1951—2013年周口地区降水时空变化特征研究

马建琴, 和鹏飞

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



1951—2013年周口地区降水时空变化特征研究

马建琴, 和鹏飞

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

为了研究区域降水的时空演变规律,根据周口地区28个雨量站1951—2013年的月降水量实测资料,利用经验正交函数(EOF)分析法、Mann-Kendall检验法及Morlet小波分析法,分析了周口地区63年来降水的空间分布、时间系数变化特征和时间序列的趋势性、突变性及周期性。结果表明,周口地区降水的空间分布有3种模式:全市丰(枯)一致型、南丰(枯)北枯(丰)型和东丰(枯)西枯(丰)型,其中全市丰(枯)一致型为周口地区降水的主要分布模式，其中1966年的全市降水偏枯和2003年的全市降水偏丰最为典型;周口地区降水量由东南向西北逐渐减小,各站点降水趋势变化不一,西南部呈下降趋势,中北部呈上升趋势,降水总体呈下降趋势;区域整体降水在1997年发生了突变,整体降水周期性变化明显,存在时间尺度为21 a的变化周期。研究结果可为周口地区的农业生产以及旱涝预警和减灾防灾提供理论支撑。

降水;变化特征；EOF分析法;Mann-Kendall检验法;Morlet小波分析法;周口地区

降水是影响区域水资源变化和旱涝等自然灾害形成的决定性因素[1-2],其时空分布特征同时对区域的经济发展及农业生产有着决定性的作用[3]。周口地区作为河南省第一农业产粮大区、国家大型商品粮及棉花生产基地,近年来,由于受气候因素的影响,该地区降水的时空分布差异较大,导致旱涝等自然灾害频发,这对周口地区的农业生产造成了严重影响。因此,研究周口地区降水的时空变化特征及其影响具有重要的现实意义。

经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分析法可以对区域内的观测站点进行时空分解,其结果具有一定的物理意义[4]。目前，这种方法已广泛应用于降水的分析研究中。如朱业玉等[5]、魏义长等[6]、崔玉娟等[7]基于EOF分析法分析了研究区域的降水空间分布特征,得到了3种降水空间分布类型和其对应的年际变化趋势规律。已有的研究结果表明,EOF分析法能够准确地分析出降水的空间分布特征,但其对降水时间序列的趋势性、突变性和周期性分析不足。本文根据周口地区28个雨量站1951—2013年的逐月降水资料,基于EOF分析法分析了周口地区降水的空间分布时间系数变化特征,运用Mann-Kendall检验法及Morlet小波分析法,分析了周口地区63年来降水时间序列的趋势性、突变性、周期性，较为全面地描述了周口地区降水的时空变化特征及未来可能的变化趋势,可为该地区的农业生产、旱涝预警以及减灾防灾等方面提供理论支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

周口地区地处河南省东南部,位于南北气候过渡带,属大陆性季风气候区,四季分明,温差较大,多年平均气温14.5～15.8 ℃,多年平均降水量为750 mm左右。根据周口地区28个雨量站1951—2013年的月降水量实测资料可知，该地区的多年平均降水量由西南至东北呈递减的趋势,降水量空间分布不均匀。其中,降水量最多的雨量站为沈丘站,其多年平均降水量达890 mm,最低位于李楼站,为630 mm,最高值与最低值相差260 mm。周口地区各雨量站的多年平均降水量如图1所示。

图1 周口地区各雨量站的多年平均降水量

1.2 研究方法

1.2.1 EOF分析法

经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分析法能将区域降水场分解为正交的空间函数(特征向量)和时间函数两部分,进而通过对空间特征向量和时间系数的估计,来揭示区域降水的时空变化特征，即降水场中任一站点i在任一时间点j的降水量xij可以看成是由p个空间特征函数vik和时间函数tkj的线性组合[8],具体可表示为:

(1)

其中p为雨量站总数,本文取28。

1.2.2 Morlet小波分析法

小波分析的原理是利用一簇小波函数逼近对象函数,从而对原始信号进行多尺度的放大,通常用于水文上反映时间序列的变化周期及不同时间尺度的变化趋势,并能定性地估计时间序列的发展趋势[9]。 降水具有连续的、多时间尺度的变化特征,由于Morlet小波的实、虚部相位差为π/2,从而可以消除小波变换中依据实部系数作为判断的不精确振荡[10],故采用Morlet小波分析法在多时间尺度上对周口地区降水时间序列的周期性规律进行研究更为精确。

Morlet小波分析法中变换系数的表达式为:

(2)

Morlet小波方差的表达式为:

(3)

1.2.3 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法(简称M-K法)是一种非参数统计检验方法,它不要求样本服从特定的分布且不受异常值干扰,计算方法较为简单,已广泛应用于气候序列的趋势性及突变性检验，其计算原理见文献[11]。

2 周口地区降水空间分布特征

为深入分析周口地区降水的空间分布特征,对周口地区28个雨量站1951—2013年的年降水量距平资料场进行EOF分解，选取前3个方差贡献率较大的特征向量作为分析周口地区降水空间分布的主要特征,3个特征向量的贡献率见表1。由表1可知,3个特征向量的累计方差贡献率达86.1%,能较好地描述该地区降水的空间变化特征。

表1 特征向量贡献率

EOF分析法中3个特征向量的空间分布类型如图2所示。由图2可知,3个特征向量分别反映了周口地区降水空间分布类型的3种模式,即全市偏丰(枯)一致型、南丰(枯)北枯(丰)型和东丰(枯)西枯(丰)型。其中,全市偏丰(枯)一致型是周口地区降水最典型的分布类型。

1)第一特征向量值在全区内呈正值分布,这说明周口地区降水在空间上为偏丰(枯)一致型分布,主要原因是受到大尺度范围内天气系统的影响,造成全区降水的丰枯趋于一致；该模态的特征向量值由东南向西北逐渐减少,即东南地区相对西北地区的年降水变化率大,丰枯都非常敏感。

2)第二特征向量的空间分布表示周口地区的降水呈南北相反的变化特点,即当南部地区降水较多时,北部较少,而北部地区降水较多时,南部较少，造成这种相反现象的原因可能与北极强冷高压及西太平洋副热带高压的位置、进退及强弱有关。

3)第三特征向量的空间分布以中部为界呈现东西反向变化的空间格局,即东丰西枯或东枯西丰；正值中心位于市区,负值中心位于沈丘，这是由于周口地区的地势由西北向东南降低,并处于气候过渡地带；但该种分布形式下的周口地区全区降水量差异性不如前两种明显。

图2 EOF分析法中3个特征向量的空间分布

3 周口地区降水时间演变规律分析

3.1 EOF时间系数分析

EOF分析法中3个特征向量的时间系数如图3所示。由图3可知,第一特征向量的时间系数几乎无增减趋势,且在研究时间范围内,时间系数为负值的年份多于正值的年份,说明降水偏少的年份多于降水偏多的年份，其中1966年的整体偏枯和2003年的整体偏丰最为典型;第二特征向量的时间系数呈上升趋势,说明南丰北枯的程度加剧,且时间系数为正值的年份少于负值的年份,即周口地区降水基本呈南多北少的趋势;第三特征向量的时间系数同样呈上升趋势,但时间系数为正值的年份个数与负值的年份个数基本相同,其中时间系数为正值的年份表示全区的降水表现为东枯西丰,而时间系数为负值的年份,降水表现为东丰西枯。

图3 EOF分析法中3个特征向量的时间系数

3.2 多年平均降水量时间序列的趋势性分析

由表2可知,周口地区28个雨量站中有15个站点的多年平均降水量呈上升趋势,但均未通过95%的显著性检验;其余13个雨量站的多年平均降水量呈下降趋势,且只有项城站通过了95%的显著性检验;从总体来看,全市多年平均降水量呈下降趋势,但趋势不明显。

表2 周口地区多年平均降水量趋势检验统计量

3.3 多年平均降水量时间序列的突变性分析

统计周口地区1951—2013年多年平均降水量时间序列突变性发生的年份情况,结果如图4所示。其中,UF为M-K突变检验中按降水时间正序计算出的统计量序列,UB为按降水时间逆序计算出的统计量序列,如果UF或UB的值大于0,则表示时间序列呈上升趋势,反之则呈下降趋势。当两曲线超过95%显著水平临界值线时,说明时间序列上升或者下降的趋势显著,且超出临界值范围的部分为时间序列发生突变的时间范围。若UF和UB曲线在上、下临界线之间出现交点,且在交点后临近的时间范围里UF或UB曲线超过了临界值线,说明时间序列在该交点对应的时刻发生了突变。

图4 周口地区多年平均降水量时间序列突变检验曲线

由图4可知,UB曲线在2002—2008年超过了95%显著水平的下临界线,说明降水序列在该时段内出现了明显的下降趋势,根据突变点的判别条件,可以确定周口地区降水发生突变的具体时间，即为1997年。

3.4 多年平均降水量时间序列的周期性分析

采用Morlet小波分析法对1951—2013年周口地区多年平均降水量进行周期性分析。Morlet小波变换系数实部等值线和Morlet小波方差分别如图5和图6所示。

由图5可以看出,1951—2013年周口地区降水时间序列有明显的周期变化,即存在以18～30 a、5～15 a、2～5 a为时间尺度的周期变化规律。其中,18～30 a的时间尺度振荡较为强烈,经历了3次丰-枯交替循环变化。降水量负等值线至2013年仍未闭合,说明在未来一段时间内降水仍将呈减少的趋势。

由图6可知,周口地区多年平均降水量的Morlet小波方差在2、9、21 a的时间尺度上均出现峰值,且21 a的时间尺度对应的方差最大。说明1951—2013年周口地区降水变化存在21 a的主周期振荡规律,反映了周口地区降水在整个时间尺度内的变化特征。

图5 Morlet小波变换系数实部等值线

图6 Morlet小波方差

4 结语

根据1951—2013年周口地区28个雨量站的月降水实测资料,利用EOF分析法、Mann-Kendall检验法及Morlet小波分析法,研究了周口地区降水的时空变化特征。主要结论为:

1)周口地区多年平均降水量空间分布主要有3种类型:全市偏丰(枯)一致型、南丰(枯)北枯(丰)型、东丰(枯)西枯(丰)型,此3种空间分布类型的累积方差贡献率达86.1%,基本反映了周口地区多年平均降水量空间分布的主要特征。全市偏丰(枯)一致型是周口地区多年平均降水量的主要空间分布特征。

2)周口地区第一特征向量对应的时间系数为负值的年份多于正值的年份,降水整体上偏少的年份多于降水偏多的年份,其中1966年的整体偏枯和2003年的整体偏丰最为典型;第二特征向量对应的时间系数呈上升趋势,南丰北枯的程度加剧;第三特征向量对应时间系数呈上升趋势,东丰西枯的程度加剧。

3)周口地区各雨量站多年平均降水量变化趋势不一,除项城站以外，其余各站点变化趋势均不显著,降水在总体上呈下降趋势。

4)周口地区多年平均降水量在1997年发生了突变,2002—2008年降水量呈显著减少的趋势。

5)周口地区多年平均降水量存在21 a左右的变化周期。降水量负等值线至2013年仍未闭合,说明在未来一段时间内降水仍将呈减少的趋势。

[1]郑新倩,李新建,杨帆,等.1961—2010年乌鲁木齐降水变化特征分析[J].干旱区资源与环境,2014,28(11):178-184.

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[5]朱业玉,顾万龙,王记芳,等.河南省汛期极端降水事件分析[J].长江流域资源与环境,2009,18(5):495-500.

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(责任编辑：张陵)

Temporal and Spatial Distribution of Precipitation in Zhoukou Area from 1951 to 2013

MA Jianqin, HE Pengfei

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In order to study the temporal and spatial evolution process of regional precipitation, based on the monthly precipitation data of 28 stations from 1951 to 2013, by using the method of empirical orthogonal function analysis, Morlet wavelet analysis and Mann-Kendall text, the precipitation in recent 63 years of Zhoukou area was analyzed at the sides of time series trends, periodicity, mutation and spatial distribution. The results show that:the spatial distribution of precipitation had three typical modes, they are the citywide consistent wet(dry)type, the southern wet(dry) and northern dry(wet) type and the eastern wet(dry) and western dry (wet) type, the citywide consistent wet(dry)type is the main precipitation distribution pattern in Zhoukou area, the most typical characterstics are the drier citywide precipitation in 1966 and the wetter citywide precipitation in 2003; The precipitation in Zhoukou area is diminishing from southeast to northwest; The mutation point of the annual precipitation variation occurred around the year of 1997, and the precipitation had a periodical features of 21 years. The results provide a theoretical basis for the agricultural production, drought and flood warning and disaster prevention and reduction.

precipitation; variation characteristics; the methods of empirical orthogonal function analysis; the method of Mann-Kendall test; the method of Morlet wavelet analysis; Zhoukou area

2016-12-09

河南省高校科技创新人才支持计划(15HASTIT046);河南省科技攻关项目(152102110095);河南省高等学校重点科研项目(15A570008)。

马建琴(1973—),女,河南郑州人,教授,博导,博士,从事水资源优化配置与水环境保护方面的研究。E-mail:393200123@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.005

TV125;P426.614

A

1002-5634(2017)02-0020-05