基于Mann- Kendall 和小波分析的信宜降水變化特征研究

梁 冰 李子平

（1、廣東省信宜市氣象局，廣東 信宜525300 2、廣東省茂名市氣象局，廣東 茂名525000）

為了有效的提高降水變化特征的研究能力， 本文結(jié)合實際，以Mann-Kendall 和小波分析方法，具體總結(jié)了信宜降水變化特征，希望分析能夠不斷提高研究水平。

1 研究方法

1.1 M-K 檢驗方法

M-K 檢驗方法主要用在氣溫、降水、徑流以及水質(zhì)等水文氣象的分析，該方法使用范圍廣泛，能夠更好地適用水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的分析，在使用過程其檢測范圍比較廣泛，定量化程度也比較高因此本文采用非參數(shù)的M-K 檢驗法對信宜近60a 的氣候降水要素時間序列顯著性檢驗，定量反映變化降水量的變化趨勢顯著性。

1.2 周期檢驗方法

小波分析（Wavelet Analysis）方法由Morlet 提出，通過運用改方式提高了時間序列問題研究水平。現(xiàn)階段，通過運用小波分析檢驗方法，能夠準(zhǔn)確了提高降水周期變化檢驗水平，該方法主要用于信息量系數(shù)、時間序列的消噪和濾波等方面監(jiān)測。

2 研究區(qū)域概況

本文以廣東省信宜市為研究區(qū)域。信宜位于廣東省西部，茂名市的北部，境內(nèi)以山地地貌為主，地勢東北高，西南低，全市海拔在500 米以上的大小山頭371 座。勾漏山脈從西向東、云開山脈從東北向西南橫行，崇山峻嶺縱橫交錯，東部海拔1704 米的大田頂為粵西第一高峰。氣候?qū)儆谀蠅簾釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，水熱同季，雨量充沛，并且分布不均。區(qū)域內(nèi)4-10 月為汛期，平均降雨量達(dá)1500mm,占全年降雨量的83%。

3 降水量趨勢分析

3.1 降水年際變化

通過結(jié)合信宜國家基本氣象站數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計了1954-2013 年共60a 的日降水?dāng)?shù)據(jù)，通過分析，年均降水量為1777.6mm，降水量最小值是在1956 年為1024.5mm，最大值發(fā)生在1981 年，為2718.5mm，最大值與最小值相差1694mm，從總量上看，信宜的年降水量年際變化較為劇烈。

作者簡介：梁冰（1973-），女，廣東信宜人，本科，主要從事氣象綜合業(yè)務(wù)工作。

圖1 1954-2013 年信宜汛期年降水變化

圖2 1954-2013 年信宜非汛期年降水變化

3.2 汛期和非汛期降水變化分析

經(jīng)過統(tǒng)計分析，信宜市汛期和非汛期的年總降水分別如圖1、圖2 示。經(jīng)過統(tǒng)計，汛期降水M-K 趨勢檢驗值Z=0.08，明顯為上升趨勢；非汛期降水線性傾向估計其上升幅度為10.3mm/10a，Mann-Kendall 趨勢檢驗值為Z=1.09，非汛期降水呈較顯著的上升變化趨勢。雖然汛期和非汛期的降水量變化都在90%可信度范圍內(nèi)，但總體呈上升趨勢。信宜屬于山地地形，很多民房是依山而建，仍應(yīng)注意在汛期、非汛期降水量大的月份加強對山洪和山體滑坡等災(zāi)害問題的防御。

3.3 年內(nèi)分配的年際變化分析

信宜市每年4-10 月為汛期，汛期多年平均降水量為1500mm，約占年平均降水量的83%。圖3 為信宜的年代際降水年內(nèi)分布圖，以十年為一個年際點。由圖中可知，信宜的降水量在3 月至9 月這7 個月變化基本上平穩(wěn)，而每個年代的前汛期和后汛期變化比較劇烈，尤其是21 世紀(jì)以來的11 月份的降水偏多，而20 世紀(jì)50 年代卻偏少，60 至90 年代的分布極不平衡。這說明信宜全年降水分配極為不均勻，尤其是后汛期的11 月變化波動異常劇烈。

4 降水量的周期性分析

年總降水周期分析:

通過運用小波分析方法，得出了降水的周期性變化特征，如圖4 所示：

從圖4 可以看到，信宜近60a 來降水存在不同時間尺度上的周期振蕩和突變特征。其降水周期變化包括三個層次，分別為10a，22a 及29a，而且從圖中可看出22a 和29a 左右時間尺度的周期變化在整個時段都有較強的信號。在22a 尺度上，1954 年到2013 年降水量出現(xiàn)了：多- 少- 多- 少- 多- 少-多- 少的準(zhǔn)4 次周期震蕩，在29a 尺度上，出現(xiàn)了：多- 少- 多- 少- 多- 少的準(zhǔn)3 次周期震蕩。10a 左右尺度周期變 化 特 征 在 1954-1990 年 和2005-2013 年兩個時段表現(xiàn)得較明顯，而在10a 左右尺度的下面嵌套著5-6a的尺度，在1957-1983 年和1995-2007年兩個時段表現(xiàn)得較明顯。

小波方差反映年降水時間序列的波動能量，通過分布情況分析，利于合理的推算具體數(shù)據(jù)。信宜近60a 年降水量的小波方差如圖5 所示。從圖中可以看出信宜的年降水的小波方差有3 個明顯的峰值，從實際分析當(dāng)峰值在22a 左右的時候周期震蕩最強，為信宜第一主周期；29a 左右為第二主周期，第三峰值對應(yīng)著10a 的時間尺度，為降水變化的第三主周期。這說明上述3 個周期的波動控制著區(qū)域降水在整個時間域內(nèi)的變化特征,從振蕩周期上看，信宜降水量在未來時間段內(nèi)，是處于降水偏多的階段。

5 結(jié)論

本文統(tǒng)計分析信宜1954-2013 年降水資料，運用M-K 法和小波分析信宜近60a 降水變化特征，提高了對于信宜地區(qū)降水量的分析能力。信宜年降水的振蕩周期與汛期降水振蕩周期的一致性，論證了年降水周期和汛期降水周期之間存在相關(guān)性。基于此，在進(jìn)行實踐研究過程，要提高對于Mann-Kendall 和小波分析應(yīng)用水平，從而利于全面加強分析效率。

圖3 信宜市年代際總降水年內(nèi)分布圖

圖4 信宜年降水小波系數(shù)實部圖

圖5 信宜年降水量小波方差圖