福泉市降水特征及其變化分析

任 黎，蔡文美，梁士奎，朱佳晨，宋姝萍，劉雨桐，楊文嬌

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.華北水利水電大學(xué)水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 概述

一直以來(lái)，降水作為水文循環(huán)的必要環(huán)節(jié)，在水資源中占有舉足輕重的地位，對(duì)其進(jìn)行特征分析有非常重要的意義。憑借對(duì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)產(chǎn)生的極大影響，成為全球科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。在全球變暖的大環(huán)境下，極端氣候事件發(fā)生概率大幅度增加，短時(shí)間強(qiáng)降水會(huì)造成城市內(nèi)澇，給社會(huì)及人身安全造成極大的威脅，極端氣候正在“常態(tài)化”，成為人類社會(huì)必須時(shí)時(shí)面對(duì)的生存危機(jī)之一，對(duì)水資源的高效管理及水災(zāi)害的治理是現(xiàn)如今人類面臨的重要挑戰(zhàn)。

位于云貴高原的貴州省，由于處于高原斜坡上導(dǎo)致大江大河地勢(shì)陡峭，其經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)大多處于分水嶺及小型流域，因此隨著經(jīng)濟(jì)地快速發(fā)展，地區(qū)資源性缺水問(wèn)題日益突出。福泉市位于貴州省中部，作為亞洲磷都以及西南出海的交通要塞，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，社會(huì)需水總量升高，水資源利用率較低。因此研究福泉市的降水時(shí)空變化特征，為洪澇、干旱災(zāi)害的防治提供依據(jù)，保障全市人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

2 研究區(qū)概況及方法

2.1 研究區(qū)概況

福泉市地處于貴州省中部，黔南布依族苗族自治州北部。東鄰黔東南的凱里市和黃平縣，南邊與黔東南的麻江縣接壤，西與貴定縣、龍里縣、開陽(yáng)縣相鄰，北與甕安縣相連。福泉市地處云貴高原東部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候華中濕潤(rùn)區(qū)，熱量豐富、雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，年均溫14℃左右，無(wú)霜期245～278d。年均降水量1033～1220mm，雨季一般在四月中旬開始，十月下旬結(jié)束。地勢(shì)西高南低，從西北到東南地形逐漸傾斜，其位于烏蒙山脈至苗嶺山脈的中段。全境河流隸屬于長(zhǎng)江流域，以武夷山脈為分水嶺，劃分為沅江流域和烏江流域[7]。福泉市全境干、支流之?dāng)?shù)多達(dá)39條，其總河長(zhǎng)為633.7km，河網(wǎng)密度為0.38km/km2，即每1平方公里就有0.38km的河流。

2.2 研究方法

M-K檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，也稱無(wú)分布檢驗(yàn)，它無(wú)需遵循某一特定分布，且不會(huì)受到少量的異常影響的特點(diǎn)，對(duì)類型、次要變量具有更好的適應(yīng)性，在降水、氣溫、徑流等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)方面被廣泛應(yīng)用。該方法的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需采樣遵循一定的分配，且不會(huì)受到少量的異常影響，而且適用于類型變量和連續(xù)變量，且易于進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)Z>0時(shí)，則表示幅度增加，當(dāng)Z<0時(shí)，則表示幅度減少。當(dāng)|Z|≥1.28時(shí)，表示顯著性檢驗(yàn)大于90%，當(dāng)|Z|≥1.64時(shí)，表示顯著性檢驗(yàn)大于95%，當(dāng)|Z|≥2.32時(shí)，表示顯著性檢驗(yàn)大于99%。

M-K突變檢驗(yàn)方法以氣候、下墊面一致性為前提，要求序列隨機(jī)獨(dú)立且同分布，能夠判定氣候序列中的氣候突變，若有，則能判定其何時(shí)出現(xiàn)。該方法不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，還能確定變異起始時(shí)間，并能確定變異區(qū)，因此，是一種常用的突變檢測(cè)方法。在坐標(biāo)軸上繪制UFk和UBk兩條曲線，當(dāng)它們超過(guò)臨界置信水平直線時(shí)(檢驗(yàn)置信水平α=0.05時(shí)，置信水平線為±1.96)，即表示上升或下降的趨勢(shì)顯著，突變的時(shí)間為超過(guò)臨界線的區(qū)間，若UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)位于臨界線之間，則該點(diǎn)為便是突變開始的時(shí)間。

R/S分析方法又稱為重標(biāo)極差分析法，它是英國(guó)水利學(xué)者赫斯特在尼羅河大壩項(xiàng)目中提出的一種分析方法，是可以對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析的方法。在描述自然界非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性，揭示其系統(tǒng)內(nèi)部本質(zhì)規(guī)律及找出自身特點(diǎn)有著良好的效果，可以用來(lái)檢驗(yàn)時(shí)間序列是否遵循獨(dú)立，Hurst指數(shù)也能很好地揭示出時(shí)間序列中的趨勢(shì)性成分，并且能夠代表趨勢(shì)性成分強(qiáng)度，目前已廣泛用于對(duì)不同的時(shí)間序列進(jìn)行分析。Hurst指數(shù)分級(jí)見表1。

表1 Hurst指數(shù)分級(jí)表

RClimDex模型是一種用于計(jì)算極端氣候指數(shù)的軟件，基于R語(yǔ)言編輯器的開發(fā)，以Excel為基礎(chǔ)，旨在提供容易使用的軟件包去計(jì)算并監(jiān)測(cè)氣候變化的氣候極值。RClimDex模型會(huì)通過(guò)仔細(xì)篩查數(shù)據(jù)中是否存在無(wú)效數(shù)據(jù)，如果存在，就可以通過(guò)用戶以標(biāo)準(zhǔn)差的形式去定義閾值去除異常值。最后通過(guò)計(jì)算將會(huì)獲得27個(gè)核心極端氣候指數(shù)[10]。

3 降水特征分析

3.1 顯著性分析

將福泉市60年的降水?dāng)?shù)據(jù)利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

由表2可知，1959—2018年間，年降水量|Zc|=0.64，小于1.64，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，故福泉市年降水量呈現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(shì)；春、夏兩季降水量|Zc|=0.59、|Zc|=0.03，均小于1.64，均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，故福泉市春、夏兩季降水量呈現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(shì)；秋季降水量|Zc|=1.75，大于1.64，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，故福泉市秋季降水量表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；冬季降水量|Zc|=0.63，大于1.64，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，故福泉市冬季降水量表現(xiàn)出不明顯的上升趨勢(shì)。

表2 M-K指數(shù)結(jié)果

3.2 突變性分析

根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)法，將福泉市60年降水量數(shù)據(jù)繪制成M-K突變檢驗(yàn)圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，在1959—1985年間，除1961—1963年外，UFk曲線取值基本上位于0值以上，表明該期間，福泉市年降水量一直呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。自1985年后，UFk曲線取值均位于0值以下，表明自20世紀(jì)80年代后，福泉市年降水量一直呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。圖中UFk和UBk曲線存在較多交叉點(diǎn)，再結(jié)合變化趨勢(shì)分析的結(jié)果，認(rèn)為福泉市年降水量在1959—2018年不存在顯著性突變時(shí)間點(diǎn)。

圖1 年降水量M-K突變檢驗(yàn)

將福泉市季度降水量數(shù)據(jù)繪制成M-K突變檢驗(yàn)圖，如圖2所示。圖2(a)中UFk曲線在1959—1975年間波動(dòng)較大，自1975年后UFk曲線均低于0值，且在1996—1998、2001—2002年間超出信度線，表明自20世紀(jì)70年代后研究區(qū)春季降水量一直呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，尤其在1996—1998、2001—2002年間下降的趨勢(shì)明顯。圖中UFk和UBk曲線存在較多交叉點(diǎn)，再結(jié)合變化趨勢(shì)分析結(jié)果，認(rèn)為研究區(qū)年降水量在1959—2018年不存在顯著性突變時(shí)間點(diǎn)。圖2(b)中UFk曲線除1961—1962年外，均處于0值以上，在1964—1965年超出信度線，表明在1959年來(lái)研究區(qū)夏季降水量處于不明顯上升趨勢(shì)，在1964—1965年間為突變區(qū)間呈現(xiàn)出顯著性上升趨勢(shì)。圖2(c)中，在1959—1975年間UFk曲線在0值上下波動(dòng)，變化趨勢(shì)不明顯。自1975年后，UFk曲線均處于0值以下且在1992年后UFk曲線在信度線上下波動(dòng)，表明20世紀(jì)70年代后，研究區(qū)秋季降水量一直處于下降趨勢(shì)，特別從1992年后為突變區(qū)間呈現(xiàn)出顯著性下降趨勢(shì)。圖2(d)中，在1959—1970年間UFk曲線位于0值以下，表明該期間研究區(qū)冬季降水量處于不顯著的下降趨勢(shì)。自1970年后，除1983—1986、1988—1989年外UFk曲線均處于0值以上，且一直處于信度線之間，表明自20世紀(jì)70年代以來(lái)，研究區(qū)冬季降水量呈現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(shì)。UFk和UBk曲線相交多點(diǎn)，結(jié)合趨勢(shì)結(jié)果分析可得出冬季降水量于1970年發(fā)生突變。

3.3 R/S分析方法

根據(jù)研究區(qū)逐日降水資料，利用Matlab軟件進(jìn)行分析可得，Hurst指數(shù)H=0.1562，介于0～0.5之間，未來(lái)與過(guò)去的信息在時(shí)間尺度上表現(xiàn)出長(zhǎng)程負(fù)相關(guān)性，時(shí)間序列具有較強(qiáng)反持續(xù)性，表示過(guò)去增加意味著未來(lái)減少，而過(guò)去減少意味著未來(lái)增加。年降水量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)意味著未來(lái)年降水量將會(huì)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，并且其反持續(xù)性較強(qiáng)，所以未來(lái)的增加趨勢(shì)較明顯。

運(yùn)用Matlab軟件使用R/S分析方法可得出各季度Hurst系數(shù)及相關(guān)指數(shù)，見表3。

表3 R/S分析相關(guān)系數(shù)表

從表3中可以看出四季度的Hurst系數(shù)均處于0～0.5之間，表示未來(lái)與過(guò)去的信息在時(shí)間尺度上表現(xiàn)出長(zhǎng)程負(fù)相關(guān)性，時(shí)間序列具有反持續(xù)性。春季Hurst系數(shù)為0.3426，具有較弱反持續(xù)性，意味著未來(lái)春季降水趨勢(shì)與現(xiàn)在相反但關(guān)聯(lián)性較弱。夏季Hurst系數(shù)為0.2403，具有較強(qiáng)反持續(xù)性，意味著未來(lái)夏季降水趨勢(shì)與現(xiàn)在相反且關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。秋季Hurst系數(shù)為0.3861，具有弱反持續(xù)性，意味著未來(lái)秋季降水趨勢(shì)與現(xiàn)在相反但是關(guān)聯(lián)性弱。冬季Hurst系數(shù)為0.4202,具有弱反持續(xù)性且接近于0.5，意味著未來(lái)冬季降雨與現(xiàn)在相反,但關(guān)聯(lián)性弱。由于Hurst系數(shù)接近于0.5，即盡管過(guò)去60年冬季降水量增加，但未來(lái)增加趨勢(shì)減緩還有可能會(huì)降低，或者說(shuō)它更接近于隨機(jī)變化，即冬季的降水趨勢(shì)與過(guò)去無(wú)關(guān)，是隨機(jī)的。

圖2 福泉市季度降水量M-K突變檢驗(yàn)

3.4 極端降水變化特征分析

在1998—2001年間，世界氣象組織(WMO)在全球氣候變化監(jiān)測(cè)大會(huì)上，推出了一系列的極端氣候指標(biāo)，并且成為氣候變化研究的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這些極端氣候指數(shù)是由日氣溫和日降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算而得。本文選取降水強(qiáng)度(SDII)、強(qiáng)降水量(R95p)、日最大降水量(Rx1Day)、5日最大降水量(Rx5Day)、連續(xù)無(wú)雨天數(shù)(CDD)、連續(xù)有雨日數(shù)(CWD)這6個(gè)極端降水指數(shù)進(jìn)行研究區(qū)極端降水特征分析，見表4。

表4 極端降水指數(shù)表

運(yùn)用Rclimdex軟件計(jì)算福泉市6個(gè)極端降水指數(shù)，各項(xiàng)指數(shù)年際變化如圖3所示，從圖3中可以

圖3 福泉市極端氣候分析

整體看出，60年間福泉市6個(gè)極端降水指數(shù)(除連續(xù)有雨天數(shù)外)總體趨勢(shì)變動(dòng)較為平緩。從圖3(a)可以看出，降水強(qiáng)度(SDII)反映平均降雨情況，總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，平均每10年下降約0.16mm，整體圍繞12mm上下波動(dòng)。從圖3(b)可以看出，強(qiáng)降水量(R95p)反應(yīng)極端降水量在總降水量中所占的比例，總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，平均每10年下降約15.41mm，整體波動(dòng)幅度較大，表明福泉市極端降水發(fā)生頻率差異較大，極端現(xiàn)象發(fā)生概率不穩(wěn)定。從圖3(c)、(d)可以看出，日最大降水量(Rx1Day)、5日最大降水量(Rx5Day)總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，日最大降水量(Rx1Day)平均每10年下降約6.4mm，5日最大降水量(Rx5Day)平均每10年下降約11.8mm，在1965、1967、2012年出現(xiàn)了較為明顯的極大值，說(shuō)明這3年日最大降水量(Rx1Day)出現(xiàn)了較為極端的情況。從圖3(e)可以看出，連續(xù)無(wú)雨天數(shù)(CDD)總體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，平均每10年上升約0.99d，2009—2012年間波動(dòng)幅度劇烈，表明這幾年間福泉市降水頻率較為極端，干旱現(xiàn)象頻繁。從圖3(f)可以看出，連續(xù)有雨天數(shù)(CWD)總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，平均每10年下降約0.04d，1959—2018年間波動(dòng)幅度劇烈，極大值、極小值分布不均勻，1992—1996年連續(xù)有雨天數(shù)低于均值。

4 結(jié)論

(1)福泉市60年間年降水量沒有顯著的下降的趨勢(shì)，無(wú)明顯突變年份。春夏兩季降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，秋季呈顯著性下降趨勢(shì)，冬季呈不顯著上升趨勢(shì)；秋季降水量突變時(shí)段較長(zhǎng)，其余季度突變年不明顯。

(2)6個(gè)極端降水指數(shù)除連續(xù)無(wú)雨天數(shù)(CWD)呈上升趨勢(shì)外，其余均呈下降趨勢(shì)。強(qiáng)降水量(R95p)整體波動(dòng)幅度較大，連續(xù)有雨天數(shù)(CDD)、連續(xù)無(wú)雨天數(shù)(CWD)波動(dòng)劇烈；上述極端降水特征表示福泉市極端降水情況頻率較高，近年來(lái)，極端氣候事件增加，干旱現(xiàn)象頻發(fā)。