广西沿海城市近65年降水演变特征及归因分析

魏 炜，李程程，莫崇勋，申鹏杨

（1.广西交通职业技术学院,南宁 530023；2.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004）

降水是重要的水文要素之一，其变化情况直接影响着区域水资源量的变化及洪涝干旱灾害的发生。对降水变化特征的研究分析，有利于科学地开发、利用和管理水资源，具有十分重要的现实意义。因此，广大水利学者对区域降水变化特征开展了广泛的研究，如刘建卫[1]利用太子河流域19 个雨量站50 a 逐日降雨资料，采用数理统计和GIS 空间分析技术，对太子河流域的降水量变化趋势、演变过程进行了细致研究。张利平和夏军[2]利用华北地区25个测站的长期年降水量资料，采用多种方法研究表明华北地区降水存在周期性和突变性；黄晚华[3]利用中国南方15 个省（市、区）的气象台站降水资料，选择标准化降水指数（SPI）作为干旱指标，分析了南方地区58 a 间降水演变特征和发生规律；徐宗学[4]利用深圳市1979-2015 年降水量数据，采用Mann-Kendall 检验法、Morlet 复小波分析法并结合极端降水指标，分析了深圳市近36 a的降水量时空演变特征；宋晓猛[5]基于北京暴雨图集中的6种历时暴雨数据和45个雨量站点汛期逐日降水观测资料，选择年最大值法和百分位阈值法，评估变化环境下北京地区降水结构变化和极值演变特征。目前，在区域降水演变特征的研究已取得众多成果，但是很少有成果针对沿海城市降水演变特征规律进行研究。沿海城市的降水由于受海洋影响较大，相对于内陆城市降水具有明显不同，故针对沿海城市降水演变特征的研究，就显得十分必要。广西拥有大陆海岸线长约1595 km，因此，本文选择广西区内两座典型的沿海城市北海和钦州为例，对比分析北海和钦州近65 a的降水演变特征及其内在原因，以期为沿海城市水资源合理规划与科学管理提供参考依据。

1 区域概况和数据来源

本次研究对象是钦州、北海两座城市的降水量。钦州南临狭长的钦州湾，北海南、北、西三面环海，都具有鲜明的海滨城市特征，都是广西典型的沿海城市。钦州市南临北部湾，西北靠十万大山，主要受海洋气候影响，也受大陆气团影响，海洋性气候明显。北海气候属季风型海洋性气候，冬无严寒，夏无酷暑。

本次研究数据来源于中国国家气象数据网（https：//data.cma.cn/）中全国气象站逐日降水量数据（PRE-13011），提取了钦州气象站和北海气象站1953-2017 年共65 a 逐日降水数据，再累计年降水量作为本次研究的基础数据。钦州、北海气象站海拔分别为5.8、14 m，地理位置分布示意图见图1。

图1 钦州、北海气象站气象站分布示意图

2 研究方法

为了准确地分析钦州和北海近65 a 的降水演变规律，本次研究采用Morlet 复小波分析法[6，7]计算降水的周期性，绘制小波系数实部等值线图、小波系数模值等值线图、小波系数方差曲线图，综合分析降水序列在时间尺度上的周期性变化规律；采用Mann-Kendall 检验法[8～10]分析降水的突变性，绘制降水正序列UF统计量和逆序列UB统计量曲线图，观察两者在置信区间的交点以判定序列的突变点；采用线性拟合法研究降水总体趋势变化，利用重标极差（R/S）分析方法[11]计算降水序列的hurst 指数，分析未来的变化趋势。

3 结果与分析

3.1 降水周期性

基于钦州气象站和北海气象站1953-2017年共65 a 年降水序列数据，计算降雨序列Morlet 复小波系数，绘制小波系数实部等值线图、小波系数模值等值线图、小波系数方差曲线图。小波系数实部等值线图可以直观的观察降水序列在时频上的分布情况；小波系数模值等值线图可以直观展示不同周期的震荡能量强度，以反映降水序列的周期性显著程度；小波系数方差反映对应周期的波动能量。钦州气象站降水序列小波分析结果图见图2，北海气象站降水序列小波分析结果图见图3。

由图2（a）小波系数实部等值线图可以看出，钦州降水序列存在着多个时间尺度的周期性变化规律，比较明显的时间尺度中心有5、10、24、35、56 a；由图2（b）小波系数模等值线图可以看出6～12 a、18～30 a、40～62 a时间尺度范围周期性较显著；由图2（c）小波方差曲线图可以看出存在两个比较明显的峰值，分别对应在时间尺度56、24 a。综合分析可得，钦州降水序列第一主周期为56 a，第二主周期为24 a。

图2 钦州小波分析结果图

图3 北海小波分析结果图

由图3（a）小波系数实部等值线图可以看出，北海降水序列也存在着多个时间尺度的周期性变化规律，比较明显的时间尺度中心有5、10、20、35、57 a；由图3（b）小波系数模等值线图可以看出6～12 a、30～40 a、50～62 a时间尺度范围周期性较显著；由图3（c）小波方差曲线图可以看出存在3个比较明显的峰值，分别对应在时间尺度57、35、10 a，且第二与第三峰值相差不大。综合分析可得，北海降水序列第一主周期为57 a、第二主周期为35 a、第三主周期为10 a。

3.2 降水突变性

基于钦州气象站和北海气象站1953-2017年共65 a年降水序列数据，计算UF和UB统计量，选择置信水平a0=0.05对应正态分布置信区间临界值T=±1.96，并绘制两个统计量的曲线图，见图4、图5。

图4 钦州降水序列突变分析图

图5 北海降水序列突变分析图

由图4、图5 可知，钦州和北海降水量序列UF、UB曲线分别在1953年、1956年相交，处于序列开始端年份范围的5%以内，考虑数据序列的边缘误差，可以认为两个气象站近65 a 的降水序列没有发生根本性的突变。

3.3 降水趋势性

基于钦州气象站和北海气象站1953-2017年共65 a 降水序列数据系列进行线性拟合，绘制拟合趋势线分别见图6、图7。

图6 钦州降水序列趋势分析图

图7 北海降水序列趋势分析图

由图6 可知，钦州降水序列近65 a 年平均降水量为2159 mm，降水量总体呈微弱上升趋势，上升幅度为4.3 mm/a，占多年平均降水量的0.2%；由图7可知，北海降水序列近65 a年平均降水量为1750 mm，降水量总体也呈微弱上升趋势，上升幅度为6.6 mm/a，占多年平均降水量的0.38%。

利用重标极差（R/S）分析方法计算钦州、北海两个气象站降水序列的hurst 指数，结果分别为0.51、0.55，表明两个气象站未来变化趋势仍将呈微弱上升趋势，但年际降水会出现较大的持续波动。

4 归因讨论

4.1 周期性变化特点原因

根据周期性分析，钦州、北海两个气象站近65 a降水序列第一主周期在时间尺度上具有相似性，但是第二主周期存在一定的差异性，两个气象站小波方差曲线对比分析图见图8。

图8 钦州、北海气象站降水序列小波方差曲线对比图

由图8可知，钦州、北海降水序列小波曲线波动起伏形状基本相似，但起伏大小和对应时间尺度上有差异。北海降水序列的小波方差曲线存在3个能量峰值，且3个能量峰值相差不多，这主要是北海属于半岛的地理特性，其东、西、南三面临海，且内陆地貌少高山，降水主要受3 个不同方向的海洋季风影响；钦州的小波方差能量峰值主要有两个，且两者相差较大。这主要是钦州地理上南临北部湾，西北靠十万大山，导致其降水既受海洋气候影响，也受大陆气团影响。其方差最大峰值与北海序列小波方差最大峰值一致，说明钦州的降水主要受海洋性气候影响。

4.2 突变性特点原因

钦州、北海两个气象站降水序列近65 a几乎没有发生根本性突变，且两者的hurst指数计算结果也表明，降水序列变异程度非常微小。这主要是由于两座城市的气候都主要受海洋性气候影响，降水量年际间变化不大，年平均降水量比大陆性气候多，而且季节分配比较均匀。

4.3 趋势性特点原因

根据趋势性分析，钦州、北海气象站降水变化趋势基本相同，绘制钦州、北海降水序列对比图见图9。

图9 钦州、北海降水序列对比图

由图9可知，钦州、北海降水序列波动形态基本一致，这说明两者的降水成因是一致的。由于钦州西北有十万大山的阻碍，降水气团在钦州境内停留时间相对更久，因此年降雨量钦州比北海多。

5 结论

（1）广西典型沿海城市钦州、北海近65 a 降水序列都存在着多尺度周期性变化规律。钦州由于受海洋气候和大陆气团的双重影响，主要存在两个时间尺度相差较大的周期；北海由于三面环海，存在着3个时间尺度相差不大的周期。

（2）钦州、北海近65 a 降水序列均呈微弱上升趋势，都没有发生实质性的突变，年际降水均匀且稳定。