。本研究基于长时间序列2000—2019年北京市111个雨量站降水量资料，采用线性回归法、累积距平法、Mann-Kendall检验法和ArcGIS插值方法[7-8]，分析了北京市近20年的降水变化趋势和降水时空分布及变化特征，为北京市的水资源开发利用提供参考依据。
北京市位于华北平原与太行山脉、燕山山脉的交接部位，全市总面积16400km2，其中山区面积10200km2，约占总面积的62%；
平原区面积为6200km2，约占总面积的38%。在地形地貌上，北京地势西北高、东南低，西部、北部和东北部三面环山，东南部是一片缓缓向渤海倾斜的平原。由于山脉交接、断裂、下陷和侵蚀作用，形成了古北口、南口、永定河入口三个通道，影响北京气候。在水文气象上，北京属暖温带半湿润半干旱季风气候，春季干旱多风，夏季高温多雨，秋季凉爽，冬季寒冷干燥，四季分明。受西风带影响，冬春盛行偏北风，夏季盛行偏南风。年平均风速2～3m/s，春季风速最大，平均达3.5～4m/s。1956—2000年期间，多年平均降水量为585mm，降水总量为98亿m3，其中山区降水量577mm，降水总量60亿m3；
平原降水量597mm，降水总量38亿m3。
2.1 数据来源
本次研究根据监测站点坐标有无以及监测数据缺失情况，最终选取北京市111个雨量站年、汛期、非汛期3个不同时期降水量资料，数据经过严格的质量控制。年统计为每年的1—12月之和，汛期统计为5—10月之和。北京市雨量站空间分布见图1。
图1 北京市雨量站空间分布
2.2 研究方法
2.2.1 线性回归法
线性回归法是利用数理统计中的回归分析确定两种或两种以上变量间相互关系的一种常见的统计分析方法。
2.2.2 累积距平法
累积距平法常用来判断变化趋势，利用各个时间节点的累积距平值绘制累积距平曲线，根据累积距平曲线的起伏可以直观判断长期的演变趋势和持续性变化情况，并可以初步判断发生突变的节点。
2.2.3 Mann-Kendall趋势检验法
Mann-Kendall趋势检验法是提取趋势变化的有效方法，不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常数值的干扰，被广泛应用在水文、气象等非正态分布数据的趋势检验中[9]。
2.2.4 ArcGIS插值法
ArcGIS插值法被广泛应用于空间统计分析中，利用已知降水量数据的空间分布结构，进行空间插值分析，能够预测某一区域内样本数据以外的降水量值。
研究采用线性回归法、累积距平法分析北京市降水量的时间变化趋势，运用Mann-Kendall趋势检验法确定年降水量的突变特征，利用ArcGIS插值法分析北京市降水量的空间分布及变化特征。
3.1 降水量时间分布规律
2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量见表1。由表1可知，2000—2019年北京多年平均降水量为532mm，年最大降水量为711mm(2012年)，年最小降水量为410mm(2002年)；
汛期(5—10月)多年平均降水量为482mm，汛期最大降水量为636mm(2016年)，最小降水量为365mm(2002年)；
非汛期多年平均降水量为51mm，非汛期降水量最大值为122mm(2012年)，最小值为14mm(2006年)。
表1 2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量
将2000—2019年降水量、汛期降水量、非汛期降水量，通过3年滑动平均和趋势线表示出来(见图2)。
从图2可以看出，2000—2019年北京市的降水量总体呈增加的趋势。2008年以前3年滑动平均降水曲线基本处于多年平均线以下，说明2008年以前北京市降水量较少；
2008年以后，3年滑动平均降水量曲线基本处于多年平均以上，说明2008年以后北京市降水量增多。
图2 北京市2000—2019年年降水量
汛期降水量趋势与年降水量基本一致(见图3)，2008年汛期降水量583mm，超过了20年平均汛期降水量482mm，3年滑动平均降水曲线明显升高；
而非汛期的降水量、3年滑动平均降水曲线波动较大(见图4)，非汛期降水量总体偏少，只有2012年达到122mm，其余年份均小于100mm，这也与北京市冬、春季干旱少雨的气候特征一致。
图3 北京市2000—2019年汛期降水量
图4 北京市2000—2019年非汛期降水量
北京市2000—2019年降水距平值和累积距平值见图5。从图5可以看出，2002—2008年降水距平值以负值为主，是累积距平曲线的下降段，表明北京市年降水量在这一时期处于减少的状态；
2008—2019年降水距平值以正值为主，累积平均值呈现明显的上升趋势，表明北京市年降水量在这一时期明显增加。
图5 北京市2000—2019年降水距平值和累积距平值
采用Mann-Kendall趋势检验法对北京市2000—2019年年降水量数据的检验结果见图6。所有UFk组成一条曲线UF，反序列得到另一条曲线UB，选取显著性水平为95%的置信度(α=0.05)对其进行评价，即U0.05/2=±1.96，将统计量曲线UF、UB和±1.96两条直线均绘在同一张图上。如果UF的值大于0，则表明降水数列呈上升趋势，小于0则表明降水量呈下降趋势。将UF超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域，如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间[10]。
图6 降水量的Mann-Kendall突变分析
从图中可以看出：
a.按时间顺序升序排列计算的统计量UF大多数为正值，且其值随时间逐渐变大，可知年降水量在2000—2019年呈上升趋势，这与线性分析、累积距平分析的结果相符。
b.2011—2013年、2015—2019年这两个时间段的UF曲线超过临界线，说明此两段时间内的降雨为突变状态。
c.在2002年、2006年和2014年曲线UF与UB出现相交点，表示降水趋势发生改变，这与年降水量变化相符合，这三年为降水量从下降趋势变为上升趋势的拐点。
3.2 降水量空间分布特征
依据现有雨量站的降水数据绘制北京市多年平均降水量的等值线图(见图7)。从图7中可以看出，北京市年降水量空间分布并不均匀，降水量较大区域(深灰色)集中在北部迎风带(密云西部、怀柔东部)、平谷东部，多年平均降水量均大于600mm；
而延庆西部、大兴、通州南部相对较少，这可能与夏季主要影响北京降水的气团方位和运动途径有关。从图7还可以看出，北京市降水量基本在400mm以上，这与北京市属于半湿润地区的情况相符合。
图7 2000—2019年北京市年降水量时空变化情况
2000—2019年北京市汛期降水量时空变化情况见图8。汛期降水空间形态与年降水量相似度较高，空间特征基本吻合，汛期降水量大，对北京市降水量的贡献率均超过80%，从图8中可以看出，大部分地区的降水量均高于400mm。同样，在北部迎风带、平谷东部汛期降水量较大，多达500mm以上。在门头沟北部、延庆西南部汛期降水量最少，均在400mm以下。
图8 2000—2019年北京市汛期降水量时空变化情况
本文基于北京市111个雨量站降水量数据，分析了2000—2019年北京市降水量时空分布特征，得出如下结论：
a.时间分布上，2000—2019年北京市的降水量总体上呈增加的趋势。多年平均降水量为532mm，年降水量波动范围为410～711mm。峰值出现在2012年，年降水量为711mm；
2002年降水量最低，仅为410mm。汛期(5—10月)多年平均降水量为482mm，非汛期多年平均降水量为51mm。
b.空间分布上，北京市年降水量空间分布差异明显，东北部与西南部较高，西北部与东南部较低，降水量主要集中在北部迎风带(密云西部、怀柔东部)、平谷东部，多年平均降水量均大于600mm；
而延庆西部、大兴、通州南部相对较少。
c.通过Mann-Kendall趋势检验，北京市的降水量总体上呈增加趋势，与线性分析、累积距平分析的结果相符。突变点在2002年、2006年和2014年，与年降水量趋势变化相符。
通过对北京市降水量时空分布特征的研究，可以清楚地了解北京市近20年降水量的变化特征，为北京市的水资源开发利用提供参考依据。为适应北京市水资源精细化管理要求，下一步应结合气象、防洪排涝等因素，加强对于局地降水量以及降水过程的分析研究工作。
猜你喜欢雨量站距平降水量1958—2019年新兴县汛期降水量的气候特征广东气象(2022年5期)2022-10-26飓风Edouard（2014）暖心结构的多资料对比分析农业灾害研究(2022年8期)2022-10-01成都市年降水量时空分布特征成都信息工程大学学报(2022年3期)2022-07-21信息熵方法在辽宁省不同分区雨量站网布设的应用研究黑龙江水利科技(2021年2期)2021-04-12雨量站网布设对水文模型不确定性影响研究水利规划与设计(2021年2期)2021-03-05山洪灾害重点防治区遥测雨量站点优化布设研究水利技术监督(2020年1期)2020-02-13降水量是怎么算出来的启蒙（3-7岁）(2019年8期)2019-09-10近40年阿里地区云量和气温的年际变化西藏科技(2018年9期)2018-10-171988—2017年呼和浩特市降水演变特征分析江西农业(2018年23期)2018-02-11甘肃省降水和冰雹天气气候分析现代农业科技(2016年5期)2016-10-20