基于Mann-Kendall 韶关汛期降水变化趋势及突变分析

李曹明，郑 勇，黄启锋，黄观荣

（1.仁化县气象局，广东 仁化 512300；2.海珠区气象局，广东 广州 510000；3.韶关市气象局，广东 韶关 512000）

当前，全球变暖已成定局，全球的升温一定程度上导致我国极端气候事件发生频率增加，旱涝现象日趋严重.近年来，汛期时期极端降水天气频发导致严重洪涝、城乡积涝，泥石流等灾害引发人们广泛关注，众多学者也对不同地区不同汛期时段降水时空趋势变化和突变特征已进行研究.唐凯等应用气候倾向率法和Mann-Kendall 检验法对潮州市1980—2019 年降水变化特征分析发现潮州地区汛期（4—9 月）降水量在2012 年发生突变，前后汛期降水特征不同，前汛期（4—6 月）增加趋势明显，后汛期（7—9 月）表现为不明显下降趋势［1］；杨向权等则在Mann-Kendall 检验法基础上研究发现2000 年以来海南省降水量发生3次突变，分别在2002 年，2006 年和2007 年［2］；李静睿就汛期极端降水事件做了统计和突变分析，结果表明陕西省汛期（5—9 月）极端降水事件整体呈增长趋势，局部变化差异大［3］.由此可知，汛期降水变化特征研究利用Mann-kendall 检验法能很好反映气候降水突变特征，特别是针对长期气候分析效果显著.

韶关地处广东省北部，南岭山脉南麓，属中亚热带湿润性季风气候［4］.韶关年汛期跨度时间长，且又分前汛期和后汛期，前汛期降水持续性长，强降水中心地区受暴雨灾害袭击频率高，易导致内涝、山洪等次生灾害；后汛期降水由东风波等热带天气系统产生的降水，尤其是台风带来的降水，造成的局地灾害比较大［5-6］.笔者基于Mann-Kendall 检验法及前人研究韶关地区降水特征基础上对韶关市近40 年的年降水量、汛期气候降水变化趋势及突变情况进行分析，旨在了解韶关市降水变化特征，为有效应对汛期降水提供参考.

1 资料和方法

1.1 数据资料

笔者所用资料来自韶关市气象局气象资料数据库，为韶关8 个国家自动气象站1980—2019 年逐日降水数据集.根据业务规定，韶关入汛时间是依据广东从3 月1 日起，全省累计50%或以上监测站出现日降水量≥38 mm 的时间，为便于研究，按照华南常年汛期时间为4 月1 日至9 月30 日，前汛期时间为4 月1日至6 月30 日，后汛期时间为7 月1 日至9 月30 日的划分标准进行分析［7］.

1.2 研究方法

非参数Mann-Kendall 检验法广泛应用于分析降水、气温、径流等要素［8］.时间事件序列趋势分析不要求样本规律遵从一定分布，且检验结果基本不受少数异常值的干扰.笔者统计是近40 年独立、同分布降水数据序列（x1，x2，…，xn）.对一个给定的时间序列，共有n个样本量，构造一个序列Sk，即：

UFk为标准正态分布.给定显著性水平a=0.05，且|UFi|＞Ua/2，说明该时间序列xi存在显著的趋势变化.按逆序列重复以上过程，计算另一个统计量UBi，即：

若UFi≥0 表示气候量xi 呈上升趋势，反之呈下降趋势.若UFi和UBi曲线相交，且交点在上下两条临界线（即±1.96）之间，则交点即为该气候量xi的突发起始点.若UFi和UBi没有交点或他们有交点但交点在临界线之外或有交点并且交点在两条临界线之间，但在交点线后UFi和UBi都出现大于临界值得情况，那么说明气候量xi突变趋势不明显.

笔者将在Mann-Kendall 检验法基础上再通过滑动T 检验对突变点进行进一步验证，剔除干扰值.同时，应用气候倾向率的方法分析韶关市逐年降水量、前后汛期变化趋势及贡献率等.应用线性分析、数理统计等方法分析前后汛期降水日数和暴雨日数变化特征.

图1 1980—2019 年韶关年降水量逐年变化特征

2 结果分析

2.1 年降水量气候变化和空间分布特征

从1980—2019 年8 个国家气象观测站日降水量累计平均得出韶关年降水量逐年变化特征（见图1）可知，韶关年降水量在1 200～2 300 mm间，两极分化明显，年降水量在2 000 mm 以 上 有1984 年，1995 年，1997 年，2017 年，年降水量在1 300 mm 以下有1992 年，2004 年，2005 年，2010 年；结合1980—2019 年韶关前后汛期、非汛期年降水量占年降水量贡献百分比逐年变化特征（见图2）来看，年降水量以20.4 mm/10a 逐年微弱增多，各降水时期降水贡献率呈波动式变化，2004 年后前汛期有上升趋势，后汛期和非汛期有减弱趋势，除个别年份外，前汛期降水贡献率最高，占全年降水量30%～60%，最多前汛期降水量高达1 200 mm 以上，其次是非汛期，后汛期降水贡献率占比最低.

图2 1980—2019 年韶关前后汛期降水、非汛期降水贡献率情况

由1980—2019 年韶关年汛期年平均降水量、前后汛期年平均降水量空间分布特征（见图3）可以发现，韶关汛期年平均降水量呈南多北少，最大值出现在新丰，年均降水量在1 480 mm 以上，最小值出现在南雄，年均降水量在1 060 mm 以下（见图3（a））；前汛期分布特征与汛期有明显相似，各地区前汛期年平均降水量占汛期的60%～70%（见图3（b））；后汛期呈东部多，中部少，各地区年平均降水量仅占汛期的30%～40%（见图3（c））.

图3 1980—2019 年韶关汛期、前后汛期年平均降水量空间分布特征

综上所述，韶关是以前汛期（4—6 月）为主降水时期的气候特点，降水量逐年微弱增多.近年来前汛期降水增多，其他时期降水减少引起时空配置不均现象的结果与刘占明《韶关降水年内非均匀性特征分析》中韶关市大部分区域降水集中期多年平均值在6 月上旬，降水集中度、集中期均表现为上升趋势结论相似［9］.

2.2 汛期降水量气候变化特征

2.2.1 汛期降水日数和暴雨日数统计分析

在南海季风爆发前后华南前汛期韶关降水具有显著的空间差异，降水日数和强度与天气尺度（低涡、锋面、切变线）动力抬升密切相关，系统过程累计雨量大，极端降水多发，易引发地质灾害；后汛期则主要跟副热带高压位置以及登陆我国东南沿海地区的热带气旋频数有关，多雷雨大风天气［10-13］.为更好诠释韶关汛期降水量年际变化特点，表1 对各个国家站前后汛期降水日数和暴雨以上降水日数做了统计，其中当日降水量≥0.1 mm 为降水日，反之，则为无降水日；当日降水量≥0.1 mm 且降水量≥50.0 mm 为暴雨以上降水日，反之，则为非暴雨以上降水日.结合韶关气象国家观测站分布图（见图1），前汛期韶关降水日数在51～59 d 之间，降水日数最多在南部的新丰，最少在西北部的南雄；北部地区表现为减少趋势，其中仁化减少趋势最明显，以0.91 d/10a 速率减少，其次是乐昌，中南部以南除曲江外均表现为增加趋势，始兴增加趋势最明显，以0.82 d/10a 的速率增加，其余地区相对较慢；暴雨日数则是由南到北逐渐减少的规律分布特征，最多出现在新丰4.3 d，小于华南暴雨气候平均值6.4 d，中部地区和乐昌暴雨日数变化率为正，乳源增加速率最快，为0.82 d/10a，翁源减少速率最快，为0.46 d/10a，仅中部地区大于华南的0.18 d/10a 暴雨日数增长速率［12，14］.相较于前汛期，各地区后汛期降水日数少12 d 左右，各地区除乳源、始兴外降水日数变化都为负值，变化幅度较小，乳源以0.63 d/10a 速率增加，曲江以0.65 d/10a 速率减少；暴雨日数较前汛期少1～2 d 左右，变化较为不明显.

表1 韶关8 个国家站多年前后汛期年降水日数、年暴雨以上降水日数及其变化率

2.2.2 汛期降水量变化趋势突变检验

李红梅指出目前对于存在多年的尺度波动序列检验中，Mann-kendall 突变检验方法尚存在一些困难，检验结果中对应两序列的交叉点不一定能说明存在跃变的局限性［15］.故应用Mann-Kendall 方法对1980—2019 年汛期降水量、前汛期降水量与后汛期降水量时间序列做突变检验后再进行滑动t 检验，进一步筛选掉干扰值分析结果（见图4）：在40 年里，汛期降水量、前后汛期降水量大部分年份未通过a=0.05 置信度检验，仅汛期1989—1993 年，后汛期1989 年、1992 年的UF曲线超过了显著线，说明这3 个数据量整体是不显著变化的.汛期UF和UB在显著水平线a=0.05 内表现为先降低后上升趋势，2000—2010 年有7个交点、2016—2019 年有2 个交点，对比滑动t 检验（MTT 检验法）可得，在1992—1994 年超过显著性水平线b=2.10，但此区间并没有交点，即汛期降水量无突变点.

与汛期降水量变化有所不同，前汛期整体趋势是先下降，中期明显上升，后期明显下降趋势.在显著水平线内UF和UB 交点较少，共5 个，出现在2004—2008 年，2016 年，在滑动t 检验中（图略），2004—2006 年有通过检验点，可认为在2005 年是前汛期降水量突变点.后汛期降水量与前汛期降水量趋势相反，UF 和UB 交点在t 检验区域内在2003—2004 年出现交点，即后汛期降水量出现的突变点是2003 年.

图4 1980—2019 年韶关降水量Mann-kendall 曲线图

3 结论

韶关常年总降水量中前汛期（4—6 月）是全年降水集中期，占全年降水量30%～60%，其次是非汛期，后汛期降水贡献率占比最低.年降水量呈气候性不显著上升趋势，2004 年后前汛期有上升趋势，后汛期和非汛期有减弱趋势.说明该地区年降水分布不均现象变得明显.韶关前后汛期降雨日数、暴雨日数北少南多，中部有上升趋势，北部和南部有降低趋势；且相比于后汛期，前汛期降水日数多12 d 左右，暴雨以上日数降水则多1～2 d，趋势变化幅度较强.韶关汛期降水量、前汛期降水量与后汛期降水量的气候年际变化不显著，突变检验仅前汛期在2005 年出现突变，后汛期在2004 年出现突变.