1970—2019年雷州半岛降水的时空特征

2022-04-29李勤英张文萌钟谢非梁晶

广东气象 2022年2期

李勤英，张文萌，钟谢非，梁晶

（湛江市气象局，广东湛江 524001）

目前，许多学者对降水做了相关研究，蒲义良等［3］基于小时降水资料研究表明汛期降水主要以短历时为主，而前汛期短历时降水多发生在粤西；张柳红等［4］对广东暴雨洪涝灾害定量评估发现近20年广东各等级致灾暴雨过程主要发生在4至9月的汛期；黄茂栋等［5］对广东汛期降水的时空分布特征进行研究发现广东地区汛期降水存在明显的年际变化特征，汛期降水自南向北、自东到西北呈减少趋势；刘铸飘［6］基于EOF方法分析了韶关地区春季降水空间分布场的特征；杨菲等［7］利用EOF方法对江浙沪地区夏季降水的时空分布规律进行了分析；刘嘉劲等［8］研究发现汕尾地区短历时强降水具有明显的季节变化，短历时强降雨发生次数多的年降水量也大。

本研究根据雷州半岛地区6个雨量站1970—2019年的逐月降水观测资料，基于EOF分解法分析雷州半岛降水空间分布的时间系数变化规律，并运用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验以及Morlet小波分析等方法，分析雷州半岛地区50年来降水长时间序列的趋势性、突变性和周期性，较全面地描述雷州半岛地区降水时空变化规律及未来可能变化趋势，为该地区农业生产和防灾减灾等提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

雷州半岛共有廉江、遂溪、吴川、湛江、雷州和徐闻6个国家气象观测站。研究数据来自这6个国家气象观测站1970—2019年的逐月降水观测资料，其中区域平均值取雷州半岛6个国家气象观测站1970—2019年共50年的观测平均值。

1.2 研究方法

1）气候倾向率。

通常采用一元线性回归模型来描述气候要素与时间之间的变化趋势［9］，气候倾向率为气象要素每10年的变化程度。

2）经验正交函数（EOF）分解。

经验正交函数（empirical orthogonal function，EOF）是将原始数据场分解为正交的空间场和时间场，进而分析气象要素的时空分布变化特征［10］。通过EOF分解法将某一站点i在某一时间j的降水Xij表示为m个空间函数Vik和时间函数Tkj的线性组合［11］。

3）Morlet小波分析。

小波分析被广泛应用在水文和气候等研究领域，可揭示不同时间序列的降水变化周期，并能定性估计未来变化趋势［12-13］。通过Morlet小波函数对降水时间序列数据进行小波变换并计算小波系数的实部，其等值线图可以反映不同时间尺度的降水周期变化规律，小波方差图能确定降水变化的主周期［14］。

北美刺龙葵可通过种子、根茎系统、根片段进行繁殖。由于每一个根片段都可发展成为新的植株，因此其非常难控制，在玉米田和翻耕田块，农事操作可使其根系统成为一个片段，该特性可大大加速北美龙葵的传播[11]。

4）Mann-Kendall检验法。

Mann-Kendall检验法（简称M-K法）通过构造时间正序列（UF）和时间逆序列（UB）统计量曲线，进行分析气象要素的变化趋势和突变性检验［15］。当UF值大于0，表明该序列呈上升趋势；当UF值小于0，表明该序列呈下降趋势；当|UF|＞1.96，表明该序列有显著变化趋势。当UF和UB曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的年份即为突变开始时间。M-K法的优点是数据不用遵循一定的分布，且不受少数异常值的干扰，常广泛应用于气候时间序列的趋势分析和突变检验［13］。

2 结果与分析

2.1 年降水量的空间分布

图1为1970—2019年的年平均降水量分布和年均降水量变化趋势，从图1a可以看出，全市年均降水量在1 430～1 770 mm之间，空间分布不均。雷州半岛的年降水量北部偏多，多雨区主要集中于廉江，中南部和东北部偏少。从图1b可知，雷州半岛地区年降水量气候倾向率在-5.4～-0.5 mm/年之间变化。全区年降水量均呈减少趋势，其中减幅最大为雷州北部和吴川中东部地区，达到5.4 mm/年；减幅最小为徐闻、廉江东北部和湛江中部地区。

图1 雷州半岛年均降水量（a）及其倾向率（b）的空间分布

雷州半岛近50年来年降水量的EOF分解后的前两个特征向量方差贡献率分别为73%和12%。对分解后的经验正交函数进行North检验［16］，发现只有前两个特征根的误差范围不重叠，通过North显著性检验，并且累计方差贡献率接近85%，因此这两个特征根可以很好地解释雷州半岛近50年降水的两种分布类型，即全市偏丰（枯）一致型和北丰（枯）南枯（丰）型。图2a为第一特征向量的空间分布，表现为全区均呈正值分布，说明年降水量的空间分布在该模态下具有一致性，主要原因是受大尺度范围的天气系统影响，造成全市降水的丰枯整体趋于一致；中部和东北部是大值区，表明其相对于南部和西北部地区的年降水量变化率大；第一特征向量方差贡献率为73%，最具有优势地位，说明全市偏丰（枯）一致型是雷州半岛降水最主要的分布类型。图2b为第二特征向量的空间分布，其方差贡献率为12%，呈北正南负分布特征，即当北部地区降水偏多时则南部偏少，而南部地区降水偏多时则北部偏少；造成雷州半岛降水存在南北相反现象的原因主要是纬向差异和地形影响［17］。

图2 EOF分析第一（a）和第二（b）特征向量的空间分布

2.2 降水量的时间变化

1）年际变化。

从年降水量的年际变化（图3）可以看出，1970—2019年雷州半岛年降水量在1 116.1～2 394.8 mm之间变化，最小值出现在1977年，最大值出现于1985年，年均降水量为1 661.5 mm。年降水量整体呈减少的趋势，其线性趋势系数为-3.229 5，但未通过0.05显著性检验，即年降水减少趋势并不显著。由5年滑动平均曲线可以看出，1975至1990年的年降水量整体处于下降趋势，1990至1995年降水量呈上升趋势，1995年后降水量升降交替频繁。

图3 1970—2019年雷州半岛年均降水量变化趋势

2）突变。

对雷州半岛年降水量的长时间序列进行Mann-Kendall突变检验来分析其突变和变化趋势。从图4的年降水量突变检验结果可知，UF曲线在1971至1973年呈上升趋势，在1973年后呈下降趋势，并在1993、2007年超过置信水平。其中UF线和UB线相交，减少的突变发生在1975、1977和2018年；增多的突变发生在1980年。UF曲线和UB曲线整体上均未超过95%的置信度线，则说明雷州半岛近50年的年降水量变化趋势不显著。

图4 雷州半岛年降水量时间序列突变检验

3）周期。

图5为1970—2019年雷州半岛年降水量采用小波分析的方法进行周期变化分析的结果，实线为正值，代表降水增多期；虚线为负值，代表降水减少期，绝对值越大说明变化越明显。小波方差图（图5b）中相应的峰值处的时间尺度即为该序列的主要周期。从图5a可知，在10年尺度以上，出现先增后减的规律，表现为增-减4个循环交替，且到2019年降水减少的等值线即将闭合但尚未闭合，说明未来雷州半岛年降水量有可能出现先减少再增多的趋势。从图5b可知，在准8年的时间尺度上出现第一个主周期。