黄石市降水量年际变化分析及趋势预测.pdf

Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究,2023,12(4),412-419 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jwrr https:/doi.org/10.12677/jwrr.2023.124046 文章引用文章引用:沈国进,李子慧.黄石市降水量年际变化分析及趋势预测J.水资源研究,2023,12(4):412-419.DOI:10.12677/jwrr.2023.124046 黄石市降水量年际变化分析及趋势预测黄石市降水量年际变化分析及趋势预测 沈国进，李子慧沈国进，李子慧 湖北省黄石市水文水资源勘测局，湖北 黄石 收稿日期：2023年7月17日；录用日期：2023年8月14日；发布日期：2023年8月31日 摘摘 要要 本文对黄石市本文对黄石市19站点站点1956年至年至2022年年67年的年降水资料系列进行分析研究，年的年降水资料系列进行分析研究，Mann-Kendall趋势检验和趋势检验和P-III曲线法分析年际未呈现显著性变化，年降水量均值为曲线法分析年际未呈现显著性变化，年降水量均值为1435 mm，整体随时间呈现小幅度增多。滑动平均值法、，整体随时间呈现小幅度增多。滑动平均值法、K-means聚类法分析黄石市年降水量大约聚类法分析黄石市年降水量大约7年为一个变化周期，而模比系数法分析在历年样本数据周期内更容年为一个变化周期，而模比系数法分析在历年样本数据周期内更容易发生连续偏枯，频率为易发生连续偏枯，频率为12.1%远高于偏丰频率的远高于偏丰频率的3.0%，旱情发生的频率需要加以重视。，旱情发生的频率需要加以重视。R/S分析未来年降水分析未来年降水量整体仍为小幅增加，预测量整体仍为小幅增加，预测2023年年2025年黄石市降水量多年平均值在年黄石市降水量多年平均值在1450 mm左右，多种分析方法的数据左右，多种分析方法的数据与黄石市的水资源调度管理现行政策较为吻合，未来仍需防汛抗旱并举。与黄石市的水资源调度管理现行政策较为吻合，未来仍需防汛抗旱并举。关键词关键词 降水量，年际变化，降水量，年际变化，Mann-Kendall，K-Means聚类法，黄石市聚类法，黄石市 Interannual Variation Analysis and Trend Prediction of Precipitation in Huangshi City Guojin Shen,Zihui Li Huangshi Hydrology and Water Resources Survey Bureau,Huangshi Hubei Received:Jul.17th,2023;accepted:Aug.14th,2023;published:Aug.31st,2023 Abstract The Mann-Kendall trend test and P-III curve are used to analyze the annual precipitation data series at 19 precipitation stations in Huangshi City from 1956 to 2022(67 years).The results show that there is no signif-icant change in the interannual variation pattern with an average annual precipitation of 1435 mm.The overall annual precipitation shows a slight increase.Based on the moving average method and the K-means clustering method,the annual precipitation approaches 7 years as a change cycle,while the modulus coeffi-cient method analysis indicates that continuous drought is more likely to occur in the sample data cycle,with 作者简介：沈国进(1989-)，男，湖北宜昌人，工程师，主要从事水文预报及水情数据分析方面的工作，Email: 黄石市降水量年际变化分析及趋势预测 DOI:10.12677/jwrr.2023.124046 413 水资源研究 a frequency of 12.1%being far higher than the flood frequency of 3.0%,so the frequency of drought needs to be paid attention to.The predicted annual precipitation is 1450 mm from 2023 to 2025 by the R/S analysis method.The data from various analysis methods point out that this is more consistent with the current policy of water resources management,and flood control and drought relief are still needed in the future.Keywords Precipitation,Interannual Variation,Mann-Kendall,K-Means Clustering Method,Huangshi City Copyright 2023 by author(s)and Wuhan University.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 降水是研究气候变化的重要指标之一。随着中国城镇化进程的不断发展，不同区域表现出不同的降水特性，由于降水的丰枯变化直接影响干旱、洪涝等灾害的发生及严重程度，很多学者对不同的城市进行系列的年降水量特征研究1 2，均有不同的规律，但是对于黄石市近 70 年降水特性的分析未有表述，也没有从年际角度对降水量进行系统分析。本文利用黄石市 1956 年至 2022 年黄石境内 19 站点 67 年的降水资料，分析黄石市多年的降水量年际变化规律，从而为黄石市的中长期防汛抗旱及水资源管理提供决策支持。2.研究数据与方法研究数据与方法 Figure 1.Distribution of precipitation stations in Huangshi City 图图 1.黄石市雨量站点分布图 Open AccessOpen Access黄石市降水量年际变化分析及趋势预测 DOI:10.12677/jwrr.2023.124046 414 水资源研究 Figure 2.Monthly precipitation distribution of Huangshi City 图图 2.黄石市历年各月降水量分布图 黄石市位于长江中游南岸、湖北省东南部，介于东经 1143111530，北纬 29303015之间，国土面积4583 km2，地形总体趋势西南高东北低，地处中纬度，为典型的亚热带大陆性季风气候。图 1 收集的黄石境内19 站 19562022 年长系列降水资料，所有资料采用实测值或延长至 1956 年，经过三性审查，资料准确可靠，降水站点密度为 241 km2/站，满足雨量站平均 300 km2/站的要求3。67 年的黄石市历年降水量均值为 1435.0 mm，图 2 中 49 月降水量占全年的 69.1%，47 月降水量占全年的 53.4%，该时间段内主要为清明前后降水、入汛以及梅雨期降水，而黄石历年梅雨期多开始于 6 月下旬，所以 6 月的降水量均值最大，占全年的 16.0%，而梅雨量的多少影响着水利工程的蓄水量，这也是后期抗旱的主要水量。2.1.Mann-Kendall 检验检验 Mann-Kendall 检验4是一种用于检测时间序列趋势变化的非参数统计方法，它不需要对数据分布做出任何假设，因此适用于各种类型的数据。Mann-Kendall 检验的过程如下：先进行 H0假设(时间序列中不存在显著趋势变化)和 H1假设(时间序列中存在显著趋势变化，包括上升和下降两种单调趋势)。在 H0假设下，定义检验统计变量 S：()11nnjkkj kSSgn xx=+=(1)其中，Sgn 为符号函数：()100010jkjkjkjkxxSgn xxxxxx=+，则 h0假设不成立，而 h1假设成立，同时根据 Z 正负来判断变化趋势，其中 Z 为正则为增加趋势，负则为减少趋势。根据 67 年内实测降水量资料，在置信水位0.05=时，经计算：46S=，()34146.67Var S=，0.2435Z=，67n=计算结果 Z 值为 0.2435(略大于 0)，表明黄石市年际降水量接受假设 H0，即认为黄石市 67 年年际降水量未发生显著性变化，但有存在略微增加的趋势。2.2.P-III 曲线法曲线法 对黄石市67年的平均降水量进行P-型曲线适线分析，其多年平均降水量为1435.0 mm，CS/CV=2，变差系数CV=0.19。按水资源调查评价标准将河川径流丰、平、枯划分为特丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年和特枯水年5种。类别；根据经验频率，将年降水量分为：特丰水年 P 12.5%，偏丰水年 12.5%P 37.5%，平水年 37.5%P 62.5%，偏枯水年 62.5%P 0 时，表示该年际平均降水量大于多年平均降水量；当曲线斜率 K 0 K 0 连续 K 0和K 0和K 0占样本数的21.2%，占 K 0 样本数的 45.2%；连续的 K 0 占样本数的 24.2%，占 K 0 样本数的 48.5%。根据 2.2 P-III 型曲线法进行分割丰平枯水年 5 类，出现连续偏丰有 2 次(为 1969 年、1970 年、1998 年、1999 年)，占样本数的 3.0%，出现连续偏枯的有 8 次(为 1965 年、1966 年、1978 年、1979 年、2000 年、2001 年、2004 年、2005 年、2006 年、2007 年、2008 年、2018 年、2019 年)，占样本数的 12.1%，远超连续偏丰的 3.0%，为其 4 倍左右，所以黄石市出现连续偏枯的频率远大于出现连续偏丰的频率，但是整体分布较为均匀，未出现显著特征。2.6.R/S 分析法分析法 R/S分析7法是计算Hurst指数的常用方法之一，可用于判断时间序列的未来变化趋势。通过给定一个长度为N的时间序列，等分为长度为n的M个连续不重叠子序列，长度不足n的部分去掉。等分的子序列记为1,2,mXmM=?，其元素记为,x m i，1,kn。其主要步骤为：计算子序列的平均值，记做mE。计算子序列累计离差,D m k，1,kn：1,kmiD m kx m iE=(6)计算极差mR。max,min,mRD m kD m k=(7)计算子序列的标准差mS。21,nmmiSx m iEn=(8)计算重标极差，记做nR S。11MmnmmRR SMS=(9)将n不断的增大，对长度为N的时间序列进行分割，然后重复第(6)至第(9)，直到n=N，最终得到时间序列的重标极差序列。并绘制散点图，以ln R S为纵坐标，以lnn为横坐标，通过线性拟合得到线性回归方程，方程系数即为Hurst指数H(01H)。当H趋近于1时，未来变化趋势与过去趋势表现出强持续性，即连续丰水或黄石市降水量年际变化分析及趋势预测 DOI:10.12677/jwrr.2023.124046 418 水资源研究 者枯水；当H趋近0时，说明未来与现在呈反持续性；当H趋近于0.5时，表示未来的趋势与过去无关。Table 5.R/S method time span and H relationship curve node 表表5.R/S法时间跨度与H关系曲线节点 时间跨度 n 5 6 7 8 10 15 20 30 40 回归方程 H 0.692 0.669 0.6439 0.6584 0.6503 0.615 0.6004 0.6055 0.5664 R2 0.9932 0.9935 0.9917 0.9927 0.9929 0.9847 0.9862 0.9872 0.9669 图 5 中 H 值趋近 0.6 左右，说明通过 R/S 分析，黄石市年降水量未来趋势与过去实测系列资料存在弱相关性，且时间跨度越小相关性越好，而表 5 显示，在 n 为 7 时出现折点，其 Hurst 指数为 0.6439，说明虽然未来与过去没有显著关系，但是未来年际降水仍呈现略微增加的趋势，7 年为一个周期的前四年(包含 2019、2020、2021、2022 年)平均年降水量为 1426.8 mm，而 2023 至 2025 年(周期后 3 年)降水量将略多于均值。Figure 5.R/S analysis of annual precipitation in Huangshi from 1956 to 2022 图图5.黄石市19562022年年降水量R/S分析 3.结论结论 1)根据 Mann-Kendall 检验对黄石市 1956 年至 2022 年共计 67 年年降水量分析，黄石市年均面降水量总体趋势稳定略增。城镇化建设、气候变化等未产生显著性影响。2)通过 P-III 曲线计算，黄石市 67 年降水量丰平枯各占 1/3 左右，总体分布较为均匀；在模比系数法中连续偏枯的频率为 12.1%，远高于连续偏丰的频率 3.0%，因此在周期内更容易发生连续的枯水年，所以黄石市的水资源管理的指导思路，应长期坚持在辖区内确保防洪安全的同时，充分利用雨洪资源做好抗旱的准备，保证抗旱供水安全。3)通过滑动平均值法、K-means、R/S 分析等综合结论，黄石市年降水量整体呈现约 7 年丰平枯循环周期；未来趋势与过去实测系列资料存在一定的相关性，且时间跨度越小相关性越好，据此分析未来 3 年内(2023 至2025 年)黄石市降水量多年平均值在 1450 mm 附近(略多于历年均值 1430 mm)。参考文献参考文献 1 黄荟羽,白志娜,于涵,等.1981-2021 年辽阳县主要气候变化特征分析J.现代农业科技,2023(12):170-174.HUANG Huiyu,BAI Zhina,YU Han,et al.Analysis of main climate change characteristics in Liaoyang County from 1981 to 2021.Modern Agricultural Science and Technology,2023(12):170-174.(in Chinese)2 毕攀,史帅帅,李方红.山东烟台地区 1956-2020 年降水量变化特征分析J.河北地质大学学报,2023,46(2):71-77.黄石市降水量年际变化分析及趋势预测 DOI:10.12677/jwrr.2023.124046 419 水资源研究 BI Pan,SHI Shuaishuai and LI Fanghong.Analysis of precipitation change characteristics in Yantai area of Shandong Province from 1956 to 2020.Journal of Hebei GEO University,2023,46(2):71-77.(in Chinese)3 中国人民共和国水利部.水文站网规划技术导则(SL34-2013)S.北京:中国水利水电出版社,2013.Ministry of Water Resources of the Peoples Republic.Technical 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