近60年福建地區降水及時空演變特征研究

楊士力，王化儒，尹雙星

(華北水利水電大學環境與市政工程學院，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，降水的時空分布特征和趨勢變化對引導人們科學地實踐生產具有重要意義[1-2]。降水的時空分配不均勻對農業生產、防汛抗旱、人類生活等各個方面均有重要影響，在時空上過于集中，容易導致局部地區洪澇災害頻率，其格局的改變對水資源規劃與管理會產生直接的影響[3-4]。查顯寶等[5]系統分析了安徽省近60年降水變化趨勢以及時空分布特征，降水呈現自北向南遞增變化，降水日呈減少趨勢，中、小降水日顯著減少，大雨和暴雨的降水日呈增加趨勢。鄒檳駿等[6]指出了樂山地區降水時空分布差異較大，存在兩極分化的特點，降水與經緯度、海拔高度等地形影響因子顯著相關。徐碧裕等[7]指出廣東地區近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，研究發現變化特征相同的是小雨和中雨呈現減少，其中大雨呈現上升趨勢。研究降水量的時空周期演變特征，探尋其潛在變化規律，是為了預測未來降水變化趨勢、改善水資源管理策略和加強氣象災害預警而具有重要意義[9-10]。因此，深入了解降水量變化的規律以及探究其對水資源、氣候變化和生態研究的影響，對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象，分析1961—2020年的月降水數據資料，為季節降水和年均降水變化趨勢和空間分布提供參考依據。

1 項目概況

1.1 研究概況

福建省位于我國東南沿海，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，干濕與盛行風向因季節而異，是典型的亞熱帶季風氣候[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是從西南向東北方向呈現遞增變化。

1.2 數據來源

本研究選取1961—2020年福建年均降水數據，數據來源于國家青藏高原科學數據中心(https：//data.tpdc.ac.cn/home)。地形數據來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/)，分辨率為30m。春、夏、秋、冬季節常規分為3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月，并選取福建省內的69個氣象站點進行特征分析。

2 研究方法

2.1 線性回歸

假定一個樣本時間序列為x1，x2，…，xn，其對應的時序值為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；b—趨勢系數；εi—隨機誤差項。

t對應的是降水量時間，若b>0時，說明x與t呈正相關關系，降水量隨時間增長而增大；若b<0時，說明x與t呈負相關關系，降水量隨時間增大而減小；若b=0，則說明x與t無相關關系，方程為一條平行于橫坐標的直線[13-14]。

2.2 突變分析

Mann—Kendall突變檢驗法是用于檢測氣候變化趨勢與氣候突變的非參數檢驗方法，可以判斷降水時間序列中是否存在突變，從而確定降水量發生突變的時間，并近一步確定突變時間周期[15]。本文用該方法檢驗氣候變化情況下，降水時間序列的突變狀況。設定顯著性水平α=0.05，則統計量UB與UF的臨界值為U0.05=±1.96。然后通過多年長序列降水時間突變檢驗，其中若統計量UF>0，則突變檢驗的長序列的降水量在這段時間呈現增加趨勢；若統計量UF<0，則突變檢驗的長序列的降水量在這段時間呈現減少趨勢；若UF>U0.05=1.96，則表明降水量顯著增加；若統計曲線在U0.05=±1.96之內發生交點，該交點對應的時刻便是突變點；若突變點超出U0.05顯著水平置信區間時，視為顯著突變點[13-14，16-17]。

2.3 小波分析

小波分析是從傅里葉變化基礎上發展起來的一個數學分支，在時域和頻域上都具有良好的局部性質，可以反映出氣象要素時序數據在不同時間尺度下隨時間變化的特征[18-19]。

假定有時間序列f(t)及一組有參數a，τ構成母小波Ψa，τ(t)，則：

(2)

由于f(t)與Ψa，τ(t)的卷積構成小波交換，則：

(3)

式中，a—尺度因子；τ—平移因子；Wa，τ(t)—小波系數。

通過MHF(墨西哥帽函數)對福建流域的降水時間進行小波分析，其表達式為：

Ψ(t)=(1-t2)e(-t2/2)

(4)

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

(5)

式中，w(a)—小波方差；W(a，b)—小波系數[20-23]。

3 結果分析

3.1 降水量變化趨勢分析

通過線性回歸及滑動平均趨勢變化，對福建省1961—2020年降水時間序列特征進行趨勢分析，M-K突變檢驗及線性分析進行擬合對比驗證。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，年降水量線性趨勢整體呈現出波動上升，從2a滑動平均和線性回歸結果表明：1975—1979年、2001—2003年呈現下降，年降水整體呈現增加趨勢。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年春季降水呈現下降，波動較為平緩，春季降水整體呈現下降。夏季多年平均降水量整體呈現顯著增加趨勢，降水量以1.815mm/a傾向率顯著上升，1976—1989年降水量出現緩慢的下降，1991—1997年出現明顯上升。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，秋季呈現明顯波動下降的為1961—1967年、1990—1995年、2016—2019年，整體表明秋季1961—1990年降水趨勢波動性較為明顯，1990—2020年降水波動較為平緩呈現將趨勢。冬季1986年的降水量呈現明顯的下降，其余年份的降水波動呈現出緩慢增加趨勢。

圖1 福建省多年平均和季節降水量趨勢分析

3.2 降水量特征突變分析

通過Mann-Kendall突變檢驗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，如圖2—3所示。

圖2 福建省多年平均和季節降水量M-K趨勢突變分析

從圖2(a)中年降水量統計值，曲線在1961—1973年、1978—1981年小于0，且沒有超過U0.05=-1.96，在這段時間內呈現不顯著下降。由圖2(b)、(c)春、夏季多年平均降水量突變趨勢分析可知：春季1974—2007年和夏季1961—1964年、2006—2020年M-K統計值大于0，其中春季降水量沒有超過U0.05=1.96，說明這段時間降水呈現不顯著上升，從春季M-K的統計值趨勢波動浮動分析整體呈現緩慢下降趨勢；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顯著性上升趨勢。

從圖3空間趨勢分布分析，多年平均降水量趨勢分布在長汀、連城以西區域，呈現不顯著下降。在1974—1976年、1982—2020年的Z值都大于0，沒有超過U0.05=1.96，說明在此段時間序列呈現不顯著上升。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，主要呈現不顯著上升趨勢。整體年均降水量整體呈現增加趨勢。

圖3 福建省年均降水量Z值分布圖

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

秋季降水量和冬季降水量相比，秋季降水量呈現出緩慢下降趨勢，冬季呈現出緩慢上升趨勢。其中秋季1961—1987年、1994—2020年和冬季1961—1963年、1986—1988年M-K的統計值都小于0，說明這段時期降水量呈現下降趨勢。秋季1961—1987年有5個突變點，其中1961年發生突變后，1961—1970年秋季降水量超過U0.05=-1.96臨界線水平，說明這段時間降水量呈現顯著性下降趨勢；1961—2020年秋季降水量統計量大部分為小于0，整體呈現下降趨勢；冬季1964—1980年、1991—2020年M-K統計值大于0，降水量沒有超過U0.05=1.96，說明這段時間降水呈現不顯著上升趨勢；結論與上述線性回歸相關系數結果一樣。

由秋季和冬季M-K的Z值空間趨勢分布可知，秋季降水量由北部光澤、武夷山、邵武向東部寧德、連江、福州、長樂等，Z值為-0.28～-1.11，呈現不顯著下降趨勢；東南部由崇武、晉江、南安向西部武平、長汀、連城等呈現不顯著下降趨勢。冬季降水量時空分布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。

3.3 降水量時空周期特征

采用Morlet小波分析，通過小波實部等值線圖和小波方差趨勢圖進行特征分析，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小波變換系數的實部反映了不同時間尺度下小波域內數據的波動特征，實部的正負取值交替反映了時間域內降水序列豐枯特征，小波方差則為小波系數的平方值在時間域上的積分，可以確定降水序列存在的多級主周期[24]。

由圖4(a)、(b)可知，在近60年時間尺度中，年降水量的時間尺度序列在50～61、4～8、9～15、16～24a周期變化特征，年降水量呈現正負震蕩交替變化。年降水量小波方差圖有4個周期方差峰值，其中55a為第一主周期，該周期波動震蕩最為顯著；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時間震蕩周期，在1961—1966年、1984—2000年表現為枯水年，而1967—1983年、2001—2018年表現為豐水年。

圖4 福建省年均和季節降水量周期性分析圖

由圖4(c)、(d)可知，春季降水量的時間周期序列變化為49～61、5～8、8～11、3～5a，春季降水量小波方差圖有4個周期方差峰值，其中55a為第一主周期，該周期波動震蕩最為顯著；7、10、4a分別為年均降水量第二、三、四主周期。49～61a時間震蕩周期，在1961—1966年、1985—2001年表現為枯水年，而1967—1984年、2002—2016年表現為豐水年。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時間震蕩周期，在1979—1995年呈現為枯水年，而1961—1978、1996—2014年呈現為豐水年；夏季最為明顯的周期為35、56a的時間尺度的周期特征變化，其中6、12、27a時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時間震蕩周期，在1965—1972年、1978—1985年、1991—1998年、2005—2011年呈現為枯水年，而1961—1964年、1973—1976年、1986—1990年、1999—2004年呈現為豐水年；秋季最為明顯的周期為20a的時間尺度的周期特征變化，其中7、40、57a時間震蕩周期為全域性。

由圖4(i)、(j)可知，冬季降水量有5個峰值，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時間震蕩周期，在1961—1967年、1977—1988年、1998—2008年呈現為枯水年，而1966—1976、1989—1997、2009—2016年呈現為豐水年；冬季最為明顯的周期為30a的時間尺度的周期特征變化，其中4、11、23、30、55a時間震蕩周期為全域性。從小波實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上升趨勢。

福建省年降水量由小波實部數據可知60年年均降水量呈現著上升趨勢，這與我們線性回歸以及M-K突變趨勢分析結果都呈現相同的趨勢，進而論證了年降水年季節降水量變化特征。

4 結論

1961—2020年年均降水量從2a滑動平均和線性回歸擬合可知，降水量以1.2695mm/a的傾向率呈現不顯著上升趨勢。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更為明顯。其中1986—1994年有明顯的突變，呈現顯著性下降；2019年側呈顯著性上升階段，夏季降水量整體呈現顯著性上升，冬季無明顯突變點，冬季降水量呈現不顯著上升。

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

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為枯-豐-枯-豐-枯周期變化，分析可知未來幾年降水量進入枯水年周期。