西安市近50年降水時空變化特征分析

張高健，曹 梅，仇 娜，高 山

（1.西安市氣象局，陜西 西安 710016；2.陜西省氣象干部培訓學院，陜西 西安 710016）

西安作為國家中心城市和西北第一大城市，隨著城市規模的不斷擴大、常住人口的迅速增加，對西安的城市生態環境和區域性氣候產生了巨大影響，其中由于降水引發的城市內澇、潰壩漫堤等災害，不僅造成了較大的經濟損失，而且嚴重影響到人們的正常生活。2021年西安市主城區年降水量首次達到1000 mm（西安涇河國家基本觀測站年降水量），超過了1951年建站以來的最大值。國內關于降水量變化的研究文獻較多［1-5］,張允等［6-10］研究了西安降水量的變化情況。叢輝等［11］研究發現，大西安地區年均降水量呈下降趨勢，空間分布上呈現出從東南向西北逐漸減少的變化趨勢。李娜等［12］研究發現，近38年來西安地區年平均降水量呈下降趨勢。綜上所述，大部分研究使用的資料序列年代久遠，不能反映降水量的最新變化情況，且研究結果均說明西安降水量呈現減少趨勢，因此，采用最新降水資料，分析西安市的降水時空變化情況，發現并總結降水變化規律，以期為社會生產及氣象預報服務提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

西安市地處中國西北部，位于33°42′～34° 45′N，107°40′～109°49′E，地勢東南高西北低。西安市下轄11區2縣，11區包括主城區的未央、新城、蓮湖、碑林、雁塔、灞橋和遠郊區的閻良、臨潼、高陵、鄠邑、長安，2縣包括藍田縣、周至縣。西安市多年平均降水量在520.3～714.1 mm之間。

1.2 數據選取

選取西安市行政區內西安、高陵、臨潼、周至、鄠邑、長安、藍田這7個國家氣象站（圖1）1971～2020年共50年降水量資料（其中西安站因臺站搬遷及名稱發生變化，2014～2020年資料用西安涇河國家基本站資料代替），數據取自氣象大數據云平臺·天擎業務系統，數據完整正確。

圖1 西安市國家氣象站分布示意圖

1.3 主要研究方法

采用趨勢線法、滑動平均法、累計距平法、小波分析法［13］分析年際變化規律；采用R/S分析法［14］對變化趨勢的持續性進行分析；采用Mann-Kendall檢測法［11］、滑動t檢驗法［10］分析降水量序列突變情況；采用普通克里金差值法分析年降水量和趨勢變化在空間上的分布特征。在Mann-Kendall檢測法中，用傾斜度β表示序列變化趨勢的大小，計算方法為：

公式（1）中：1＜j＜i＜n，n為統計的年數；xi和xj分別為第i年和第j年降水量；median為取中位數函數。若β＞0時，序列呈增加趨勢，反之，序列呈減少趨勢。β值表示序列上升趨勢的程度。

2 結果與分析

2.1 降水量的年內分布特征分析

通過對西安市各氣象站月平均降水量進行統計分析可知（圖2a）：1971～2020年西安市降水量各月差異較大，5～10月西安汛期的降水量占全年降水量的80.5%，其中9月最多，占全年的17.5%，12月最少，僅占全年的0.9%；從季節分布上來看，夏季（6～8月）降水量最多，占全年的42.2%，冬季（當年12至下年2月）降水量最少，只占到全年的3.8%。從月變化趨勢情況來看，1～6月降水量逐步增加，7月顯著增長，8月出現小幅回落，9月達到峰值，10月快速下降，12月最小。通過計算7個氣象站點全年和汛期5～10月平均降水量可知（圖2b），各站點間年平均降水量差別較大，藍田站最大為714.1 mm，高陵站最小為520.3 mm；7個站點降水量年內分布同西安市整體情況一致，主要集中在汛期，占全年降水量的比例在79.6%～81.5%之間，其中周至站比例最高，占全年降水量的81.5%，長安站最低為79.6%。

圖2 西安市降水量年內分布特征

2.2 降水量的年際特征分析

2.2.1 年降水量變化趨勢分析 西安市1971～2020 年年均降水量為617.2 mm，降水量年際差異較大，最大值為1983年的989.1 mm，最小值為1995年的332.7 mm。由圖3a中線性回歸擬合公式可知，1971～2020年西安市降水量整體呈增加趨勢，增加傾向率為6.006 mm/10 a。由5年滑動平均線可以看出，西安市降水量呈“減少—增多—減少—增多”的波動增加趨勢，20世紀70年代降水量呈現減少趨勢，80年代降水量震蕩增加，90年代降水量明顯減少，21世紀初期降水量又開始呈現逐漸增多的趨勢。

西安市50年（1971～2020年）序列降水量累積距平年際變化過程如圖3b所示。當累積距平值持續減小時，說明該時段內降水量距平值持續為負，當累積距平值持續增大時，說明該時段內降水量距平值持續為正，因此，可以較直觀地確定降水量年際變化階段特征［15］。由累積距平曲線可以看出，西安市1971～2020年這50年來降水量序列大致可分為以下4個時段（持續期5年以上）：1975～1980年、1993～2002年為2個顯著的少雨時段；1981～1992年、2003～2020年為2個顯著的多雨時段。

圖3 1971～2020年西安市降水量年際變化趨勢分析

2.2.2 持續性分析 為探索西安市降水量未來的變化趨勢，首先計算了西安市7個站點及全市平均1971～2020年降水量序列的Mann-Kendall傾斜度β，再利用R/S分析法計算出相應的Hurst指數（表1）。由表1可知，西安市近50年來降水序列的趨勢系數β為7.18 mm/10 a，降水量呈現增多趨勢，與線性趨勢計算結果6.006 mm/10 a相近，因此，西安近50年來降水增加傾向率約為6.5 mm/10 a。其中西安站、高陵站、藍田站呈現減少趨勢，臨潼站、鄠邑站、周至站、長安站呈現增加趨勢。西安市近50年來降水序列的Hurst指數＜0.5，說明西安市年降水量序列未來的變化趨勢將發生與現在相反的變化趨勢，目前是增加趨勢，未來一段時間西安市年降水量整體上將呈現減少的變化趨勢。各站點的Hurst指數不盡相同，其中西安、高陵、臨潼、長安、藍田站的Hurst指數＜0.5，降水量未來的變化趨勢將與現在的變化趨勢相反，即西安、高陵、藍田站目前是減少趨勢，未來將呈現增加趨勢，臨潼、長安站現在是增加趨勢，未來將呈現減少趨勢；鄠邑、周至站的Hurst指數＞0.5，降水量將延續現在的變化趨勢，2個站點現在是增加趨勢，未來還將繼續保持增加的趨勢。由計算結果也可以發現，不管是西安市還是7個站點的Hurst指數均接近于0.5，因此，上述分析的未來變化趨勢并不明顯，未來可能發生隨機變化。

表1 1971～2020年西安市降水量傾斜度β及Hurst指數

2.2.3 年降水突變分析 突變檢驗的方法較多，主要有Mann-Kendall檢驗法、滑動t檢驗法、Yamamoto檢驗法、Pettitt檢驗法、SNHT檢驗法等，各檢驗法優缺點不同，選取檢驗方法不同，可能會出現不同的檢驗結果，本文選取比較常用的Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法進行綜合判斷，盡可能使判斷結果有較高的準確性。Mann-Kendall檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，既可以檢測序列的變化趨勢，也可以進行突變點檢測，缺點是對于存在多個或多種尺度突變的序列不宜適用?；瑒觮檢驗法是通過考察2組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變，其缺點是在子序列的選擇上具有人為性，因此，在使用過程中應采用多組不同長度子序列進行比較分析，以提高計算結果的可靠性。圖4a中，由Mann-Kendall檢驗法中UFk曲線的變化趨勢可以看出，西安市降水量整體呈震蕩增加趨勢，20世紀70年代震蕩減少，80年代波動增加，90年代明顯減少，進入21世紀后，降水量呈現緩慢增加的趨勢，與滑動平均分析的變化趨勢一致。UFk和UBk曲 線 在1973、1976、1983、1985、2011、2014、2015、2017年有多個交點，說明近50年來西安市年降水量發生了突變，但是突變點不易判別，利用滑動t檢驗進行進一步驗證，多次比較后選擇子序列長度n=10，由圖4b可看出，t統計量分別在1992和2002年超過顯著性水平臨界線，結合圖3b累積距平分析結果，綜合分析判定西安市年降水量主要有1992年的由多到少和2002年由少到多這2個突變變化。

圖4 1971～2020年西安市年降水量Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗

2.2.4 降水量周期分析 采用小波分析法進行周期分析可以看出（圖5a），西安市1971～2020年降水量小波方差有3個明顯的峰值，在時間尺度上從大到小分別對應25、4和8年，說明在25年周期震蕩最強，是降水量變化的第1主振蕩周期，4、8年的時間尺度分別對應第2、3主振蕩周期，這3個周期的波動變化控制著西安市降水量在研究時間域內的變化特征。由圖5b可知，在25年的時間尺度上，西安市年降水量存在“少—多—少—多”的循環變化規律，下一個偏少周期即將來臨，目前降水量處于由偏多到偏少的轉折期。在8和4年的時間尺度上，同樣存在“少—多—少—多”的循環變化規律，在8年的時間尺度上，目前處于多雨期，在4年時間尺度上，目前處于由少雨期到多雨期的轉折期。由此可以判斷，未來2～4年西安市降水量呈增加趨勢，而長期來看，在10年左右的時間尺度上整體呈減少趨勢，與R/S分析結果一致。

圖5 1971～2020年西安市年降水量小波分析

2.3 降水量的空間特征分析

根據西安市7個氣象站1971～2020年的年均降水量及傾斜度β，利用Surfer 15進行普通克里金插值，繪制出西安市年降水量變化空間分布圖和降水量變化趨勢的空間差異圖。

2.3.1 年降水量分布空間差異性 西安市年降水量變化空間分布情況如圖6所示，西安市降水空間分布上表現為由東南向西北遞減的分布特征，主要受到季風和地形的影響［16］，與西安市東南高、西北低的地勢密切相關［17］。年降水量的空間分布差異明顯，藍田縣南部為降水量最大區域，超過700 mm，高陵、臨潼、閻良區西北部一帶最小，僅520 mm左右，2個區域降水量的差值約200 mm。

圖6 西安市降水量空間分布

2.3.2 年降水量變化趨勢空間差異性 西安降水量變化趨勢空間差異情況如圖7所示，西安市大部分區域的降水量為增加趨勢，增加幅度最大區域為長安區西南部，超過了20 mm/10 a；藍田縣大部分區域及閻良、高陵、西安城區北部、臨潼東部和北部為減少區域，降幅最大中心區域在藍田中東部，超過9 mm/10 a。

圖7 西安市降水量變化趨勢空間差異

3 結論

（1）西安市年內降水分布不均勻，主要集中在5～10月（西安汛期），占到全年降水量的80.5%，7月顯著增長，8月出現小幅回落，9月達到峰值，占全年降水量的15%以上，10月快速下降，12月最小。降水量主要集中在夏季（6～8月）及9月份，易發生強對流及連陰雨天氣，造成城市內澇及局部地區的水災，故除了做好夏季預報服務工作外，對降水比較集中的9月也需特別關注。

（2）西安市1971～2020年降水量呈現“減少—增加—減少—增加”的波動增加趨勢，增加率約為6.5 mm/10 a；西安市降水突變主要發生在1992和2002年；西安市降水在時間序列上存在周期性，25年時間尺度為第1主振蕩周期，其次是4和8年時間尺度，分別為第2、3主振蕩周期，短期2～4年處于降水量偏多期，未來10年左右整體將呈現偏少的變化趨勢。

（3）西安市降水量在空間分布上整體呈現出由東南向西北遞減的趨勢，空間差異顯著，降水量最大的中心區域為藍田南部區域，降水量最小區域為高陵、臨潼、閻良西北部一帶，2個區域的降水量差值近200 mm。變化趨勢上，西安市大部分區域的降水量有所增加，長安區西南部的增幅最大，超過20 mm/10 a；藍田縣大部分區域及閻良、高陵、西安城區北部、臨潼東部和北部為減少區域，藍田縣中東部減少幅度最大，超過9 mm/10 a。