1961~2020年四川省达州市降水变化特征分析

2023-08-28宋扬熊俊松翟胜强冯三飞李安淇常亚奇

水利水电快报 2023年7期

宋扬熊俊松翟胜强冯三飞李安淇常亚奇

摘要：为研究四川盆地东部达州市城区年际及各季降水的变化趋势、突变时间及降水周期变化，利用5 a滑动平均法、Mann-Kendall突变检验法及小波分析法，分析了1961～2020年达州市城区逐月降雨资料。结果表明：① 60 a来达州市城区降水量呈弱上升趋势，降水倾向率为2.10 mm/（10 a），年降水划分为3个阶段，第一阶段降水呈弱下降趋势，第二阶段降雨呈明显下降趋势，第三阶段降水呈波动上升；春、秋和冬季降水呈下降趋势，夏季降水呈上升趋势。② 年、各季降水无明显突变点，春、夏、秋季降水UF曲线超过显著水平界线，降水下降或上升趋势明显。③ 年际和各季降水均存在较大尺度上的周期变化，第一主周期在25 a左右，存在降水的丰枯交替变化，其他时间尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

关键词：降水变化； Mann-Kendall检验法；小波分析法；达州市；四川省

中图法分类号：P426.6

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.002

文章编号：1006-0081（2023）07-0015-06

0 引言

水循环过程中，降水是最基本的环节，也是水量平衡中最基本的参数，开展水资源评价、生态环保、水资源规划等方面的研究，降水为不可或缺的因子。在对气候变化的研究中，降水在年际、年内的变化分布特征与区域水资源、洪涝灾害等方面具有重要联系。因此，研究降水变化特征对分析气候变化、水资源计算等具有重要意义，特别对于中国西南地区，降水的变化直接影响区内水资源量及自然灾害的变化［1-3］。

四川盆地东部区域主要为东部盆地丘陵及平行岭谷交汇地带，属亚热带湿润季风气候类型，区域性气候差异大，导致水资源时空分布不均，区域性水资源问题突出等问题［4］。不少学者对四川盆地降水变化特征做了大量研究，周长艳等［4］利用盆地133个气象站降水资料分析了四川省降水的变化特征及影响；邵远坤等［5］利用四川盆地1958～2000年降水资料对年降水及暴雨发生频率进行了研究；陈文秀等［6］根据旱涝及气象观测资料对20世纪四川盆地降水进行了分析。关于四川盆地的降水特征已有大量研究，但针对盆地东部城区降水特征的研究较少，如何更深入认识盆地东部城区降水变化规律，进而为区域水资源保护及规划、地质灾害防治提供理论基础，仍需要进一步研究。因此，本文利用四川盆地东部城市达州市城区60 a降水资料，采用滑动平均法、Mann-Kendall检验法及小波分析法，对达州市城区1961～2020年降水序列进行分析，为全面分析其降水变化特征及区域生态环境保护提供理论依据。

1 研究区概况

研究区地处四川盆地东部，达州市中部，地貌属川东平行岭谷，多为低山和丘陵谷地，属亚热带湿润季风气候，受地形影响，区域气候差异较大，四季分明，多年平均降水量1 224.92 mm，降水年内分配不均，主要集中在5～10月，7月最多，近年来多出现暴雨天气，导致部分区域洪涝灾害及地质灾害频发。

2 研究资料

以达州气象站1961～2020年逐年、逐月降水资料为基础，对收集的资料进行分析研究，其四季的划分为3～5月春季，6～8月夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

3 研究方法

3.1 滑动平均法

滑动平均法是沿全长N个数据，不断逐个滑动地取m个相邻数据做直接的算术平均［6-7］，计算公式为

yk=12k+1∑ki=－kxt+i（1）

式中：yk可取2，3，当k=2，为五点滑动平均法，当k=3时，为七点滑动平均法。本文采用五点滑动平均法对四川盆地东部城市达州市城区60 a降水资料进行分析。

3.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法常被用来分析气象和水文序列的突变位置，该方法不要求样本遵循一定的分布，不受异常值的干扰，为一种非参数检验法［8］。对序列进行分析计算，可分析得到序列变化趋势，并指出其突变区域。当UF＞0時，表明该统计序列呈上升趋势，反之，则为下降趋势；当UF超越临界值时，表示在0.05水平上上升或下降趋势显著；当UF和UB曲线相交，且交点在临界线之内，则交点对应的时刻为该序列突变的时刻。

3.3 小波分析

通过小波分析得出小波变换结果，其结果能够揭示降水序列中的变化尺度，并且能显示序列周期变化的时间点，反映序列在不同时间尺度上的变化趋势［9-10］。小波分析的基本思想是用一簇小波函数来表示或逼近某一信号或函数，小波函数具有震荡性，属于能够快速衰减到零的一类函数。筛选合适的小波函数，对时间序列进行分析变换，得到小波变换系数［11-12］。对于一个特定的小波函数φ（t），小波变换为

wf（a，b）=a－1/2∫∞－∞f（t）×φ（t－ba）db（2）

式中：wf（a，b）为小波变换系数；a为尺度因子；b为时间因子；f（t）为时间序列；φ（t）为小波函数。

通过小波分析得到小波的实部系数来绘制小波系数实部等值线图，小波系数实部等值线图能反映时间序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而判断序列在不同时间尺度上的变化趋势［2］。

4 结果分析

4.1 年降水特征分析

4.1.1 年降水趋势分析

通过1961～2020年达州市城区年际降水变化曲线（图1）可知，60 a达州市城区降水量呈弱上升趋势，降水倾向率为2.10 mm/（10 a），其最大降水量为1 675.6 mm（1983年），最小降水量为850.7 mm（1966年）。

采用5 a滑动法分析达州市城区60 a降雨资料（图1），年降水划分为3个阶段：第一阶段为20世纪60～70年代中期，降雨呈弱下降趋势，第二阶段为20世纪80～90年代中期，降雨呈明显下降趋势，第三阶段为21世纪初期，降雨呈波动上升，上升阶段比下降阶段降水增加12.38 mm，总体来看60 a来四川盆地东部城区年降水量波动幅度稳定，21世纪降水呈上升趋势。

4.1.2 年降水突变及周期分析

通过Mann-Kendall检验法对达州市城区60 a降雨序列进行突变检验，由图2（a）可知，达州市城区降雨序列复杂多变，突变特征不明显；整体上达州市城区降雨量呈弱上升趋势，20世纪60～70年代微弱下降，20世纪80～90年代降雨量下降明显，21世纪初呈波动上升趋势；UF曲线未超过显著性水平0.05临界线，表明达州市城区降水没有明显的增多和减少趋势。

通过小波分析对达州市城区60 a的降水序列进行周期特征分析（图2），由图2（b）可知达州市城区60 a降水量在25，13，6～10 a的时间尺度上存在周期性。降水变化的第一主周期为25 a；13 a和6～10 a为第二、三主周期。在13 a周期上，降水周期变化主要集中在20世纪60～90年代，其余时间周期性不明显；在6～10 a时间尺度上周期性相对稳定，显示出降水的短周期变化，达州市城区60 a年降水量经过少-多-少-多的变化规律。

4.2 各季降水特征分析

4.2.1 各季降水线性趋势分析

达州市处于四川盆地东部丘陵地带和平行岭谷带交汇地区，为中国南北气候的分界线，由于地形复杂，区域性差异较大，使得降水在季节上变化明显。由图3（a）春季降水曲线变化看出，春季降水整体呈下降趋势，降水倾向率为-7.18 mm/（10 a）；最大降水量发生在1963年，达到506 mm；最小降水量发生在1998年，为200 mm，相差306 mm；从5 a滑动平均曲线看出，春季降水在21世纪之前呈波动下降趋势，年均降水为305.8 mm，至21世纪初，降水呈波动上升趋势，基本与20世纪年均降水一致。由图3（b）夏季降水曲线看出，夏季降水波动幅度较大，总体呈上升趋势，降水倾向率为8.6 mm/（10 a），最大、最小降雨量相差497 mm，表明夏季出现明显的降水增大或减少现象，这也与达州市城区出现旱涝灾害一致（2004年为特大洪水年［7］）。从5 a滑动平均曲线看出，夏季降水在20世纪80年代前后出现较大幅度变化，呈现先减少后增加的趋势。由图3（c）秋季降水曲线看出，秋季降水变化幅度与夏季降水变化幅度呈现一致，均表现为大幅度变化，最大、最小降水量相差327 mm，降水倾向率为-7.37 mm/（10 a）。20世纪60～90年代秋季降水呈下降趋势，20世纪90年代至21世纪初降水呈上升趋势。从5 a滑动平均曲线看出，秋季降水呈先减少后增加的趋势，以20世纪末为分界，20世纪降水呈下降趋势，21世纪降水呈上升趋势，整体上秋季降水表现为先下降后波动上升的趋势。由图3（d）冬季降水曲线看出，60 a冬季年均降水量为53.5 mm，最大降水量为114 mm（1989年），最小降水量为16 mm（1998年），相差98 mm，整体上冬季降水出现一定的波動性，但波动幅度较小，降水表现为微弱下降趋势。从5 a滑动平均曲线看出，冬季降水表现为上升或下降交替出现，表明冬季降水出现明显的丰枯季节。

4.2.2 各季降水M-K突变分析

由图4（a）看出达州市春季降水序列无明显突变点，降水表现为先下降后上升的趋势，且UF曲线超过显著性水平0.05临界线，表明降水下降趋势明显，在20世纪之前表现为明显的下降趋势，20世纪之后表现为上升趋势，与图3（a）降水趋势分布一致。由图4（b）看出，夏季降水序列相交于多个交点，表明夏季降水无明显突变点，且整体表现上升趋势，UF曲线超过0.05临界线，表明降水有明显的上升趋势，尤其是20世纪80年代，该阶段为降水量出现显著增加，最大降雨量出现在该阶段（1983年）。80年代后期，夏季降水变化幅度不大，呈现出上升或下降交替出现，整体上，夏季降水呈上升趋势。由图4（c）看出，秋季降水在1985年以前为上升趋势，波动幅度稳定，之后降水持续下降，至2012年后出现微弱上升趋势，UF曲线超过显著水平0.05临界线，表明秋季降水下降明显，且在20世纪90年代至21世纪初呈现持续下降趋势，2010年之后，降水上升；两条曲线相交于1985年，说明秋季降水在1985年出现突变，突变前降水表现为上升趋势，突变后降水表现为下降趋势。

由图4（d）看出，冬季降水序列出现多个交点，表明冬季降水无显著突变点，在临界曲线内，UF曲线出现先上升后下降，再上升的趋势，降水出现明显的丰枯交替。

4.2.3 不同季节周期分析

图5为达州市城区各季降水周期分布图。由图5（a）可知达州市城区春季降水存在28，20，7～10 a的显著周期变化。小波方差计算可知，28 a周期振荡最强，为春季降水的第一主周期；7～10，20 a分别为春季降水的第二、第三主周期；由图5（b）看出，夏季降水序列存在24，14和5～8 a的显著周期变化，24 a为第一主周期，表现为显著的3次丰枯交替，在14 a时间尺度上表现为20世纪明显的4次周期变化，呈现多次丰枯交替，在其他时间尺度上丰枯交替不显著；由图5（c）看出，秋季降水序列存在明显的周期性，在25，15 a和8 a时间尺度上周期性显著，25 a为第一主周期，15 a为第二主周期，在不同时间尺度上，秋季降水均存在多次的丰枯交替，尤其在25 a时间尺度上，出现明显的4次丰枯交替，而在8 a时间尺度上，丰枯交替仅出现在20世纪80年代之前；由图5（d）看出，冬季降水在20 a和5～8 a时间尺度上存在显著的周期变化，其中20 a周期震荡最强，为冬季降水的第一主周期，出现明显的丰枯交替，在5～8 a时间尺度上，周期震荡较弱，无明显的丰枯交替出现。

综上可知，60 a来四川盆地东部城市达州市城区降水呈弱上升趋势，各年代降水变化幅度不大，春、秋和冬季降水呈弱下降趋势，夏季降水呈弱上升趋势，这也导致近年来达州市夏季出现降水增多，出现特大洪水年，2004，2005和2007年均是强降水频发，出现特大洪水［3］，其原因主要是在全球气候变暖背景下，在地理位置及地形地貌及人类活动的共同影响下，季节降水出现增多或减少。

5 结论

通过对四川盆地东部城市达州市城区60 a降水资料进行分析得出，60 a达州市城区降水量呈弱上升趋势，降水倾向率为2.10 mm/（10 a），年降水划分为3个阶段，第一阶段为20世纪60～70年代中期降雨呈弱下降趋势，第二阶段为20世纪80～90年代中期降雨呈明显下降趋势，第三阶段为21世纪初期呈波動上升，上升阶段比下降阶段降水增加12.38 mm，总体来看，60 a来四川盆地东部城区年降水量波动幅度稳定，21世纪降水呈上升趋势。春、秋和冬季降水呈下降趋势，降水倾向率分别为-7.18 mm/（10 a），-7.37 mm/（10 a）和-1.13 mm/（10 a），夏季降水呈上升趋势，降水倾向率为8.6 mm/（10 a）；达州市城区年际降水及各季降水序列突变特征不明显，但其在年代上降水前后差别较大；年际和各季降水均存在较大尺度上的周期变化，第一主周期在25 a左右，存在降水的丰枯交替变化，其他时间尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

基于上述分析，达州市城区降水受气候、大气环流等因素影响外，还受地形地貌的影响，其机理变化复杂。在对四川盆地东部区域降水特征研究的基础上，应进一步深入研究降水形成及影响因素。

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