近60年福建地區(qū)降水及時(shí)空演變特征研究

楊士力，王化儒，尹雙星

(華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

降水是氣候變化特征中重要的氣候要素，降水的時(shí)空分布特征和趨勢(shì)變化對(duì)引導(dǎo)人們科學(xué)地實(shí)踐生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。降水的時(shí)空分配不均勻?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱、人類生活等各個(gè)方面均有重要影響，在時(shí)空上過于集中，容易導(dǎo)致局部地區(qū)洪澇災(zāi)害頻率，其格局的改變對(duì)水資源規(guī)劃與管理會(huì)產(chǎn)生直接的影響[3-4]。查顯寶等[5]系統(tǒng)分析了安徽省近60年降水變化趨勢(shì)以及時(shí)空分布特征，降水呈現(xiàn)自北向南遞增變化，降水日呈減少趨勢(shì)，中、小降水日顯著減少，大雨和暴雨的降水日呈增加趨勢(shì)。鄒檳駿等[6]指出了樂山地區(qū)降水時(shí)空分布差異較大，存在兩極分化的特點(diǎn)，降水與經(jīng)緯度、海拔高度等地形影響因子顯著相關(guān)。徐碧裕等[7]指出廣東地區(qū)近50年汛期和非汛期降水量可分為多種類型，降水的主要周期和周期變化特征也各不相同。鄭騰飛等[8]指出了隨著降水的劃分等級(jí)，研究發(fā)現(xiàn)變化特征相同的是小雨和中雨呈現(xiàn)減少，其中大雨呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。研究降水量的時(shí)空周期演變特征，探尋其潛在變化規(guī)律，是為了預(yù)測(cè)未來降水變化趨勢(shì)、改善水資源管理策略和加強(qiáng)氣象災(zāi)害預(yù)警而具有重要意義[9-10]。因此，深入了解降水量變化的規(guī)律以及探究其對(duì)水資源、氣候變化和生態(tài)研究的影響，對(duì)于未來的氣候變化和水資源管理具有重要影響。本文以福建省為研究對(duì)象，分析1961—2020年的月降水?dāng)?shù)據(jù)資料，為季節(jié)降水和年均降水變化趨勢(shì)和空間分布提供參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 研究概況

福建省位于我國(guó)東南沿海，東臨遼闊的太平洋，兼受大陸與海洋的劇烈影響，緯度處溫、熱帶的過渡地帶，干濕與盛行風(fēng)向因季節(jié)而異，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候[11-12]。年均降水量為1567mm，其中春季689mm、夏季791mm、秋季302mm、冬季215mm，夏季降水量與春季降水量的空間分布特點(diǎn)是從西南向東北方向呈現(xiàn)遞增變化。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取1961—2020年福建年均降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//data.tpdc.ac.cn/home)。地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)，分辨率為30m。春、夏、秋、冬季節(jié)常規(guī)分為3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月，并選取福建省內(nèi)的69個(gè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行特征分析。

2 研究方法

2.1 線性回歸

假定一個(gè)樣本時(shí)間序列為x1，x2，…，xn，其對(duì)應(yīng)的時(shí)序值為t1，t2，…，tn，建立一元線性回歸方程：

xi=a+bti+εi(i=1，2，…，n)

(1)

式中，a—常數(shù)；b—趨勢(shì)系數(shù)；εi—隨機(jī)誤差項(xiàng)。

t對(duì)應(yīng)的是降水量時(shí)間，若b>0時(shí)，說明x與t呈正相關(guān)關(guān)系，降水量隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大；若b<0時(shí)，說明x與t呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，降水量隨時(shí)間增大而減?。蝗鬮=0，則說明x與t無相關(guān)關(guān)系，方程為一條平行于橫坐標(biāo)的直線[13-14]。

2.2 突變分析

Mann—Kendall突變檢驗(yàn)法是用于檢測(cè)氣候變化趨勢(shì)與氣候突變的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可以判斷降水時(shí)間序列中是否存在突變，從而確定降水量發(fā)生突變的時(shí)間，并近一步確定突變時(shí)間周期[15]。本文用該方法檢驗(yàn)氣候變化情況下，降水時(shí)間序列的突變狀況。設(shè)定顯著性水平α=0.05，則統(tǒng)計(jì)量UB與UF的臨界值為U0.05=±1.96。然后通過多年長(zhǎng)序列降水時(shí)間突變檢驗(yàn)，其中若統(tǒng)計(jì)量UF>0，則突變檢驗(yàn)的長(zhǎng)序列的降水量在這段時(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；若統(tǒng)計(jì)量UF<0，則突變檢驗(yàn)的長(zhǎng)序列的降水量在這段時(shí)間呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；若UF>U0.05=1.96，則表明降水量顯著增加；若統(tǒng)計(jì)曲線在U0.05=±1.96之內(nèi)發(fā)生交點(diǎn)，該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變點(diǎn)；若突變點(diǎn)超出U0.05顯著水平置信區(qū)間時(shí)，視為顯著突變點(diǎn)[13-14，16-17]。

2.3 小波分析

小波分析是從傅里葉變化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)數(shù)學(xué)分支，在時(shí)域和頻域上都具有良好的局部性質(zhì)，可以反映出氣象要素時(shí)序數(shù)據(jù)在不同時(shí)間尺度下隨時(shí)間變化的特征[18-19]。

假定有時(shí)間序列f(t)及一組有參數(shù)a，τ構(gòu)成母小波Ψa，τ(t)，則：

(2)

由于f(t)與Ψa，τ(t)的卷積構(gòu)成小波交換，則：

(3)

式中，a—尺度因子；τ—平移因子；Wa，τ(t)—小波系數(shù)。

通過MHF(墨西哥帽函數(shù))對(duì)福建流域的降水時(shí)間進(jìn)行小波分析，其表達(dá)式為：

Ψ(t)=(1-t2)e(-t2/2)

(4)

為反映降水周期分布特征，即對(duì)降水序列變化起主要作用的周期，采用如下計(jì)算公式進(jìn)行小波方差檢驗(yàn)：

(5)

式中，w(a)—小波方差；W(a，b)—小波系數(shù)[20-23]。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量變化趨勢(shì)分析

通過線性回歸及滑動(dòng)平均趨勢(shì)變化，對(duì)福建省1961—2020年降水時(shí)間序列特征進(jìn)行趨勢(shì)分析，M-K突變檢驗(yàn)及線性分析進(jìn)行擬合對(duì)比驗(yàn)證。如圖1所示，多年年均降水量以1.2695mm/a的傾向率呈上升的趨勢(shì)，年降水量線性趨勢(shì)整體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升，從2a滑動(dòng)平均和線性回歸結(jié)果表明：1975—1979年、2001—2003年呈現(xiàn)下降，年降水整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。春季多年平均降水量以-0.5812mm/a的傾向率緩慢下降，1992—2002年、2006—2012年春季降水呈現(xiàn)下降，波動(dòng)較為平緩，春季降水整體呈現(xiàn)下降。夏季多年平均降水量整體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，降水量以1.815mm/a傾向率顯著上升，1976—1989年降水量出現(xiàn)緩慢的下降，1991—1997年出現(xiàn)明顯上升。秋季以-0.3787mm/a傾向率緩慢下降，冬季以0.3082mm/a傾向率緩慢上升，秋季呈現(xiàn)明顯波動(dòng)下降的為1961—1967年、1990—1995年、2016—2019年，整體表明秋季1961—1990年降水趨勢(shì)波動(dòng)性較為明顯，1990—2020年降水波動(dòng)較為平緩呈現(xiàn)將趨勢(shì)。冬季1986年的降水量呈現(xiàn)明顯的下降，其余年份的降水波動(dòng)呈現(xiàn)出緩慢增加趨勢(shì)。

圖1 福建省多年平均和季節(jié)降水量趨勢(shì)分析

3.2 降水量特征突變分析

通過Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析福建多年降水量，以及多年M-K中的Z值空間變化趨勢(shì)，如圖2—3所示。

圖2 福建省多年平均和季節(jié)降水量M-K趨勢(shì)突變分析

從圖2(a)中年降水量統(tǒng)計(jì)值，曲線在1961—1973年、1978—1981年小于0，且沒有超過U0.05=-1.96，在這段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)不顯著下降。由圖2(b)、(c)春、夏季多年平均降水量突變趨勢(shì)分析可知：春季1974—2007年和夏季1961—1964年、2006—2020年M-K統(tǒng)計(jì)值大于0，其中春季降水量沒有超過U0.05=1.96，說明這段時(shí)間降水呈現(xiàn)不顯著上升，從春季M-K的統(tǒng)計(jì)值趨勢(shì)波動(dòng)浮動(dòng)分析整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；夏季2019年超過U0.05=1.96臨界線水平，說明2019年夏季降水在0.05顯著水平上顯著性上升，夏季年均降水量呈現(xiàn)顯著性上升趨勢(shì)。

從圖3空間趨勢(shì)分布分析，多年平均降水量趨勢(shì)分布在長(zhǎng)汀、連城以西區(qū)域，呈現(xiàn)不顯著下降。在1974—1976年、1982—2020年的Z值都大于0，沒有超過U0.05=1.96，說明在此段時(shí)間序列呈現(xiàn)不顯著上升。年均降水Z值分布在明溪、建寧、光澤、蒲城等由北向東北以及大田、永定、邵安、漳浦、廈門等的地方由南向東北，主要呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)。整體年均降水量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖3 福建省年均降水量Z值分布圖

春、夏季降水量Z值空間分布上趨勢(shì)變化為福建北部光澤、武夷山、浦城、政和、松溪等區(qū)域下降趨勢(shì)最大Z值為-1.58～-1.07，整體呈現(xiàn)由南向北呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)；福建東北部由光澤、建陽、古田、福州、福清等區(qū)域向蒲城、壽寧、柘榮、福鼎等區(qū)域呈現(xiàn)出顯著性上升趨勢(shì)，Z值為1.96～3.09，夏季空間分布呈現(xiàn)出由西南向東北顯著性變化趨勢(shì)。這與回歸相關(guān)分析和M-K的趨勢(shì)分析結(jié)果一致。

秋季降水量和冬季降水量相比，秋季降水量呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)，冬季呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢(shì)。其中秋季1961—1987年、1994—2020年和冬季1961—1963年、1986—1988年M-K的統(tǒng)計(jì)值都小于0，說明這段時(shí)期降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。秋季1961—1987年有5個(gè)突變點(diǎn)，其中1961年發(fā)生突變后，1961—1970年秋季降水量超過U0.05=-1.96臨界線水平，說明這段時(shí)間降水量呈現(xiàn)顯著性下降趨勢(shì)；1961—2020年秋季降水量統(tǒng)計(jì)量大部分為小于0，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；冬季1964—1980年、1991—2020年M-K統(tǒng)計(jì)值大于0，降水量沒有超過U0.05=1.96，說明這段時(shí)間降水呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)；結(jié)論與上述線性回歸相關(guān)系數(shù)結(jié)果一樣。

由秋季和冬季M-K的Z值空間趨勢(shì)分布可知，秋季降水量由北部光澤、武夷山、邵武向東部寧德、連江、福州、長(zhǎng)樂等，Z值為-0.28～-1.11，呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)；東南部由崇武、晉江、南安向西部武平、長(zhǎng)汀、連城等呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。冬季降水量時(shí)空分布Z值為-0.06～1.02，由福建南部從邵安、云霄、漳浦、平和等向東北武夷山、蒲城、政和、周寧、福安、霞浦等為不顯著上升趨勢(shì)。

3.3 降水量時(shí)空周期特征

采用Morlet小波分析，通過小波實(shí)部等值線圖和小波方差趨勢(shì)圖進(jìn)行特征分析，分析了近60年以來的福建省年均降水量、春、夏、秋、冬季降水的周期性變化。Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部反映了不同時(shí)間尺度下小波域內(nèi)數(shù)據(jù)的波動(dòng)特征，實(shí)部的正負(fù)取值交替反映了時(shí)間域內(nèi)降水序列豐枯特征，小波方差則為小波系數(shù)的平方值在時(shí)間域上的積分，可以確定降水序列存在的多級(jí)主周期[24]。

由圖4(a)、(b)可知，在近60年時(shí)間尺度中，年降水量的時(shí)間尺度序列在50～61、4～8、9～15、16～24a周期變化特征，年降水量呈現(xiàn)正負(fù)震蕩交替變化。年降水量小波方差圖有4個(gè)周期方差峰值，其中55a為第一主周期，該周期波動(dòng)震蕩最為顯著；6、19、12a分別為年均降水量第二、三、四主周期。55a第一主周期分析39～63a時(shí)間震蕩周期，在1961—1966年、1984—2000年表現(xiàn)為枯水年，而1967—1983年、2001—2018年表現(xiàn)為豐水年。

圖4 福建省年均和季節(jié)降水量周期性分析圖

由圖4(c)、(d)可知，春季降水量的時(shí)間周期序列變化為49～61、5～8、8～11、3～5a，春季降水量小波方差圖有4個(gè)周期方差峰值，其中55a為第一主周期，該周期波動(dòng)震蕩最為顯著；7、10、4a分別為年均降水量第二、三、四主周期。49～61a時(shí)間震蕩周期，在1961—1966年、1985—2001年表現(xiàn)為枯水年，而1967—1984年、2002—2016年表現(xiàn)為豐水年。5～8、8～11、3～5a的年際變化尺度具有全域性，豐枯交替頻繁。

由圖4(e)、(f)可知，夏季降水量主要周期變化為45～61、30～40a，夏季降水量小波分析方差圖有5個(gè)峰值，分別為6、12、27、37、56a。其中主要峰值為56、35a；56a為第一主周期，35a為第二主周期，其余為次周期。第一主周期45～61a時(shí)間震蕩周期，在1979—1995年呈現(xiàn)為枯水年，而1961—1978、1996—2014年呈現(xiàn)為豐水年；夏季最為明顯的周期為35、56a的時(shí)間尺度的周期特征變化，其中6、12、27a時(shí)間震蕩周期為全域性。

由圖4(g)、(h)可知，秋季降水量主要周期變化為15～24、53～62a，秋季降水量小波分析方差圖有4個(gè)峰值，分別為7、20、40、57a。其中主要峰值為20、57a，20a為第一主周期，57a為第二主周期，其余為次周期。其中第一主周期15～24a時(shí)間震蕩周期，在1965—1972年、1978—1985年、1991—1998年、2005—2011年呈現(xiàn)為枯水年，而1961—1964年、1973—1976年、1986—1990年、1999—2004年呈現(xiàn)為豐水年；秋季最為明顯的周期為20a的時(shí)間尺度的周期特征變化，其中7、40、57a時(shí)間震蕩周期為全域性。

由圖4(i)、(j)可知，冬季降水量有5個(gè)峰值，分別為4、11、23、30、55a。其中震蕩明顯的主要峰值為30a，其中30a為第一主周期，其余為次周期。第一主周期25～35a時(shí)間震蕩周期，在1961—1967年、1977—1988年、1998—2008年呈現(xiàn)為枯水年，而1966—1976、1989—1997、2009—2016年呈現(xiàn)為豐水年；冬季最為明顯的周期為30a的時(shí)間尺度的周期特征變化，其中4、11、23、30、55a時(shí)間震蕩周期為全域性。從小波實(shí)部分析豐水年占比年均冬季降水量較大，說明冬季降水量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

福建省年降水量由小波實(shí)部數(shù)據(jù)可知60年年均降水量呈現(xiàn)著上升趨勢(shì)，這與我們線性回歸以及M-K突變趨勢(shì)分析結(jié)果都呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，進(jìn)而論證了年降水年季節(jié)降水量變化特征。

4 結(jié)論

1961—2020年年均降水量從2a滑動(dòng)平均和線性回歸擬合可知，降水量以1.2695mm/a的傾向率呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)。春、秋季降水量的傾向率分別為-0.5812、-0.3787mm/a，其中春季降水相比秋季降水下降趨勢(shì)更為明顯。其中1986—1994年有明顯的突變，呈現(xiàn)顯著性下降；2019年側(cè)呈顯著性上升階段，夏季降水量整體呈現(xiàn)顯著性上升，冬季無明顯突變點(diǎn)，冬季降水量呈現(xiàn)不顯著上升。

年均降水量空間分布由西向東南呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。春季和秋季年均降水空間分布分別呈現(xiàn)為由南向北，其中秋季較大部分呈現(xiàn)由北向東部下降趨勢(shì)。夏季和冬季分別呈現(xiàn)為由西向東北和南部向東北增加趨勢(shì)。

1961—2020年福建省年均降水量和春、夏、秋、冬季的第一主周期分別為55、55、56、20、30a。春季和秋季正準(zhǔn)備由豐水期向枯水期周期交替，夏季和冬季正處在枯水期。年均降水在第一周期呈現(xiàn)為枯-豐-枯-豐-枯周期變化，分析可知未來幾年降水量進(jìn)入枯水年周期。