近60 a來增江流域降水時空變化特征及其趨勢分析

梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

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近60 a來增江流域降水時空變化特征及其趨勢分析

梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

基于增江流域17個雨量站1956—2015年的逐年降水數據，采用Mann-Kendall趨勢分析法、EOF經典正交分解、Morlet小波分析等方法，分析了流域降水量的時空變化特征。并用層次聚類法對研究站點進行分類和分區，以研究60 a來降雨中心的移動軌跡。結果表明：① 增江流域多年平均降雨量為2 098.3 mm，呈現微弱下降趨勢，1976年為突變點，1976年以后進入降雨偏少時期，主周期由原來的6 a及2 a突變為5 a。② 60 a來流域東北部和西部呈現微弱的增加趨勢，西北部至東南部一帶呈現微弱的減少趨勢。③ EOF分解展示了高值區與低值區分布，左右岸區域呈相反的分布形態。④1973—1975年及2010—2015年，高值區和低值區發生了移動。

增江流域；時空變化特征；經驗正交分解； 降雨中心移動軌跡

增江是廣州市境內最大的一條獨立中小河流[1]， 是東江一級支流， 發源于新豐縣七星嶺， 在流經龍門縣城后， 自東北向西南流經龍門、增城兩區縣 ， 至增城的新家埔流入東江北干流。河流全長為203 km， 流域面積約為3 160 km2。流域面積呈狹長型， 東西寬為61 km， 南北長為90 km。流域北連新豐縣， 南接東莞， 東連河源， 西臨從化。

在已有對增江流域的研究中，陳龍[2]從降水、蒸發、徑流、暴雨、洪水特征等方面對增江流域的水文特性進行分析。陳剛[3]采用累計距平分析和 Kendall 秩次相關分析方法， 對增江流域降雨徑流資料進行了研究。但探究增江流域降雨變化趨勢的文章并不多，特別是缺乏時空演變規律的研究。本文采用增江流域17個雨量站1956—2015年的逐年降水數據，對流域降水量的年際變化特征、代際變化特征、降雨極值演變等方面進行分析，尋找變化的原因及探索變化的規律，并根據其趨勢進行預報預測，為水資源合理調配提供科學依據和技術支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1數據來源

研究區內17個雨量站點數據來源于國家水文信息數據庫。在各雨量站點記錄中，資料最長站點記錄年限為1955—2015年，資料最短站點記錄年限為1978—2015。各個站點資料序列長度均多于30 a，長達50 a以上的站點有13個。按照樣本一致性、代表性及可靠性要求，對資料進行質量控制，同時對部分測站中缺測資料進行插補延長。流域內地形條件及站點分布情況見圖1。

圖1 增江流域雨量站點分布及泰森多邊形權重示意

1.2研究方法

本文采用經驗正交函數分解(EOF)[4]、Mann -Kendall趨勢分析檢驗法、Morlet小波分析等方法分析降雨序列的時空變化特征及其變化趨勢。EOF分解能把隨時間變化的變量場分解為不隨時間變化的空間函數部分和只依賴時間變化的時間函數部分[5]，空間函數部分概括場的地域分布特點，而時間函數部分則是由場的空間點的變量線性組合所構成，本文用于分析增江流域降水的時空分布模態；Mann -Kendall趨勢分析檢驗法是世界氣象組織推薦的非參數統計方法[6]，亦稱無分布檢驗，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值干擾，適合于水文氣象等非正態分布數據的趨勢分析，本文用于檢驗增江流域降雨的長期變化趨勢；小波分析[7]應用于多尺度水文分析研究中，本文采用Morlet小波分析研究增江流域降水序列的周期演變特征。

2 結果分析

2.1降水量時程變化

2.1.1面降雨量變化趨勢

根據泰森多邊形法得出各雨量站泰森多邊形權重，如圖1，求得流域面雨量年序列。增江流域1956—2015年年平均降雨量為2 098.3 mm，利用線性回歸法和5 a滑動平均法分析流域面降雨量距平曲線的變化趨勢，如圖2。流域呈現微弱減少趨勢，降雨傾向率為每10 a減少1.1 mm。在1990年以前年降雨量變化頻繁和幅度較大，此后變化幅度稍微減緩。采用Mann-Kendall非參數統計方法計算全流域年降水量系列變化趨勢，得出Z值為-1.422 3，β值為-3.735 2，傾斜度置信區間為[-10.731， 1.742 9]，說明流域呈現微弱的減少趨勢，但是趨勢并不明顯，沒有通過0.05顯著性檢驗。

對年降雨序列進行M-K突變檢驗，見圖3。UF正向序列曲線表明增江流域年降雨量在1980年以后有減少的趨勢，部分年份通過了0.05顯著性水平。2004年是突變年，突變現象非常顯著，表現為突變年之前為減少趨勢，突變年之后為增加趨勢。UB反向序列曲線表明1989年及1995年是突變年，表現為1989年之前為增加趨勢，1995年之后為減少趨勢。根據兩曲線交點位置可知，1976年為突變年，說明1976年以后年降雨減少，目前正處于降雨偏少期。

圖2 增江流域年降雨量距平

圖3 增江流域1956—2015年降雨變化突變檢驗

以突變點1976年為節點，把年降水序列分為1976以前和1976以后兩個距平序列，分別進行周期分析。為減小邊界效應，將序列資料向前和向后各延長拓展一個樣本長度[8]，變換后再將延拓部分舍棄。

圖4給出了增江流域1956—1975年降雨序列小波變換實部系數圖及小波方差圖。從實部系數圖可以看出，序列在2 a尺度上，呈現不規則的正負交替現象；在6 a尺度上，1956—1973年之間呈現穩定的正負交替變換的周期震蕩特性，經歷了2.5個循環交替，其中1958—1960年能量變化最強，震蕩中心在1960年；在15 a尺度上，有明顯的正負交替，但由于序列長度只有20 a，15 a尺度不具有代表性。為識別上述時間尺度是否有統計意義，采用紅噪聲譜[9]對小波方差進行檢驗。從圖4的小波方差圖可以看出，2 a和6 a時間尺度都超過95%信度水平。因此，增江流域1956—1975年降雨序列第一主周期為6 a，第二主周期為2 a。

從圖5看出，1976—2015年年降雨距平序列實部系數在5 a尺度上有明顯且平穩的正負交替，由于時間長度有40 a，時間尺度規律明顯，且小波方差圖5 a時間尺度通過顯著性檢驗。因此增江流域1976—20155年降雨序列主周期為5 a。

因此以1976年為節點，突變前周期為6 a套2 a，突變后周期變為5 a，且2 a周期消失。表現為1976年以前振動頻繁，1976年后振動較緩，突變不僅改變了降雨量的趨勢，而且改變了降雨序列的周期特性。

圖4 增江流域1956—1975年降雨距平序列小波變換實部系數及小波方差示意

圖5 增江流域1976—2015年降雨距平序列小波變換實部系數及小波方差示意

2.1.2站點降雨量變化趨勢

利用Mann-Kendall法對增江流域17個站點近60 a的降水序列在95%置信區間上進行趨勢檢驗。結果顯示，只有何家田站Z為-2.03，表現為何家田站降雨序列60 a來存在突變現象，突變點在1984年，1984年后何家田站呈現明顯的下降趨勢；其他16個站Z值都為0，說明序列沒有趨勢。將所有站年降水變化幅度β值進行內插，得出增江流域年降水變化趨勢空間分布圖，如圖6所示，流域17個雨量站β值都沒有超過95%置信區間，但表現為東北部和西部呈現微弱的增加趨勢，西北部至東南部一帶呈現有何家田站帶動的微弱的減少趨勢。

圖6 增江流域年降水序列β值空間分布示意

2.2降水量空間變化

2.2.1年降水量空間分布規律

對17個雨量站60 a的年降水量序列進行經驗正交函數(EOF)分解。經計算，前4個模態均能通過North[10]特征值顯著性檢驗，其中前2個模態方差貢獻率分別為0.988 1、0.002 5，累積方差貢獻率達0.990 6。因此，EOF的前2個模態的空間和時間特征足以分析流域年降水量的典型空間分布型和時間模態[11]。在流域年降水量空間分布中，第一模態占絕對的主導地位。從圖7(a)可看出，增江流域年降水量高值區有兩個，分別位于靠近七星墩水庫一帶和天堂山水庫的龍潭鎮附近， 是年降水量振幅高值的中心區，流域年降水量從流域中部分別向北和向南減少。第二模態(見圖7(b))則表現為“0”值線沿“天堂山水庫—龍潭鎮—永漢鎮—派潭鎮”一線對稱分布，基本上和增江主干道走向平行，流域內河道左右岸區域呈相反的分布形態，即河道左岸多，則河道右岸少，或河道左岸少，則河道右岸多。與流域地形圖(見圖1)對比分析可知，增江上游和主干道右岸地勢較高，增江下游和主干道左岸地勢較平坦，說明地形的分布影響了降雨量的空間分布，因此形成“0”值線的分布形態，表現出流域年降水量的空間差異。

(a)第一模態 (b)第二模態

圖7 增江流域年降水量EOF空間分布模態

為揭示流域年降水量空間分布類型的時間特征，圖8展示了年降水量第一模態時間系數分布。系數絕對值越大，則對應時段內降水空間分布類型越典型。從圖中可以看出，60 a來第一模態時間系數一直為正，說明第一模態的降雨類型是流域降雨的典型，且在1983年系數達到最大值， 則1983年降水空間分布是最典型的流域年降水空間分布，見圖9(a)。圖9(b)是流域60 a平均降雨量等值線圖，與圖9(a)相比，雖然兩者降雨量值區間不同，但高值區和低值區的分布趨勢基本一致，都是七星墩水庫一帶和天堂山水庫的龍潭鎮附近為高值區，流域南部和北部是低值區。說明EOF分解用于分析流域降雨量分布是可行的，其時間分布能反應流域的變化趨勢。

圖8 增江流域年降水量第一模態時間系數

(a)1983年降水量分布 (b)多年平均年降水量分布

2.2.2年際降水量降雨中心移動軌跡

以增江流域17個雨量站點60 a長序列數據為基礎，對17個站同一年份進行[-1，1]標準化，并進行層次聚類分析[12]，分析結果如圖10(a)所示，當類間距離取為10時，雨量站可分為7類：藍田、江灣和連麻為1類；鐵崗、七星墩和渡頭為2類；路灘為3類；地派為4類；麻榨、香溪、何家田和永漢為5類；麒麟咀(二)、新家埔、聯安和派潭為6類，上坪為7類。把流域從空間上分為7部分，如圖10所示，分為上游，下游，岸左和岸右和流域外圍，與實際情況相符。

下面對這7部分站點進行暴雨中心移動軌跡研究[13]。把各站點按分區排列，畫出60 a來降雨量各年歸一化值的分布圖，如圖11所示。越接近1，說明該站越接近當年降雨高值區，越接近-1，說明為該站越接近當年降雨低值區。從圖11中可以看出，高值中心(紅色渲染)有2個，一個是以渡頭站為中心的Ⅱ區，另一個是從1963年開始進入高值區的上坪站(Ⅶ區)，這與前面降雨分布規律分析相符。高值區60 a來移動不大，變化不明顯。但在1973—1975年，高值區活動頻繁，除兩個高值中心外，還染指了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等3個區。而低值中心(綠色渲染)60 a來穩定在Ⅵ區，即流域的下游，但是在1968—1975年之間，低值區移動到了路灘(Ⅲ區)，位于流域東邊，移動軌跡比較明顯。說明在1970s初增江流域高值區從原來位于中部和西部的Ⅱ、Ⅻ區擴散到了Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ區，占據了流域的大部分，低值中心被趕出流域，到了Ⅲ區流域外圍。然而，在2010—2015年之間，低值區活動頻繁，低值區占據Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等4個區，占據流域大半部分。因此，增江流域近幾年一直處于降雨偏少階段，從降雨量和分布上都可以得到一致的結論。

(a) (b)

圖10 增江流域雨量站分層樹狀圖及分區示意

圖11 增江流域雨量標準化值渲染示意

3 結語

基于1956—2015年增江流域17個雨量逐月降雨量數據，采用Mann-Kendall趨勢分析法、EOF經典正交分解、Morlet小波分析等方法，分析了流域降水量的時空變化特征和趨勢，得到結論如下：

1) 1956—2015年增江流域多年平均年降雨量為2098.3 mm，呈現微弱下降趨勢，下降速率為1.1 mm/10a。M-K趨勢分析說明流域呈現不顯著的減少趨勢，在1975年發生突變，1976年以后的年降雨減少是突變現象，目前正處于降雨偏少期。以突變點1976年為節點，把年降水序列分為1976年以前和1976年以后2個距平序列，前者的第一主周期為6 a，第二主周期為2 a，后者主周期為5 a，主周期都能通過紅噪聲譜檢驗。突變不僅改變了降雨量的趨勢，而且改變了降雨序列的周期特性。

2) 各站點降雨量變化趨勢分析顯示，60 a來流域東北部和西部呈現微弱的增加趨勢，西北部至東南部一帶呈現有何家田站帶動的微弱的減少趨勢。

3) 在流域年降水量空間分布中，第一模態顯示增江流域年降水量高值區有2個，分別位于靠近七星墩水庫一帶和天堂山水庫的龍潭鎮附近，流域年降水量從流域中部分別向北和向南減少。第二模態表現為“0”值線與河道走向平行，左右岸區域呈相反的分布形態。1983年降水空間分布是最典型的流域年降水空間分布，與流域60 a平均降雨量分布相近。

4) 層次聚類分析結果顯示，流域可劃分為7個部分，分別代表為上游，下游，岸左和岸右和流域外圍。把各站點按分區排列，進行降雨中心移動軌跡研究。結果顯示，高值中心基本位于以渡頭站為中心的Ⅱ區和上坪站(Ⅶ區)，但1973—1975年，高值區向東和向南延伸，把低值中心逼出流域外(路灘)，占據流域大部分。低值中心60 a來穩定在新家埔附近(Ⅵ區)，但在2010—2015年之間，低值區活動頻繁，占據流域大半部分。因此，增江流域近幾年一直處于降雨偏少階段，從降雨量和分布上都可以得到一致的結論。

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(本文責任編輯 馬克俊)

Tempo-Spatial Changes of Characteristics and Tendencies of Precipitation in Zengjiang River Basin in Recent 60 Years

LIANG Yingshan

(Guangzhou Branch of Guangdong Hydrology Bureau, Guangzhou 510150，China)

Based on the annual rainfall from 17 precipitation stations in the Zengjiang River Basin during 1956-2015, the tempo-spatial changes of characteristics and tendencies of precipitation of this basin are systematically analyzed by using the methods of Mann-Kendall ,empirical orthogonal function decomposition(EOF), and Morlet wavelet analysis．The stations are classified and partitioned by hierarchical clustering method to study the moving traces of the annual precipitation canters. The results show：(1) The average annual precipitation of Zengjiang River Basin during 1956～2015 is 2098.3mm. A trend of decreasing with the mutation in 1976 is showed, which causes the break of periodicity. (2)There is a slightly increasing trend in the area of northeast and west, and a decreasing trend in the northwest and southeast areas. (3) EOF has identified the high and low precipitation areas, and found the distribution patterns of the left and right rank of the river. (4)The movements of annual precipitation centers have happened during 1973-1975 years and 2010-2015 years.

Zengjiang river basin;tempo-spatial changes;empirical orthogonal function;moving trace of precipitation center

2016-02-04;

2016-05-06

梁穎珊(1988)，女，碩士，助理工程師，從事水文計算及水資源管理等工作。

P426.61+4