区域降雨变化趋势及规律分析—以龙游县为例
2017-06-05钱子立徐晓军汪少君
钱子立,赵 林,徐晓军,汪少君
(1.中国海洋大学工程学院,山东 青岛 266100;2.浙江省龙游县水利局,浙江 龙游 324400)
区域降雨变化趋势及规律分析—以龙游县为例
钱子立1,赵 林1,徐晓军2,汪少君2
(1.中国海洋大学工程学院,山东 青岛 266100;2.浙江省龙游县水利局,浙江 龙游 324400)
由全球变暖引起的环境变化会导致区域水资源的变异,识别处理这些变异对于区域水资源管理至关重要。为研究区域水文要素变化趋势及规律,采用Mann - Kendall检验法以及小波分析方法对近60 a降雨资料进行分析,确定了趋势变化、周期变化以及突变时间,识别了未来龙游县气候变化趋势。
降雨;变化趋势;MK检验法;小波变换
1 问题的提出
近年来,诸多专家学者对气候变化下水文要素的影响进行了分析与研究。郝春沣[1]等对海河流域近50 a气候要素进行趋势检验、突变点检验以及小波分析,研究探讨未来海河流域气候变化趋势。刘敏[2]等采用Mann - Kendall检验法和滑动t检验法对海河流域近50 a来水文要素的变化趋势及变异年份进行了分析与讨论。邵晓梅[3]等采用墨西哥帽小波函数对黄河流域近40 a来降雨的季节变化和年际变化时间序列,确定了不同时间尺度下降雨序列变化的周期和突变点。
本文采用Mann - Kenda ll检验法、小波分析方法对龙游县近60 a来气候趋势变化、周期变化以及突变现象进行分析,识别未来龙游县气候变化趋势,为该区域水资源规划设计提供参考。
2 资料和研究方法
2.1 资料及研究区域
龙游县位于北纬28°44′ ~ 29°17′,东经119°02′ ~119°20′,地处金衢盆地中部,属于衢江流域。该县东接金华,西连衢江区,南邻遂昌,北交建德,总面积1 138.72 km2,其中山地占60.0 %,农田占30.0 %,水域占5.0 %,道路村庄占5.0 %。地势南高、北矮、中低,呈马鞍形。区域属亚热带季风气候区,多年平均降雨量1 618.6 mm,年际分布不均,年降雨量最多达2 321.7 mm,最小达1 011.1 mm;年间分布不均,4 — 6月降雨量占全年的45.2 %,常发生洪涝灾害,7 — 9月降雨量占全年的20.1 %,常发生干旱灾害。
研究数据来源于龙游县虎头山水文站月降水资料,时段为1951 — 2008年。
2.2 研究方法
水文序列一般由2种或2种以上成分合成,成分主要分为确定性和随机性2类[4]。水文序列分析主要是针对确定性非周期成分中的跳跃、趋势成分以及随机性成分中的平稳独立成分的分析。
2.2.1 Mann - Kendall检验方法
由于Mann - Kendall检验法有无需假定数据特殊分布的特点,是世界气象组织推荐处理非参数检验问题的方法,广泛适用于分析降雨、径流和蒸发等要素时间序列的变化情况[5]。
Mann - Kendall检验法能检验序列突变,定义统计变量为:
将时间序列x按降序排列,再按上式计算,同时满足UBk= - UFk′且k ′ = n + 1 - k(k = 1,2,... n)。通过分析统计序列UFk和UBk,不仅能分析序列x的趋势变化,还能识别突变时间,指明突变区域。若UF>0,表示序列呈上升趋势;UF<0则表示序列呈下降趋势;当它们超过临界直线时,表明上升或下降趋势显著。若UFk和UBk曲线出现交点,且交点位于临界直线之间,则交点所对应的时刻即为突变开始时刻。间因子,反映时间上的平移;Wf(a,b)称为小波变换系数。由于水文时间序列往往是离散的,即f(t)= f(kΔt)(k = 1,2,…,n;Δt为取样时间间隔),则f(t)的离散形式为:
通过增加或减小伸缩尺度a来改变信号窗口大小进而得到信号的低频或高频信息,分析信号的细节,识别水文系统多时间尺度演变特征和突变特征。
3 结果分析
1951 — 2008年的降雨变化趋势见图1。
图1 降雨变化趋势图
由图1(a)可知,年降雨量呈下降趋势,下降斜率达- 2.82,其中1951 — 1955,1973 — 1977,1991年以后的年降雨量较大且大于均值,属于丰水年,1956 — 1972,1978 — 1990年年降雨较小且小于均值,属枯水年。由图1(b)可知,汛期降雨量呈下降趋势,下降斜率达- 2.79,其中1951 — 1962,1973 — 1977,1987 — 2002年汛期降雨量较大且大于均值,雨量充沛,1962 — 1972,1978 — 1986,2005年以后汛期降雨较小且小于均值,雨量贫乏。
3.1 趋势分析
采用Kendall秩次相关检测法,对近50多年年降水量和汛期降水量进行趋势分析,结果见表1。
表1 1951—2008年降雨趋势诊断表
由表1可知,全年年降雨量Kendall秩次相关检验统计值|u|>1.64,表明u的绝对值通过了信度95%的显著性检验,其变化趋势显著,且呈下降趋势;汛期降雨量Kendall秩次相关检验统计值|u|<1.64,且|u|>1.28,表明u的绝对值通过了信度90%的显著性检验,但未通过信度95%的显著性检验,其变化趋势明显,也呈下降趋势。
3.2 突变/跳跃分析
采用Mann - Kendall检验法对龙游县58 a年降雨和汛期降雨系列进行突变分析,并用置信水平α = 0.05判别变化趋势,评价等级见表2,Mann - Kendall突变检验结果见图2。
表2 变化趋势评价表
图2 Mann-Kendall突变检验结果图
由图2(a)可知,年降雨整体呈先增后减趋势,1951 —1955年年降雨UF曲线高于0,但未超出置信水平α = 0.05,年降雨不显著增加;1956 — 2008年年降雨UF曲线始终小于0,且部分年份超出置信水平α = 0.05,年降雨显著减少。由图2(b)可知,年降雨整体呈先增后减趋势,1951 — 1956年,汛期降雨UF曲线大于0,但未超出置信水平α = 0.05,汛期降雨不显著增加;1957 — 2008年汛期降雨,UF曲线始终小于0,且1980 — 1990年超出置信水平α = 0.05,年降雨显著减少。通过对比年降雨与汛期降雨MK统计值图,发现两者趋势整体相近,均呈现下降趋势,尤其1980 — 1990年汛期降雨远超95%置信区间,较同期全年降雨量大。汛期降雨受季节性气候影响剧烈,雨量主要集中在某几场暴雨中,暴雨是一种短历时高强度降雨,导致雨量极易暴涨暴跌,致使变化趋势显著,而全年降雨可通过自身年内调节,缓解下降趋势。
采用Mann - Kendall检测法,对近50多年年降水量和汛期降水量进行跳跃分析,结果见表3。并由图2(a)可知,年降雨存在3个变异点,变异点位于1956,1988及2004年,其中变异点1988年较为特殊,UF曲线与UB曲线交点超出临界直线,变异点后年降雨趋势由显著减少变为不显著减少。由图2(b)可知,汛期降雨存在4个变异点,变异点位于1960,1962,1992和2002年。
表3 1951—2008年降雨跳跃/突变变异诊断表
3.3 周期分析
此次采用Morlet小波,属于复数小波,其小波变换的模和实部是2个重要变量。模的大小表示特征时间尺度信号的强弱,实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和相位2方面信息[6]。
图3为小波变换的模平方时频分布图。由图3(a)可知,年降雨25 ~ 32 a时间尺度变化较强,主要发生在20世纪50年代初至80年代末,震荡中心在1954年;10 ~ 15 a时间尺度在1970 — 1988,1990 — 2008年期间变化明显;其余时间尺度变化不明显。由图3(b)可知,汛期降雨25 ~ 32 a时间尺度变化较强,同样主要发生在20世纪50年代初至80年代末,震荡中心在1954年;10 ~ 15 a时间尺度在2000 — 2008年期间变化明显,2 ~ 10 a时间尺度在1951 — 1955,1985 — 2005年期间变化明显;其余时间尺度变化不明显。
图3 小波变换的模平方时频分布图
图4 为小波方差图。根据图4可知,年降雨系列存在6,13,29 a周期,其中主要周期是29 a;汛期降雨存在3,5,8,13,29 a周期,其中主要周期是29 a。通过对比,发现年降雨与汛期降雨有相同的主周期,汛期降雨在短期内存在多个峰值,年降雨在短期内存在单峰,说明汛期降雨与年降雨的变化周期相似。小于0;突变点为1956,1968,1979,1987,1995年及2003年。
图4 小波方差图
图5 小波变换的实部时频分布图
图6 为不同时间尺度下的小波变换系数变化过程图。图6(a)给出了29 a时间尺度的小波变换系数变化过程,存在4.0个丰枯变化期,20世纪50年代以后29 a尺度降水量偏少。图6(b)给出了13 a时间尺度的小波变换系数变化过程,存在7.5个丰枯变化期,能发现20世纪50 — 60年代11 a时间尺度中降雨有减少趋势,而70年代后11 a时间尺度中降雨有增加趋势。通过对比,两者具有相同的变化周期,且幅值相近。
图5为小波变换的实部时频分布图。由图5(a)所示,各时间尺度中29 a对应周期最为明显,相应年降雨序列由3.0个枯水期和4.0个丰水期组成,1956年以前、1967 —1978年、1987 — 1997年及2004年以后属于丰水期,其相位大于0;1956 — 1967,1978 — 1987,1997 — 2004年属于枯水期,其相位小于0;突变点为1956,1967,1978,1987,2004年。由图5(b)所示,各时间尺度中29 a对应周期最为明显,相应汛期降雨序列由3.0个枯水期和4.0个丰水期组成,1956年以前、1968 — 1979,1987 — 1995年及2003年以后属于丰水期,其相位大于0;1956 —1968,1979 — 1987,1995 — 2003年属于枯水期,其相位
图6 不同时间尺度下的小波变换系数变化过程图
4 结 语
(1)近60 a来龙游县降雨量呈下降趋势,经Kendall秩次相关检验,年降雨和汛期降雨下降趋势均明显;
(2)龙游县降雨量多年发生突变,经Mann - Kendall检验法分析,年降雨1956,1988及2004年发生突变,汛期降雨1960,1962,1992以及2002年发生突变;
(3)龙游县年降雨序列与汛期序列变化周期相似,其中主周期相同,分别是13,29 a;
(4)年降雨序列与汛期降雨序列拥有相同的丰枯期,29 a时间尺度下雨量降少,13 a时间尺度下雨量呈先减后增。
[1] 郝春沣,贾仰文,龚家国,等.海河流域近50年气候变化特征及规律分析[J].中国水利水电科学研究院学报,2010,8(1):39 - 43.
[2] 刘敏,沈彦俊.海河流域近50年水文要素变化分析[J].水文,
2010,30(6):74 - 77.
[3] 邵晓梅,许月卿,严昌荣.黄河流域降水序列变化的小波分析[J].北京大学学报(自然科学版),2006,42(4):503 - 509. [4] 丁晶,刘权授.随机水文学[M].北京:中国水利水电出版社,1997:15 - 16.
[5] 谢平.变化环境下区域水资源变异问题研究[M].北京:科学出版社,2012:39 - 50.
[6] 王文圣.水文小波分析[M].北京:化学工业出版社,2005:115 - 120.
(责任编辑 黄 超)
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1008 - 701X(2017)03 - 0017 - 05
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2016-05-24
钱子立(1991 - ),男,硕士,主要从事水文水资源研究。E - mail:ziliqianouc@foxmail.com