北京市降水量的时间变化分析（孙静,阮本清,张春玲）

摘要：在国家气象局提供的北京市近53 a 降水资料的基础上, 利用统计学的方法分析了降水系列的年际变化和年内分布特征、趋势成分分析以及自相关分析, 分析结果表明: 北京市多年平均降水量为603 mm ( 1951 — 2003 年) , 并以1.58 mm/ a 的速率在减少; 降水年内分布比较集中, 主要集中在6 — 8 月, 但这3 个月占全年的降水量的比例在逐渐减少; 由自相关分析得出北京市降水量系列是相对独立的系列, 相依性弱。

关键词：降水量 北京 统计分析

中图分类号P332.1 文献标识码B 文章编号1673- 4637( 2007) 01- 0020- 03

1 研究区概况

北京市地处海河流域, 属于资源性缺水城市。人均水资源占有量约285 m3, 只有全国人均水资源占有量的1 / 8, 世界人均水资源占有量的1 / 30, 在世界120 多个国家和地区的首都及主要城市中北京的人均水资源占有量居百位之后, 远远低于国际公认的人均1 000 m3 的下限, 而且人口、资源与环境之间的矛盾十分突出, 水污染状况相当严峻。

据《21 世纪初期首都水资源可持续利用规划》预测, 2008 年北京缺水10 亿m3 以上, 2010 年达到16.15 亿m3。水资源供需矛盾日益尖锐。为了缓解这个矛盾, 北京市的雨水利用、污水资源化等非传统水资源的开发利用走在了国内的前列。雨水利用不仅能涵养水源、缓解供排水压力, 而且能改善环境, 具有巨大的经济效益和社会效益。雨水利用工程的规划、设计必须因地制宜, 所以充分了解北京市的降水情况是雨水利用的前提和基础。

2 分析方法

在国家气象局提供的北京市1950 — 2003 年53 a逐月的降水资料的基础上, 运用统计学分析方法, 对北京市近50 a 来的降水资料进行了年际变化过程与年内变化特征的分析、气候倾向率与趋势系数分析及随机成分分析。

2.1 年际变化过程

北京市1951 — 2003 年的年平均降水量序列的特征值计算结果见表1。从表1 中可以看出, 北京市的降水量最大值为1 404.6 mm, 出现在1959 年; 最小值为261.4 mm, 出现在1965 年; 多年平均降水量603 mm;降水量的年际变化较大, 变差系数达到0.35。

图1 和图2 分别给出了北京市历年平均降水量和不同年代的降水量值。由图中可以看出, 北京市降水量随时间呈下降趋势; 其中最大降水量与最小降水量之差达到1 143 mm。从北京市各年代降水均值图中看出, 北京市20 世纪50 年代的降水量超过了多年平均值, 但60 年代以后降水量均低于多年平均值, 特别是进入21 世纪, 降水量只有多年平均值的61%～73%。值得一提的是, 1959 年和1999 年的降水量均低于300 mm, 属于特别干旱年。

2.2 年内分布特征

由于北京所处的地理位置和气候条件所致, 北京市降水的年内分布很不均匀。图3 给出了北京市1950 — 2003 年降水量多年月平均值。从图中可以看出, 北京市降水量年内极为不均, 降水主要集中在夏季( 6 — 8 月) , 约占全年降水量的74%, 季节性非常强。

图4 给出了北京市多年来6 — 8 月降水量占全年降水量的比例的变化情况, 可以看出, 6 — 8 月的降水量占全年降水量的比例呈下降趋势, 但下降速度越来越缓慢。由此可见, 北京市降水的年内分布越来越平均。

2.3 趋势成分分析

随着时间序列的增长, 对要素序列的各值平均而言, 或是增加或是减少, 形成序列在相当长时期里向上或向下的缓慢移动, 这种有一定规则的变化成为趋势[1]。序列的趋势变化可以用一次线性回归方程表示:

x=at+b ( 1)

式中: x 为年气候特征值的10 倍; t 为年; a 则为气候倾向率, 用于定量描述序列的趋势变化特征。

经过对北京市降水量1950 — 2003 年的系列值回归分析得到一次线性回归方程为:

x=- 15.8 t+5 963.2

由此得出, 北京市降水的气候倾向率为- 15.8, 说明降水量以每年1.58 mm 的速率缓慢下降。

2.4 随机成分分析

随机成分是水文序列中除去周期和非周期的确定成分之外的剩余成分, 是由不规则的震荡和随机影响造成的, 一般由相依和独立2 部分组成, 通常采用自相关分析的方法, 通过绘制自相关图来研究序列自身的线性相依性及其随滞时增加而变化的特性[2]。

自相关系数的数学表达式为:

在实用中用可统一的、较简单的式子估计rk 的容许限。常选显著性水平! 为5% ( 容许限水平为95%) ,则有:

根据序列的自相关和容许限值, 若要素序列的rk均在容许限内, 根据假设检验原理可接受该序列为独立这一假设, 即不存在相依性, 反之存在相依性。

根据上述方法, 得到了北京市多年降水的自相关图和显著性水平为5%条件下的容许限值, 绘制自相关图, 见图5。由图中可以看出, 北京市降水量在绝大多数滞时上的自相关系数在容许范围内, 说明系列的独立性强, 相依性很弱。

3 分析与讨论

笔者运用统计学的方法, 对北京市近50 a 来的降水资料进行年际变化过程与年内变化特征的分析、气候倾向率与趋势系数分析和随机成分分析, 得到如下分析结果:

(1) 从北京市降水量的年际变化来看, 多年平均降水量仅为603 mm, 年际变化比较大, 变差系数达到0.35, 年平均降水量总趋势以每年1.58 mm 的速度减少, 尤其在进入1999 年之后, 降水量不足多年平均降水量的75%, 连续5 a 遭遇干旱。

(2) 北京市降水量的年内变化来看, 受本身的地理位置和气候条件的影响, 降水量比较集中, 主要集中在6 — 8 月, 约占全年降水总量的74%, 但6 — 8月的降水量占全年降水量的比例呈下降趋势, 且下降速度在减慢。

(3) 通过绘制北京市降水量的自相关图得到降水量在绝大多数滞时上的自相关系数在容许范围内, 降水量系列呈现出较强的独立性, 相依性较弱。

从上面的分析可以看出, 北京市降水量呈减少趋势, 这直接影响到北京市的可用水资源量, 水资源供需日益紧张。城市化的发展不仅仅增加了水资源的需求, 而且导致了城市不透水面积的增加, 阻碍了雨水的下渗, 大部分的雨水白白地流走, 没有得到充分的利用, 地下水得不到充分的补给, 北京对雨水利用有着强烈的需求。通过修建雨水利用工程, 充分利用雨水资源, 不仅可以涵养地下水源, 减缓地下水位的下降, 促进水资源的良性循环, 而且还可以缓解城市水资源的供需矛盾, 缓解城市排水压力, 改善城市生态环境, 促进城市的和谐发展, 具有巨大的经济效益和社会效益, 符合2008 “绿色奥运”的主题。据统计,目前北京市市区已经投入的雨水利用示范工程85 个,汇水面积达到900 万m3, 年积水150 万m3, 有效地节约了传统水资源的使用量, 对北京市水资源的紧张状况起到了一定的缓解作用。在国家政策的扶持、技术的日益成熟以及居民的理解与支持下, 相信雨水利用具有十分广阔的前景。

参考文献

[1] 王文圣, 丁晶, 衡彤, 向红莲.水文序列周期成分和突变特征识别的小波分析方法[J].工程勘察, 2003, 22( 6) : 44 - 49.

[2] 丁晶, 刘权授.随机水文学[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1997, 17 - 19.

作者简介: 孙静( 1981 —) , 女, 在读硕士研究生。

来源：《北京水务》2007.1