第二节 降水量特征分析
一、降水量预测
大气降水是地表水、土壤水、地下水的补给水源。根据年鉴中佳木斯、鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河的1994—2011年同期系列分析计算，预测了2012—2014年五个区市的年降水量，并得到全区多年平均年降水总量为597．9亿m3，平均年降水深565．65mm，年降水量的年际变差系数Cv为0．194，各分区的年降水量见表2-1。
表2-1 1994—2014年五区市年降水量 单位：mm
二、年际规律
降水数据为三江平原1952—2012年佳木斯、鸡西、鹤岗、七台河和双鸭山的逐年降水数据。
（一）降水量序列变化的时间分析
1．趋势性分析
年际变化上，近60年来三江平原五个主要行政区，佳木斯、鸡西、七台河年降水量均呈下降趋势，年际倾向率分别为-9．281mm/10a、-11．201mm/10a和-13．834mm/ 10a；鹤岗、双鸭山年降水量均呈微弱上升趋势，年际倾向率分别为3．162mm/10a、1．461mm/10a。而整个三江平原年总降水量呈微弱下降趋势，年际倾向率分别为-5．583mm/10a。为消除周期变化对数据进行5年滑动平均处理，结果表明近60年来降水量并没有明显的上升或下降趋势，而是呈波动状态，具体见图2-1。
图2-1 年降水量总体变化特征
2．突变性分析
水文时间序列的突变点往往包含丰富的突变信息，它反映了引起突变的气候原因、人类活动的影响等，但趋势性分析只能发现时间序列的整个变化趋势，无法具体反映序列内部的变化特征，因此采用M-K方法深入分析降水量时间序列内部的突变特征，M-K突变检验分析结果见图2-2（图中虚线表示α＝95%的显著性水平的临界值）。根据图2-2分析可知：
图2-2 年降水量M-K突变检验分析结果
佳木斯市UF和UB两条曲线有1983年和1993年两个交点，即在1983年和1993年发生突变，表现为佳木斯市年降水量1983年后呈上升的趋势，但在1993年后呈明显下降趋势；鸡西市UF和UB两条曲线存在两个交点，分别为1974年和1994年，且两交点均在临界线之间，则交点所对应的时间便是鸡西市年降水量突变开始的时间。由UF曲线得出，鸡西市年降水量从1974年和1994年开始均有明显的下降趋势；七台河市年降水量变化趋势非常明显，其UF-UB曲线在1972年、1979年、1988年和1993年均有交点。其中，七台河市年降水量1972年、1988年和1993年发生突变后，呈下降的趋势，而1979年表现为增加的趋势；鹤岗市UF和UB两条曲线无交点，即没有突变点。而UF曲线可知，鹤岗市年降水量变化趋势分三个阶段：①1961—1979年出现明显的下降趋势；②1979—1997年存在明显的上升趋势；③从1997年开始又出现下降的趋势。双鸭山市UF和UB两条曲线没有交点，但UF曲线变化趋势明显，表现为1959年出现最大值后，UF曲线出现持续的下降趋势，但在1972年出现上升的趋势，之后呈下降趋势。
三江平原年总降水量UF-UB曲线没有交点。但由UF曲线可知，1955年年降水量存在下降的趋势，并且从20世纪60年代初到70年代末下降趋势明显，而从1979年开始呈现上升的趋势，直到1997年又呈现下降的趋势。
3．周期性分析
运用小波分析对1952—2012年三江平原年降水量数据进行分析，得到小波变换系数实部时频分布图，见图2-3。从图2-3可以看出，近60年来三江平原五个主要行政区及整个三江平原包含了不同尺度的周期变化。为进一步分析其周期性，图2-4给出了三江平原五个主要行政区及三江平原Morlet小波方差分布。综合分析图2-3和图2-4可知：28年、22年、15年和6年左右尺度波动较为明显，存在降水量偏多偏少循环交替变化，在2010年后以上3种尺度的小波正在形成，小波系数为正，因此预测未来降水量在这4种尺度上均呈偏多趋势，见表2-2。
图2-3（一） 小波变换系数实部时频分布
图2-3（二） 小波变换系数实部时频分布
图2-4（一） Morlet小波方差分布
图2-4（二） Morlet小波方差分布
表2-2 各区域年降水量时间序列主周期变化 单位：年
（二）降水量序列变化的空间分析
依据三江平原降水量时间变化趋势，选取三江平原五个主要行政区1952—1954年、1955—1978年、1979—1996年和1997—2012年多年平均降水量见表2-3，运用时态GIS作降水量空间分布图，见图2-5。从图2-5中可知，在三江平原相邻有变化趋势时间节点之间的时期内，三江平原降水量空间分布变化趋势表现出明显的差异性，其中，1952—1954年多年平均降水量由于时段较短空间变异不明显。具体表现为，1952—1954年从北到南呈现中间多两端少变化趋势，而1955—1978年从北到南呈现两端多中间少变化趋势，1979—1996年呈现北多南少，东多西少变化趋势，1997—2012年亦呈现北多南少，东多西少变化趋势。而各时期五个主要行政区及三江平原多年平均降水量均呈现中间多两端少变化趋势。
表2-3 各时段多年平均降水量 单位：mm
图2-5 降水量序列变化的空间分析（单位：mm）
三、年内规律
（一）降水量序列变化的时间分析
1．趋势性分析
年际变化上，近60年来三江平原春季、冬季降水量均呈上升趋势，年际倾向率分别为17．600mm/10a、10．803mm/10a；夏季、秋季降水量均呈下降趋势，年际倾向率分别为-29．836mm/10a、-18．237mm/10a。为消除周期变化对数据进行5年滑动平均处理，结果表明1991—2012年降水量并没有明显的上升或下降趋势，而是呈波动状态。具体见图2-6。
图2-6 季降水量总体变化特征
2．突变性分析
水文时间序列的突变点往往包含丰富的突变信息，它反映了引起突变的气候原因、人类活动的影响等，但趋势性分析只能发现时间序列的整个变化趋势，无法具体反映序列内部的变化特征，因此采用M-K方法深入分析降水量时间序列内部的突变特征，M-K突变检验分析结果见图2-7（图中虚线表示α＝95%的显著性水平的临界值）。
图2-7（一） 季降水量M-K突变分析结果
图2-7（二） 季降水量M-K突变分析结果
春季UF-UB两条曲线有1997年和1999年两个交点且交点在临界线之间，表示为春季降水量在1997年、1999年后呈明显上升趋势；夏季UF-UB两条曲线有1993年和1997年两个交点且交点在临界线之间，表示为夏季降水量在1993年、1997年后呈明显下降趋势；秋季UF-UB曲线有1996年和1998年两个交点且交点在临界线之间，表示为秋季降水量在1996年、1998年后呈明显下降趋势；冬季UF-UB两条曲线有1991年、1993年和1994年3个交点且交点在临界线之间，表示为冬季降水量在1991年、1993年和1994年后呈明显上升趋势。
3．周期性分析
运用小波分析对三江平原四季降水量数据进行分析，得到小波变换系数实部时频分布图，见图2-8。从图2-8可以看出，三江平原季降水量包含了不同尺度的周期变化。为进一步分析其周期性，图2-9给出了三江平原季降水量Morlet小波方差分布。综合分析图2-8和图2-9可知：14年、11年、8年和2年左右尺度波动较为明显，存在降水量偏多偏少循环交替变化的现象，具体见表2-4。
图2-8（一） 小波变换系数实部时频分布
图2-8（二） 小波变换系数实部时频分布
图2-9 Morlet小波方差分布
表2-4 季降水量时间序列主周期变化 单位：年
（二）降水量序列变化的空间分析
由于降水量受地理位置、地形条件和大气环流等因素的影响，因此本书采用ArcGIS中的协同克里格插值法，分别建立降水量空间变异的球形（Sphefical）、指数（Exponential）和高斯（Gaussian）模型，通过各拟合参数的比较和Cross-Validation交叉验证，选择适宜的模型对季降水量进行空间插值，见表2-5。以三江平原季降水量为研究对象，采用各模型对降水量进行拟合时，各检验参数见表2-5。模型最优评判准则：平均误差最小，平均预测标准差最接近均方根，平均标准差最接近0，标准均方差预测误差最接近1。
表2-5 不同模型交叉验证
由于球形模型拟合降水量精度较高，因此采用球形模型对三江平原降水量空间分布进行模拟。将降水数据经过趋势剔除后，利用球形模型对三江平原四季降水量进行空间插值，插值结果见图2-10 。
图2-10 季降水量序列变化的空间分析（单位：mm）