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

浙江水利科技 2017年3期

关键词：龙游县检验法时间尺度

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