基于Mann-Kendall檢驗(yàn)和小波分析的南昌降水變化特征研究

林思平 高震東 王秋霜 胡耀丹 楊舒惠

摘要：近年來，氣候變化已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)問題，其中全球變暖在自然生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面都給可持續(xù)發(fā)展帶來了重要影響。為了解全球變暖以及土地利用方式轉(zhuǎn)變下南昌地區(qū)的氣候變化規(guī)律，在相關(guān)氣候要素中，選擇降水量作為衡量指標(biāo)，利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Morlet小波分析方法對(duì)其近64年降水量的年際變化趨勢(shì)以及其周期性變化特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）近64年來南昌地區(qū)降水變化不明顯，但總體年降水量呈略增加趨勢(shì)。（2）通過小波分析得出：降水量序列存在5個(gè)周期，即7年、11年、28年、50年和63年。主振蕩周期為28年，且從主振蕩周期尺度上來看，南昌在未來一段時(shí)間里將處于降水偏多階段。

關(guān)鍵詞：南昌;Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn);小波分析;降水

20世紀(jì)以來，全球大部分地區(qū)都經(jīng)歷了不同程度的升溫[1]，加速變暖的氣候已經(jīng)引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注。降水量是各類氣候指標(biāo)中，具有定量化分析某地區(qū)氣候變化特征和趨勢(shì)的主要因素之一。近年來，相關(guān)學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同類型的區(qū)域降水變化趨勢(shì)和規(guī)律研究[2，3]。這其中，不同尺度的區(qū)域降水分析和局域降水變化研究可以顯著提高地方應(yīng)對(duì)中長(zhǎng)期氣候變化和旱澇災(zāi)害的能力。

南昌市位于我國(guó)江西省中部偏北，與我國(guó)最大的淡水湖泊——鄱陽湖毗鄰，是我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地之一。近年來，在全球變暖的背景下，疊加南昌市土地利用方式的轉(zhuǎn)變、農(nóng)田轉(zhuǎn)為其他用地等因素，區(qū)域內(nèi)的能量平衡發(fā)生了很大程度的轉(zhuǎn)變。隨之而來的是區(qū)域氣候的變化，以及環(huán)境本底的改變。因此，本文利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Morlet小波分析等技術(shù)，對(duì)南昌地區(qū)近64年來的降水變化趨勢(shì)進(jìn)行規(guī)律分析。相關(guān)研究結(jié)果可以為南昌地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化，提高該地區(qū)中長(zhǎng)期適應(yīng)降水變化的能力。同時(shí)，該研究結(jié)果也可以為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對(duì)未來旱澇災(zāi)害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省的中部偏北區(qū)域，贛江和撫河的下游沖積平原，處在鄱陽湖西南岸。東經(jīng)115°27′至116°35′，北緯28°10′至29°11′之間。南昌地區(qū)以平原為主，占國(guó)土面積的35%以上，東南地區(qū)相對(duì)平坦，西北則地勢(shì)較高?？傮w上，南昌及周邊水網(wǎng)密布，湖泊面積大，總水域達(dá)2200km2以上，占30%左右。南昌屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)、雨熱同期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自古以來較為發(fā)達(dá)。1980年代以來，南昌市的城市化進(jìn)程逐漸加速，城區(qū)面積逐年擴(kuò)大，人口增速較快，由此引起了一系列的城市環(huán)境氣候問題。

2 研究方法

（1）Mann-Kendall分析法。Mann-Kendall分析法可以對(duì)各類時(shí)間尺度下的氣候要素進(jìn)行變化趨勢(shì)檢驗(yàn)，該方法屬于一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，因此具有較好的檢測(cè)分析效果，常被應(yīng)用于氣溫和降水等序列的變化檢測(cè)中[4，5]。該方法的優(yōu)勢(shì)主要在于計(jì)算過程較為簡(jiǎn)便，檢測(cè)的時(shí)間尺度范圍廣，不易受到異常值的控制，并且在檢測(cè)之初無須選擇某種特定的分布函數(shù)。因此，本文采用該方法檢驗(yàn)?zāi)喜薪?4年的降水序列，定量反映降水變化趨勢(shì)的顯著性。

（2）小波分析法。Morlet小波分析是一種具有時(shí)頻多層次分辨功能的方法，它能夠有效的獲取水文氣象序列不同時(shí)間尺度的周期性特征，并能評(píng)估序列未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)[6-10]。本文通過運(yùn)用小波分析檢驗(yàn)方法，能夠很好的獲取南昌市降水的周期性變化規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

（1）降水量趨勢(shì)分析。通過結(jié)合國(guó)家基本氣象站數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計(jì)了南昌市1953—2016年的日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析其降水量的年代變差系數(shù)。如圖1所示，20世紀(jì)60年代的最大降水量在研究期間最小，20世紀(jì)50年代的最大降水量在研究期間最大。由此可見，20世紀(jì)60年代可能屬于降水低谷區(qū)、20世紀(jì)50年代可能屬于一個(gè)降水豐沛區(qū)。從平均值這一屬性來看，20世紀(jì)90年代的降水平均值最大，屬于降水相對(duì)較豐富的時(shí)期。20世紀(jì)60年代的降水平均值最低，這一時(shí)間段則屬于一個(gè)降水偏少期[11]。

如圖2所示，近64年來該地區(qū)的降水變化的總體趨勢(shì)并不顯著。由5年滑動(dòng)平均的計(jì)算結(jié)果來看，1960s、1980s和2000年之后的降水處于相對(duì)低值區(qū)。50年代初、70年代和90年代降水均較多?？傮w平均年降水量呈略增加趨勢(shì)。MK趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z統(tǒng)計(jì)量為1.755，在90%的可信度范圍內(nèi)，說明從長(zhǎng)期來看，該地區(qū)的降雨量序列呈顯著的上升變化趨勢(shì)?？傮w而言，1950—1960年代、1970—1980年、2000年前后、2010年前后降水量較大，超過了近60年的平均值。而1960—1970年，以及1980—1990年屬于降水的低值區(qū)間。通過統(tǒng)計(jì)分析，南昌地區(qū)降水具有一定的變化趨勢(shì)性。

（2）降水變化周期。通過運(yùn)用小波分析方法，從而得到南昌降水的周期變化特征，如圖3所示，南昌地區(qū)近64年的降水具有一定的周期變化特征。小波變換可以將降水周期變化過程中的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示出來，一般小波實(shí)部變換實(shí)部值的低值區(qū)和高值區(qū)是周期變化，這便可以進(jìn)行降水變化的周期識(shí)別。由圖2的小波變換實(shí)部時(shí)頻分布圖可以看出，在7—8年、11—12年、24—28年等時(shí)間尺度上可以較明顯的識(shí)別出來，其小波變換實(shí)部值具有高低變化的過程。同時(shí)，大部分周期變化可以通過95%的置信度檢驗(yàn)。由此說明，南昌地區(qū)的降水具有一定的變化規(guī)律性?？傮w而言，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，南昌地區(qū)降水的Morlet小波變換實(shí)部時(shí)頻分布值較高，但是大部分時(shí)間段超過檢驗(yàn)的置信度區(qū)間。

小波方差圖可以反映年南昌地區(qū)降水變化趨勢(shì)的能量譜特征[5]，因此可以進(jìn)行主周期和不同時(shí)間尺度的分析。小波方差分析的結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖3、圖4分析得出降水量序列存在5個(gè)主周期，即7年、11年、28年、50年和63年。前三個(gè)振幅比較小，后面振幅逐漸增強(qiáng)，主振蕩周期為28a。從主振蕩周期上看，南昌在未來一段時(shí)間里將處于降水偏多階段。

4 結(jié)論

本文通過采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、Morlet小波分析方法分析了南昌市的降水變化特征。結(jié)果表明，64年間南昌市的降水量呈略增加趨勢(shì)，且在周期性的分析中表現(xiàn)出未來將繼續(xù)增加的趨勢(shì)?？傮w而言，南昌地區(qū)降水變化還處在一定的波動(dòng)范圍之內(nèi)。未來農(nóng)業(yè)和城市發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致新的用水需求，因此從社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的角度考慮應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行工農(nóng)業(yè)和生活用水的綜合調(diào)度與規(guī)劃。通過統(tǒng)籌不同部門的用水規(guī)劃，以此促進(jìn)南昌地區(qū)的用水合理化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

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