清远市1970—2019年降水序列变化特征分析

刘旋旋

(广东省水文局清远水文分局，广东 清远 511500)

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源[1]，而大气降水作为水循环中最重要一环，是影响流域径流和水资源可利用量变化的重要因素。虽然全国平均降水量在近百年和近60年均未见显著的趋势性变化，但1970年后发生了明显的年代际变化[2]。随着气候变化和人类活动的加剧，区域性的降水过程和特点可能已发生明显变化，因此研究降水变化特征对区域水资源利用与管理有着重要意义。

清远市位于北江中下游，境内河网水系发达，集水面积较大。区域降水不仅影响着清远市的农林业发展，也影响着珠三角地区水资源配置与利用。并且清远市多为山区性河流，降水易发生中小流域洪水，造成山洪灾害[3]。因此，对清远区域的降水特征变化研究显得十分必要。目前，针对清远地区降水过程的个例特征研究较多，但是降水时间序列变化特征方面的研究成果并不多见，曾志平[4]研究结果表明，清远连州、阳山一带的强降水呈现增加趋势，并且降水更加集中；周小云等[5]研究指出，21世纪以来清远市暴雨日数明显偏多，大暴雨及以上则相反；罗律等[6]研究表明，清远地区年暴雨量与暴雨日数呈现小幅增加趋势，自北向南年暴雨量、暴雨日数、暴雨强度等相关指标呈递减趋势。本文采用多种分析方法，对清远市1970—2019年降水序列进行分析研究，以期为区域水资源管理利用以及保障社会生产发展提供理论依据。

1 研究区域概况

清远市(23°26′～25°11′N、111°55′～113°′55E)位于广东省中北部和北江中下游，作为广东省陆地面积最大的地级市，其土地总面积为19 152 km2，约占全省陆地总面积的10.6%。清远市属亚热带季风气候，年平均气温在18.9℃～22.0℃[7]，降水资源丰富且多集中在汛期，其平均年降水量在1 631.4～2 149.3 mm，年平均降水日(日降水量≥0.1 mm)为160～173 d。辖区内水资源丰富，河流众多，主要是北江水系，其集雨面积约占全市集雨面积的 94.7%，辖区内有74条河流的集雨面积大于100 km2，其中北江、连江、潖江、滃江、滨江、烟岭河、青莲水等河流集水面积超过了1 000 km2。

2 研究方法

2.1 数据来源

站点选取为清远市6个不同市县的代表水文站点，分别为清城区清远站、佛冈县大庙峡站、清新区珠坑站、英德市英德站、阳山县阳山站以及连州市连县站，站点分布见图 1。以各站点1970—2019年降水数据资料(数据资料来自广东省水文局)作为研究对象，采用多种水文分析方法识别清远市各市县站点年降水趋势特征、突变情况以及周期特征。

图1 研究站点分布

2.2 分析方法

2.2.1趋势分析

本文采用五点滑动平均、线性回归以及Mann-Kendall非参数检验法对降水数据序列进行趋势分析。对于Mann-Kendall非参数检验，以清远站年降水序列为例，假定其年降水序列x1,x2,…,xn为相互独立且随机变量同分布的样本，构造统计量S[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中 1≤j

假设清远站年降水序列无趋势，在给定显著水平α后，如果|Z|≥Z1-1/α，则拒绝原假设，即清远站年降水序列存在显著趋势，统计量Z>0表示增加趋势，统计量Z<0表示下降趋势。

2.2.2突变分析

Mann-Kendall检验法用于突变检验，仍以清远站年降水序列x1,x2,…,xn为例，构造统计量dk[9]：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中mi——xi>xj(1≤j≤i≤n)的累计数；E(dk)、D(dk)——dk的均值和方差。

将dk标准化得到UFk(UF1=0)。将x1,x2,…,xn反向排列，重复上面过程，得到统计量UBk=-UFk′，k′=n,n-1，…,1。若UFk、UBk2条曲线在显著水平临界线之间相交，那么交点对应时间则为可能发生突变的时间。

2.2.3周期分析

对数据序列的时间周期分析采用Morlet小波分析，对数据序列做连续小波变换，其小波函数及连续小波变换如下[10]：

(9)

(10)

式中Wf(a,b)——小波变化系数；a——尺度因子；b——平移因子。

在时间域上对Wf(a,b)的平方值进行积分计算，即可得到小波方差，小波方差可以很好地反映降水序列能量波动随尺度a的分布情况。

(11)

式中 Var(a)——小波方差。

将小波方差与时间尺度a之间的对应关系称为小波方差图，可以通过小波方差图中的数据峰值来确定降水序列的主要时间尺度，即主周期[11]。

3 结果分析

3.1 年降水趋势分析

通过M-K趋势检验，得到各站点年降水量的统计量Z，见表1。通过表 1可知，清远站与珠坑站Z值小于0，另外4个站点Z值大于0，表明从1970—2019年，清远站与珠坑站年降水量整体呈现减少趋势，大庙峡站、英德站、阳山站以及连县站呈现增加趋势。取显著水平α=5%,|Z|

表1 1970—2019年6个站点M-K趋势检验结果

根据图2，清远站年降水量1980—1990年明显减少，1990—2005年先增加后小幅减少，2005年以后表现为弱的增加趋势；大庙峡站年降水量1975—1990年整体呈现弱的减少趋势，但年际之间波动较大，而2005年后有显著的增加趋势，2015年后有减少趋势呈现；珠坑站年降水量在1970—1990年与1990—2005年都呈现先增加后减少趋势，2005年后有明显增加趋势；英德站1975—1990年呈现下降趋势，1990—2005年表现为先上升后下降的趋势，2005年后上升趋势明显，2015年后有减少趋势；阳山站1975—1990年呈现下降趋势，1990—2010年表现为先上升后下降的趋势，2010年后上升趋势显著；连县站1975—1990年呈现下降趋势，1990—2005年呈现先上升后弱势下降，2005年后整体上升趋势明显。综合各站点的整体趋势变化可得，研究站点的年降水量在1970—1975年表现为增加趋势，1975—1990年间呈现程度不同的减少趋势，1990—2005年大致呈现增加后减少的趋势，2005—2015年表现为明显的增加趋势。各站点近50年的年降水序列中，存在3个峰值，分别在20世纪70年代中期、90年代中期以及21世纪10年代中期，即峰值间隔约20 a，而段长春[12]研究表明太阳活动与夏季中高层大气环流变化联系紧密，并且存在明显的年代际变化特征，太阳流量特征时间尺度分别约为11、22 a。因此清远市降水序列趋势变化可能与太阳活动以及大气环流风场相关。基于以上的降水趋势分析，判段2015年后清远地区年降水大致呈现减少趋势。

b)大庙峡站

c)珠坑站

d)英德站

e)阳山站

f)连县站

3.2 年降水量突变分析

通过对6个代表站点年降水序列进行突变检验，其统计量UF和UB结果见图 3，其中横坐标表示年份，纵坐标表示UF、UB统计量。

b)大庙峡站

c)珠坑站

d)英德站

e)阳山站

f)连县站

结合图 2中各站点年降水量的趋势变化和图 3中各站点UF和UB统计量在置信区间内的交点情况分析，判断各站点年降水序列发生突变的大致年份见表 2。其中清远站在1975年后年降水量为减少趋势，判断在1975左右发生下降突变；大庙峡站与连县站在2013—2019年间出现多个交点，结合这两个站点年降水量在2015年前后的趋势变化分析，判断大庙峡站与连县站在2015年左右发生下降突变；珠坑站在1982年左右发生下降突变；英德站在1975年左右发生下降突变，2018年左右可能发生第二次突变；阳山站分别在1973和2015年左右发生下降突变。

表2 各站点突变发生时间

3.3 年降水量周期性分析

Morlet小波为复数小波，其实部反映了不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相信息[13]。应用Matlab和Surfer软件绘制6个代表站点的小波系数实部等值线图(图 4)，该图能够反映不同时间尺度下降水时间序列的周期变化及其分布情况，以此分析降水序列在不同时间尺度下的变化特征[14]。其中横坐标为年份，纵坐标为时间尺度年；图中实线部分表示小波系数实部值大于0(粗线为0值)，即正位相，表示降水偏多的丰水期，虚线表示小波系数实部值小于0，即负位相，表示站点处于降水偏少的枯水期。

通过年降水序列Morlet小波变换实部的时频变化图(图 4)，可以清楚的看出各站点降水序列的时间尺度变化、突变点分布及其位相结构特征[15]。整体来说，各站点年降水序列存在3类较明显的时间尺度周期变化规律。清远站分别为17～25、8～15、3～7 a，其中在17～25 a和8～15 a尺度上分别出现了正负相位交替的准4次和6次震荡，而3～7 a尺度的周期变化，在1975年以后表现的相对稳定；大庙峡站分别为20～30、12～19、4～10 a，其中20～30 a和12～19 a尺度上分别出现了枯、丰交替的准3次和准5次震荡，而且过程表现稳定，具有全局性；珠坑站分别为23～29、17～22、5～10 a，其中23～29 a和17～22 a尺度上出现枯、丰交替的准3次和准4次震荡；英德站分别为18～24、10～17、4～8 a，其中18～24 a和10～17 a尺度上分别出现了枯、丰交替的准4次和5次震荡，而4～8 a尺度的周期变化，在1980年以后表现的相对稳定；阳山站分别为18～25、12～17、4～8 a，其中在18～25 a和12～17 a尺度上分别出现了准4次和5次震荡；连县站分别为23～28、12～18、4～8 a，其中23～28 a和12～18 a尺度上分别出现了枯、丰交替的准3次和5次震荡。

b)大庙峡站

c)珠坑站

d)英德站

e)阳山站

f)连县站

小波方差图反映了降水时间序列的波动能量和时间尺度a之间的对应关系，并以此确定原降水序列的主周期[16]。将清远市的6个代表站点的小波方差图绘制出来，见图 5。基于各站点小波方差图的数据峰值可知，清远市6个代表水文站点大致存在3～4个峰值，即3～4个主周期，各个站点具体的时间尺度峰值见表 3。

图5 各站点小波方差

通过表 3可知，清远站、珠坑站以及连县站有4个主周期，其第一主周期分别对应着22、22、15 a的时间尺度，第二主周期分别对应着12、9、7 a的时间尺度，第四主周期分别对应着3、3、11 a的时间尺度；大庙峡站、英德站以及阳山站只有3个主周期，其第一主周期分别对应着28、15、15 a的时间尺度，第二主周期则对应着7、22、22 a的时间尺度，第三主周期分别对应着15、7、7 a的时间尺度。通过对该6个站点时间尺度周期的整体分析，清远地区年降水序列的第一、第二主周期一般在22 a左右或者15 a左右，这与趋势分析结论大致吻合，而第三、第四主周期一般在3 a或7 a左右。

表3 6个站点时间尺度峰值 单位：a

4 结论

基于清远市6个代表站点1970—2019年降水资料，采用线性回归方程法、5年滑动平均法、Mann-Kendall检验法以及Morlet小波分析法等多种分析方法，研究了清远市各市县年降水趋势变化、突变情况以及周期特征。研究结果如下。

a)清远站与珠坑站年降水量整体呈现减少趋势，而大庙峡站、英德站、阳山站以及连县站呈现增加趋势，但整体增加或者减少的趋势不显著。综合各站点整体趋势特征，清远市各市县代表站点的年降水量在1975—1990年呈现程度不同的减少趋势，1990—2005年大致呈现先增加后减少的趋势，2005—2015年呈现明显增加趋势。

a)清远站

a)清远站

a)清远站

b)各站点发生的突变均为下降突变，清远站和英德站突变发生在1975年左右；大庙峡站和连县站突变发生在2015年左右；珠坑站突变发生在1982年左右，阳山站发生了2次突变，分别在1973年左右以及2015年左右。

c)通过周期分析，清远市各市县代表站点的降水序列存在3类较明显的尺度周期变化规律，并且有着较为明显的丰枯交替特征。各站点降水主周期有3～4个，清远地区年降水序列的第一、第二主周期一般在22 a左右或者15 a左右，而第三、第四主周期一般在3 a左右或者7 a左右。

d)结合各站点年降水序列变化特征分析，清远市各站点大约每隔20 a会出现一个年降水量峰值，即存在一个丰枯交替约20 a年的周期，2015年可能是一个下降突变点，即在2015年后年降水由增加变为减少，目前清远地区处于降水偏少期。