四川省強(qiáng)降水分布及變化特征研究

次旺頓珠 白瑪多吉 羅桑丹增

摘要 利用1980—2012年四川省36個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、一元線性回歸、M-K突變檢驗(yàn)、EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法，研究了四川省強(qiáng)降水分布以及時(shí)間演變規(guī)律。結(jié)果表明：四川省總體年平均降水量為1 039.6 mm，且年降水量總體呈遞減趨勢，每10年減少22.9 mm左右;中部地區(qū)年平均降水量相對較多，東部地區(qū)年平均降水量其次，西部地區(qū)年平均降水量相對較少。四川省降水量季節(jié)變化春季呈上升趨勢，夏季、秋季和冬季呈現(xiàn)下降趨勢。四川省大雨日數(shù)呈下降趨勢，大約每10年大雨日數(shù)隨時(shí)間會減少4.0 d。暴雨日數(shù)也呈下降趨勢，大約每10年暴雨日數(shù)隨時(shí)間會減少1.5 d。中部地區(qū)大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)均較多，東部地區(qū)其次，西部地區(qū)相對較少。1992年為四川省年降水量開始突變年;降水序列在年際演變過程中，存在2～3年小尺度、5～10年中尺度、20年左右大尺度這3類時(shí)間尺度變化規(guī)律。根據(jù)趨勢項(xiàng)得出四川省年降水量呈遞減趨勢。

關(guān)鍵詞 降水分布;變化特征;一元線性回歸;氣候傾向率;M-K突變檢驗(yàn);EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;四川省

中圖分類號 S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0224-07

Autonomous Region，Bangor，Tibet 852500;3.Tibet Autonomous Region Atmospheric Detection Technology and Equipment Support Center，Lhasa，Tivet 850001）

Abstract Using the daily precipitation data of 36 stations in Sichuan Province from 1980 to 2012，the mathematical statistics，linear regression，MK mutation test，EEMD empirical mode decomposition were used to study the distribution and time evolution of strong precipitation in Sichuan Province.The results showed that the overall average annual precipitation was 1 039.6 mm in Sichuan Province，and the mean annual precipitation showed a decreasing trend，every 10 years reduced about 22.9 mm.The annual precipitation in central area of relatively large，the eastern area rainfall secondly，western region the average annual precipitation was less.Based on the variation of seasonal precipitation of Sichuan Province，the spring was on the rise，summer，autumn and winter showed a downward trend.Heavy rain days showed a decreasing trend，approximately every 10 years the number of heavy rain days time would be reduced by 4 days.Rainstorm day number also declined，approximately every 10 years the number of heavy rain days time would be reduced by 1.5 days.The central area of heavy rain days，rainstorm days were more，the eastern region secondly and western region was less.The results of MK test show that，Sichuan Province in 1992 for the annual precipitation to the mutation years.Based on the annual precipitation was EEMD empirical mode decomposition obtains，precipitation sequence in the interannual evolution，variation of these 3 time scales are small scale，2-3 years 5-10 years，20 years or so large scale.

Key words Precipitation distribution;Variation characteristics;Linear regression;Climate tendency rate;M-K mutation test;EEMD empirical mode decomposition;Sichuan Province

近年來，氣候變化形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，從20世紀(jì)70年代初，全球氣候就開始發(fā)生顯著變化，降水特征在一定程度上也發(fā)生了變化，氣候的嚴(yán)峻變化形勢已引起各個(gè)國家和人民的極大關(guān)注[1-5]。

目前，越來越多的學(xué)者開始研究氣候變化問題。周長艷等[6]對四川近50年降水氣候特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明年平均暴雨日數(shù)從西到東呈“增—減—增”的變化趨勢。孫銀鳳等[7]指出，南京市年降水序列存在2、6～7、14～15和20年的4類準(zhǔn)變化周期，且降水量在20世紀(jì)70年代較少，而后降水量開始增多。尹承美等[8]分析了濟(jì)南市降水年際、月、時(shí)以及強(qiáng)度變化特征。王燕等[9]指出，甘肅省降水自西北向東南呈增加趨勢，夏季降水量較多，降水量的年際變化不顯著。李玲萍等[10]認(rèn)為，石羊河流域降水呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，夏季降水較多，冬季降水最少，且降水分布不均。馬京津等[11]研究表明，華北地區(qū)春季和夏季降水量年代際變化有一定的差別。郝立生等[12]從華北地區(qū)降水年代際變化特征出發(fā)，研究海溫、東亞夏季風(fēng)、積雪等因素變化對夏季降水量的影響機(jī)制。安文芝等[13]研究表明，西北地區(qū)降水呈現(xiàn)從東南和西北兩側(cè)向中部減少的分布特征，東部地區(qū)降水呈逐年遞減趨勢，西部則呈增多趨勢。還有很多學(xué)者對我國近幾十年來降水氣候特征作了一系列研究得出，我國降水分布不均勻，西部、東南部以及東北地區(qū)降水較為集中，華北地區(qū)降水較少;東部地區(qū)夏季降水量呈逐年遞增趨勢，秋季和冬季降水逐年減少，西部地區(qū)冬季降水逐年增加[14-17]。

New等[18]研究表明，全球降水量除了南極以外各個(gè)區(qū)域年降水量均呈遞增趨勢。Taschetto等[19]研究發(fā)現(xiàn)，澳大利亞年降水量東西部差異較為顯著，西部年降水量呈遞增趨勢，而東部年降水量呈遞減趨勢。

四川省處于中國西南腹地，區(qū)域氣候表現(xiàn)差異較大，氣候?yàn)?zāi)害較多，主要有干旱、暴雨、洪澇等。因此，研究四川省降水變化規(guī)律對防范各類氣象災(zāi)害有重大意義。筆者將利用四川省36個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，采用一元線性回歸、滑動平均、M-K突變檢驗(yàn)、EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法，研究四川省降水演變規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 資料

利用1980—2012年四川省對36個(gè)基準(zhǔn)地面氣象觀測站實(shí)測逐日降水資料，分別計(jì)算上述每個(gè)站點(diǎn)年、月降水量平均值，用來代表四川省總體年、月降水量變化情況。季節(jié)范圍劃分如下：春季為3～5 月，夏季為6～8月， 秋季為9～11月，冬季為12月～次年2月。把日降水量超過50 mm的降水事件稱為暴雨[20]，日降水量超過25 mm的降水事件稱為大雨。

1.2 方法

1.2.1 一元線性回歸。

采用氣象傾向率反映降水量的變化趨勢，以此反映降水活動變化情況。氣候傾向率即用最小二乘法擬合線性趨勢變化：y=a+bx。式中，b為氣候傾向率，y表示降水量（mm），x表示降水量對應(yīng)的時(shí)間，a為常數(shù)。當(dāng)b>0時(shí)，表示降水量隨時(shí)間年限的增加呈上升趨勢;當(dāng)b<0時(shí)，表示降水量隨時(shí)間年限的增加呈下降趨勢。b值的大小反映了降水量上升或下降的速率[21]。

筆者使用滑動平均對近33年四川省降水量進(jìn)行趨勢擬合，用來確定降水量變化趨勢。樣本量為n的降水量序列x其滑動平均序列表示為：

1.2.2 M-K突變檢驗(yàn)。

取顯著性水平a=0.05，則臨界值曲線為U0.05=±1.96。對年降水量時(shí)間序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，即將UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線、UB年降水逆序統(tǒng)計(jì)曲線以及臨界線繪制于同一幅圖中。如果UF順序統(tǒng)計(jì)曲線大于0，則表明降水量呈遞增趨勢;相反，呈遞減趨勢。若UF順序統(tǒng)計(jì)曲線超出0.05臨界線水平，則表明降水遞增或遞減的趨勢非常顯著。當(dāng)UF順序統(tǒng)計(jì)曲線與UB逆序統(tǒng)計(jì)曲線交點(diǎn)處于0.05臨界線水平之內(nèi)，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間[22]。

1.2.3 EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解。

Wu等[23]首先提出EEMD分解方法。EEMD是一種新的噪聲輔助數(shù)據(jù)分析方法，該分解方法彌補(bǔ)了原始EMD方法的不足。算法具體步驟如下：①對原始降水資料疊加強(qiáng)度很低的白噪聲;

②對所疊加噪聲的降水資料進(jìn)行EMD分解，得到IMF分量;

③每次疊加不同強(qiáng)度的白噪聲，并重復(fù)①、②N次;④將疊加N次經(jīng)EMD分解得到的IMF分量求和，并取其平均值，用來代表最后的IMF分量。公式如下：

式中，cj（t）表示對原始降水資料經(jīng)過EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后得到的第j個(gè)IMF分量。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川省降水時(shí)間變化特征

2.1.1 降水量年際變化特征。四川省總體年平均降水量為1 039.6 mm，最大年降水量為1 180.2 mm（出現(xiàn)于1998年），最小年降水量為878.1 mm（出現(xiàn)于2006年）。四川省各個(gè)縣市年平均降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表1可以看出，年平均降水量最多的是峨眉山地區(qū)，為1 664.3 mm;其次是雅安地區(qū)，為1 652.4 mm。四川省中部地區(qū)年降水量相對較多，東部地區(qū)年降水量其次，西部地區(qū)年平均降水量相對較少。

圖1為四川省近33年來年降水量及距平變化趨勢。圖1a中虛星線為年降水量實(shí)測值，實(shí)線為一元線性回歸值，一元回歸趨勢線擬合效果通過了0.05的顯著水平，說明擬合效果較好。近33年來四川省年降水量波動幅度較大，總體呈遞減趨勢，其氣候傾向率為-22.9 mm/10 a，表示年降水量每10年減少22.9 mm左右。圖1b為四川省近33年的年降水量距平以及滑動平均演變，柱狀圖為年降水量實(shí)測距平，虛線為5年滑動平均曲線，直線為一元線性回歸擬合值。由圖1可見，從5年滑動平均曲線可以看出，1993年是四川省年降水量的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1980—1993年曲線值均大于0，說明在此期間年降水量較多;1993—2012年，曲線值以小于0為主，表明在此期間四川省年降水量較少。1980—1985年年降水量變化處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，距平值以正數(shù)為主（僅1983年距平值為負(fù)），高于平均值水平，表明在此期間四川省年降水量較多。1987—1991年年降水量變化也處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，距平值均為正數(shù)，說明在此期間四川省年降水量也較多。

從四川省36個(gè)站點(diǎn)年降水量氣候傾向率（表2）可以看出，色達(dá)、馬爾康、稻城、康定、西昌這5個(gè)地區(qū)氣候傾向率大于0，表明每10年降水量總體呈遞增趨勢;其余站點(diǎn)年降水量氣候傾向率均小于0。其中，峨眉山地區(qū)年降水量遞減幅度最大，氣候傾向率為-88.9 mm/10 a，表明峨眉山地區(qū)年降水量每10年減少88.9 mm;其次是宜賓地區(qū)，年降水量每10年減少65.9 mm。

2.1.2 降水量季節(jié)變化特征。

以四川省1980—2012年的四季降水量距平為變量，以年份為自變量，依次對各個(gè)序列做趨勢，結(jié)果見圖2。圖2中柱形為季節(jié)降水量實(shí)測距平值，實(shí)線為5 a滑動平均值，虛線為一元回歸方程擬合值，擬合值均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。4個(gè)季節(jié)中春季降水量呈上升趨勢，夏季、秋季和冬季呈現(xiàn)下降趨勢。其中，夏季降水量下降趨勢最為顯著，冬季降水量下降趨勢最弱。

由圖1a可見，1980—1995年春季降水量以負(fù)距平為主，表明在此段時(shí)間內(nèi)四川省境內(nèi)降水量較低，且低于平均降水量。1995—2012年春季降水量以正距平為主，表明在此期間四川省境內(nèi)降水量較高。降水量氣候傾向率為3.804 mm/10 a，表示春季降水量每10 a約上升3.8 mm。從5年滑動平均看，四川省1980—1995年降水量呈波動變化，沒有明顯趨勢，1987年、1994年前后降水量趨勢達(dá)到谷值，1983年、1990年前后降水量趨勢達(dá)到峰值，1995年后降水量呈現(xiàn)上升趨勢，一直到2006年上升趨勢消失，之后降水量呈下降趨勢。

由圖2b可見，夏季降水量在1980—1990年以正距平為主，說明在此段時(shí)間內(nèi)四川省境內(nèi)降水量較大，大于平均降水量。1990—2012年夏季降水量以負(fù)距平為主，說明此期間四川省境內(nèi)降水量較低。降水量氣候傾向率為-18 mm/10 a，表示夏季降水量每10年下降18 mm。從5年滑動平均看，四川省1980—1995年降水量一直呈下降趨勢，在1995年下降趨勢達(dá)到谷值，1995—2000年降水量呈上升趨勢，并于2000年達(dá)到最大值，2000—2005年降水量呈下降趨勢，2005年后降水量出現(xiàn)上升趨勢。

由圖2c可見，秋季降水量在1980—1995年以正距平為主，說明在此段時(shí)間內(nèi)四川省境內(nèi)降水量較大，大于平均降水量。1990—2012年秋季降水量以負(fù)距平為主，說明此期間四川省境內(nèi)降水量較低。降水量氣候傾向率為-8 mm/10 a，表示秋季降水量每10年下降8 mm。從5年滑動平均看，1980—1988年，降水量趨勢呈現(xiàn)先下降后上升、再上升的趨勢，其中1986年降水量達(dá)到最小值，1984年、1988年達(dá)到最大值;而1988—1997年降水量一直呈下降趨勢，在1997年達(dá)到谷值，1997—2002年降水量呈上升趨勢，2002年后呈下降趨勢，并在2008年結(jié)束。

由圖2d可見，冬季降水量在1980—1988年和1997—2003年以負(fù)距平為主，說明在此段時(shí)間內(nèi)四川省境內(nèi)降水量較小，1988—1997年和2003—2012年，冬季降水量以正距平為主，說明此期間四川省境內(nèi)降水量較大。降水量氣候傾向率為-0.5 mm/10 a，表示冬季降水量每10年下降0.5 mm，降水量下降趨勢不明顯。從5年滑動平均看，1980—1995年，降水量整體呈上升趨勢，其中在1985年前后出現(xiàn)短暫的下降趨勢;1995—2001年四川省境內(nèi)降水量呈下降趨勢，并在2001年達(dá)最小值;2001—2007年降水量呈上升趨勢，2007年后呈下降趨勢。

2.1.3 大雨日數(shù)變化特征。

根據(jù)全國一般定義，將25 mm≤日降水量≤50 mm的降水事件稱為大雨。筆者以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以對應(yīng)年份中出現(xiàn)大雨的日數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制四川省大雨日數(shù)變化圖（圖3），圖中星直線為逐年統(tǒng)計(jì)值，實(shí)線表示大雨日數(shù)的趨勢變化，虛線表示大雨日數(shù)的擬合趨勢。

圖3表明，四川省大雨日數(shù)呈下降趨勢，下降率為4 d/10 a，大約每10年大雨日數(shù)減少4 d。四川省1980—1995年大雨日數(shù)呈下降趨勢，在1995年達(dá)到最小值;1995—2000年大雨日數(shù)呈上升趨勢，并在2000年達(dá)到最大值;2000—2012年從四川省各地區(qū)大雨日數(shù)下降率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）可以看出，峨眉山和雅安地區(qū)大雨日數(shù)下降率分別為9.94、9.30 d/10 a。四川省中部地區(qū)大雨日數(shù)下降率較高，東部地區(qū)其次，西部地區(qū)大雨日數(shù)下降率相對較低。

2.1.4 暴雨日數(shù)變化特征。

根據(jù)日降水量超過50 mm的降水事件為暴雨的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以對應(yīng)年份出現(xiàn)暴雨的日數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制四川省暴雨日數(shù)變化趨勢圖（圖4）。圖4中星直線為逐年統(tǒng)計(jì)值，實(shí)線表示暴雨日數(shù)的趨勢變化，虛線表示暴雨日數(shù)的擬合趨勢。

由圖4可知，四川省暴雨日數(shù)呈下降趨勢，下降率為1.5 d/10 a，大約每10年暴雨日數(shù)隨時(shí)間會減少1.5 d。四川省1980—1995年暴雨日數(shù)呈下降趨勢，在1995年達(dá)到最小值，1995—2012年四川省暴雨日數(shù)呈上升趨勢。1980—2012年四川省暴雨日數(shù)每年平均有66 d，最多為90 d，最少為47 d。

從四川省各地區(qū)暴雨日數(shù)下降率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表4）可以看出，峨眉山和雅安地區(qū)暴雨日數(shù)下降率分別為5.55、6.42 d/10 a。四川省中部地區(qū)暴雨日數(shù)下降率較高，東部地區(qū)其次，西部地區(qū)暴雨日數(shù)下降率相對較低，幾乎不會出現(xiàn)暴雨情況。

2.2 四川省降水M-K突變檢驗(yàn)

氣候突變是指從一個(gè)平均值狀態(tài)到另一個(gè)平均值狀態(tài)的急劇變化過程。M-K突變檢驗(yàn)具有樣本不需要遵循一定的分布、也不受少數(shù)異常點(diǎn)干擾等優(yōu)點(diǎn)。為了研究四川省年降水量突變情況，筆者用36個(gè)站逐年降水平均值來代表四川省年降水情況，對逐年降水資料進(jìn)行M-K非參數(shù)檢驗(yàn)。

從圖5a四川省全省年降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，從1992年開始UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線小于0，表明從1992年開始四川省年降水量開始呈遞減趨勢;從2006年開始UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線開始超出0.05顯著性水平線，說明從2006年開始四川省年降水量呈顯著性減少趨勢;UF順序曲線和UB逆序曲線交點(diǎn)約為1992年，且交點(diǎn)處于0.05顯著性水平之內(nèi)，說明交點(diǎn)能夠通過顯著性檢驗(yàn)。因此可以得出，1992年為四川省年降水量開始突變年。

分別選取甘孜、峨眉山、巴中這3個(gè)地區(qū)的年降水量來研究四川省西部、中部、東部降水突變年情況。從圖5b甘孜年降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，1980—1989年UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線小于0，表明在此期間甘孜年降水量呈遞減趨勢;1990—2006年UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線大于0，表明在此期間甘孜年降水量呈遞增趨勢;UF順序曲線和UB逆序曲線交于點(diǎn)1997年、2005年，且2個(gè)交點(diǎn)均處于0.05顯著性水平之內(nèi)，說明交點(diǎn)能夠通過顯著性檢驗(yàn)。因此，可以得出1997年、2005年為甘孜年降水量開始突變年。

從圖5c峨眉山年降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，從1992年開始UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線小于0，表明從1992年開始峨眉山年降水量開始呈遞減趨勢;UF順序曲線和UB逆序曲線交于點(diǎn)1991年，且交點(diǎn)均處于0.05顯著性水平之內(nèi)，說明交點(diǎn)能夠通過顯著性檢驗(yàn)。因此，可以得出1991年為峨眉山年降水量開始突變年。從圖5d巴中年降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，從1984年開始UF年降水順序統(tǒng)計(jì)曲線小于0，表明從1984年開始巴中年降水量開始呈遞減趨勢;UF順序曲線和UB逆序曲線交于點(diǎn)1984年左右，且交點(diǎn)均處于0.05顯著性水平之內(nèi)，說明交點(diǎn)能夠通過顯著性檢驗(yàn)。因此，可以得出1984年為巴中年降水量開始突變年。

2.3 四川省降水EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

使用EEMD方法，四川省1980—2012年逐年降水資料序列能夠分解成4個(gè)固有模態(tài)IMF分量和一個(gè)趨勢項(xiàng)分量r，表明四川省近33年來年降水量具有多個(gè)時(shí)間尺度特征。由圖6可見，固有模態(tài)第1個(gè)IMF1分量波動幅度最大。其中，20世紀(jì)80年代初期至90年代中期波動幅度相對較小，90年代中期至21世紀(jì)00年代中期波動幅度相對較大，而后波動幅度又變小，但整體表現(xiàn)出2～3年的準(zhǔn)波動周期。第2個(gè)IMF2分量波動幅度相對于IMF1分量較小，但波動較長，且在20世紀(jì)90年代初期至90年代末期波動幅度較大，其余時(shí)間內(nèi)波動幅度均較小，整體表現(xiàn)出5～10年的準(zhǔn)波動周期。第3個(gè)IMF3分量波動幅度相對于IMF2較小，整個(gè)波動階段也存在5～10年的準(zhǔn)周期，波動幅度在整個(gè)21世紀(jì)00年代相對較大，其余年代波動幅度較小。第4個(gè)IMF4分量波動幅度相對于其他3個(gè)IMF分量均較小，但波動最長，整個(gè)波動階段存在20年左右的準(zhǔn)周期。由圖6i可以看出，趨勢項(xiàng)r在時(shí)間尺度上呈遞減趨勢，表明年降水量呈逐年遞減趨勢。這一結(jié)論與一元線性回歸方程值所求得降水氣候傾向率小于0的結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

利用1980—2012年四川省36個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，采用一元線性回歸、M-K突變、EEMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法，研究了四川省降水氣候時(shí)間演變規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）四川省總體年平均降水量為1 039.6 mm，最大年降水量為1 180.2 mm（1998年），最小年降水量為878.1 mm（2006年）。年降水量總體呈遞減趨勢，每10年減少22.9 mm 左右。四川省中部地區(qū)年降水量相對較多，東部地區(qū)年降水量其次，西部地區(qū)年平均降水量相對較少。

（2）四川省降水量春季呈上升趨勢，降水量每10年上升3.8 mm，夏季、秋季和冬季呈現(xiàn)下降趨勢，降水量每10年分別減少18.0、8.0、0.5 mm?？梢?，四川省夏季降水量下降趨勢最為顯著，冬季降水量下降趨勢最小。

（3）四川省大雨日數(shù)呈下降趨勢，大約每10年會減少4 d，且中部地區(qū)大雨日數(shù)較多，東部地區(qū)其次，西部地區(qū)大雨日數(shù)相對較少;四川省暴雨日數(shù)統(tǒng)計(jì)分析得出，暴雨日數(shù)呈下降趨勢，大約每10年會減少1.5 d。

（4） 四川省年降水量從1992年開始呈遞減趨勢，其中從2006年開始年降水量呈顯著性減少趨勢，且1992年為四川省年降水量開始突變年。降水序列在年際演變過程中，存在2～3年小尺度、5～10年中尺度、20年左右大尺度這3類時(shí)間尺度變化規(guī)律。根據(jù)趨勢項(xiàng)得出四川省年降水量呈遞減趨勢。

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