廣西沿海城市近65年降水演變特征及歸因分析

魏 煒，李程程，莫崇勛，申鵬楊

（1.廣西交通職業技術學院,南寧 530023；2.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004）

降水是重要的水文要素之一，其變化情況直接影響著區域水資源量的變化及洪澇干旱災害的發生。對降水變化特征的研究分析，有利于科學地開發、利用和管理水資源，具有十分重要的現實意義。因此，廣大水利學者對區域降水變化特征開展了廣泛的研究，如劉建衛[1]利用太子河流域19 個雨量站50 a 逐日降雨資料，采用數理統計和GIS 空間分析技術，對太子河流域的降水量變化趨勢、演變過程進行了細致研究。張利平和夏軍[2]利用華北地區25個測站的長期年降水量資料，采用多種方法研究表明華北地區降水存在周期性和突變性；黃晚華[3]利用中國南方15 個省（市、區）的氣象臺站降水資料，選擇標準化降水指數（SPI）作為干旱指標，分析了南方地區58 a 間降水演變特征和發生規律；徐宗學[4]利用深圳市1979-2015 年降水量數據，采用Mann-Kendall 檢驗法、Morlet 復小波分析法并結合極端降水指標，分析了深圳市近36 a的降水量時空演變特征；宋曉猛[5]基于北京暴雨圖集中的6種歷時暴雨數據和45個雨量站點汛期逐日降水觀測資料，選擇年最大值法和百分位閾值法，評估變化環境下北京地區降水結構變化和極值演變特征。目前，在區域降水演變特征的研究已取得眾多成果，但是很少有成果針對沿海城市降水演變特征規律進行研究。沿海城市的降水由于受海洋影響較大，相對于內陸城市降水具有明顯不同，故針對沿海城市降水演變特征的研究，就顯得十分必要。廣西擁有大陸海岸線長約1595 km，因此，本文選擇廣西區內兩座典型的沿海城市北海和欽州為例，對比分析北海和欽州近65 a的降水演變特征及其內在原因，以期為沿海城市水資源合理規劃與科學管理提供參考依據。

1 區域概況和數據來源

本次研究對象是欽州、北海兩座城市的降水量。欽州南臨狹長的欽州灣，北海南、北、西三面環海，都具有鮮明的海濱城市特征，都是廣西典型的沿海城市。欽州市南臨北部灣，西北靠十萬大山，主要受海洋氣候影響，也受大陸氣團影響，海洋性氣候明顯。北海氣候屬季風型海洋性氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑。

本次研究數據來源于中國國家氣象數據網（https：//data.cma.cn/）中全國氣象站逐日降水量數據（PRE-13011），提取了欽州氣象站和北海氣象站1953-2017 年共65 a 逐日降水數據，再累計年降水量作為本次研究的基礎數據。欽州、北海氣象站海拔分別為5.8、14 m，地理位置分布示意圖見圖1。

圖1 欽州、北海氣象站氣象站分布示意圖

2 研究方法

為了準確地分析欽州和北海近65 a 的降水演變規律，本次研究采用Morlet 復小波分析法[6，7]計算降水的周期性，繪制小波系數實部等值線圖、小波系數模值等值線圖、小波系數方差曲線圖，綜合分析降水序列在時間尺度上的周期性變化規律；采用Mann-Kendall 檢驗法[8～10]分析降水的突變性，繪制降水正序列UF統計量和逆序列UB統計量曲線圖，觀察兩者在置信區間的交點以判定序列的突變點；采用線性擬合法研究降水總體趨勢變化，利用重標極差（R/S）分析方法[11]計算降水序列的hurst 指數，分析未來的變化趨勢。

3 結果與分析

3.1 降水周期性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a 年降水序列數據，計算降雨序列Morlet 復小波系數，繪制小波系數實部等值線圖、小波系數模值等值線圖、小波系數方差曲線圖。小波系數實部等值線圖可以直觀的觀察降水序列在時頻上的分布情況；小波系數模值等值線圖可以直觀展示不同周期的震蕩能量強度，以反映降水序列的周期性顯著程度；小波系數方差反映對應周期的波動能量。欽州氣象站降水序列小波分析結果圖見圖2，北海氣象站降水序列小波分析結果圖見圖3。

由圖2（a）小波系數實部等值線圖可以看出，欽州降水序列存在著多個時間尺度的周期性變化規律，比較明顯的時間尺度中心有5、10、24、35、56 a；由圖2（b）小波系數模等值線圖可以看出6～12 a、18～30 a、40～62 a時間尺度范圍周期性較顯著；由圖2（c）小波方差曲線圖可以看出存在兩個比較明顯的峰值，分別對應在時間尺度56、24 a。綜合分析可得，欽州降水序列第一主周期為56 a，第二主周期為24 a。

圖2 欽州小波分析結果圖

圖3 北海小波分析結果圖

由圖3（a）小波系數實部等值線圖可以看出，北海降水序列也存在著多個時間尺度的周期性變化規律，比較明顯的時間尺度中心有5、10、20、35、57 a；由圖3（b）小波系數模等值線圖可以看出6～12 a、30～40 a、50～62 a時間尺度范圍周期性較顯著；由圖3（c）小波方差曲線圖可以看出存在3個比較明顯的峰值，分別對應在時間尺度57、35、10 a，且第二與第三峰值相差不大。綜合分析可得，北海降水序列第一主周期為57 a、第二主周期為35 a、第三主周期為10 a。

3.2 降水突變性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a年降水序列數據，計算UF和UB統計量，選擇置信水平a0=0.05對應正態分布置信區間臨界值T=±1.96，并繪制兩個統計量的曲線圖，見圖4、圖5。

圖4 欽州降水序列突變分析圖

圖5 北海降水序列突變分析圖

由圖4、圖5 可知，欽州和北海降水量序列UF、UB曲線分別在1953年、1956年相交，處于序列開始端年份范圍的5%以內，考慮數據序列的邊緣誤差，可以認為兩個氣象站近65 a 的降水序列沒有發生根本性的突變。

3.3 降水趨勢性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a 降水序列數據系列進行線性擬合，繪制擬合趨勢線分別見圖6、圖7。

圖6 欽州降水序列趨勢分析圖

圖7 北海降水序列趨勢分析圖

由圖6 可知，欽州降水序列近65 a 年平均降水量為2159 mm，降水量總體呈微弱上升趨勢，上升幅度為4.3 mm/a，占多年平均降水量的0.2%；由圖7可知，北海降水序列近65 a年平均降水量為1750 mm，降水量總體也呈微弱上升趨勢，上升幅度為6.6 mm/a，占多年平均降水量的0.38%。

利用重標極差（R/S）分析方法計算欽州、北海兩個氣象站降水序列的hurst 指數，結果分別為0.51、0.55，表明兩個氣象站未來變化趨勢仍將呈微弱上升趨勢，但年際降水會出現較大的持續波動。

4 歸因討論

4.1 周期性變化特點原因

根據周期性分析，欽州、北海兩個氣象站近65 a降水序列第一主周期在時間尺度上具有相似性，但是第二主周期存在一定的差異性，兩個氣象站小波方差曲線對比分析圖見圖8。

圖8 欽州、北海氣象站降水序列小波方差曲線對比圖

由圖8可知，欽州、北海降水序列小波曲線波動起伏形狀基本相似，但起伏大小和對應時間尺度上有差異。北海降水序列的小波方差曲線存在3個能量峰值，且3個能量峰值相差不多，這主要是北海屬于半島的地理特性，其東、西、南三面臨海，且內陸地貌少高山，降水主要受3 個不同方向的海洋季風影響；欽州的小波方差能量峰值主要有兩個，且兩者相差較大。這主要是欽州地理上南臨北部灣，西北靠十萬大山，導致其降水既受海洋氣候影響，也受大陸氣團影響。其方差最大峰值與北海序列小波方差最大峰值一致，說明欽州的降水主要受海洋性氣候影響。

4.2 突變性特點原因

欽州、北海兩個氣象站降水序列近65 a幾乎沒有發生根本性突變，且兩者的hurst指數計算結果也表明，降水序列變異程度非常微小。這主要是由于兩座城市的氣候都主要受海洋性氣候影響，降水量年際間變化不大，年平均降水量比大陸性氣候多，而且季節分配比較均勻。

4.3 趨勢性特點原因

根據趨勢性分析，欽州、北海氣象站降水變化趨勢基本相同，繪制欽州、北海降水序列對比圖見圖9。

圖9 欽州、北海降水序列對比圖

由圖9可知，欽州、北海降水序列波動形態基本一致，這說明兩者的降水成因是一致的。由于欽州西北有十萬大山的阻礙，降水氣團在欽州境內停留時間相對更久，因此年降雨量欽州比北海多。

5 結論

（1）廣西典型沿海城市欽州、北海近65 a 降水序列都存在著多尺度周期性變化規律。欽州由于受海洋氣候和大陸氣團的雙重影響，主要存在兩個時間尺度相差較大的周期；北海由于三面環海，存在著3個時間尺度相差不大的周期。

（2）欽州、北海近65 a 降水序列均呈微弱上升趨勢，都沒有發生實質性的突變，年際降水均勻且穩定。