近60年福建地区降水及时空演变特征研究

杨士力，王化儒，尹双星

(华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州 450046)

0 引言

降水是气候变化特征中重要的气候要素，降水的时空分布特征和趋势变化对引导人们科学地实践生产具有重要意义[1-2]。降水的时空分配不均匀对农业生产、防汛抗旱、人类生活等各个方面均有重要影响，在时空上过于集中，容易导致局部地区洪涝灾害频率，其格局的改变对水资源规划与管理会产生直接的影响[3-4]。查显宝等[5]系统分析了安徽省近60年降水变化趋势以及时空分布特征，降水呈现自北向南递增变化，降水日呈减少趋势，中、小降水日显著减少，大雨和暴雨的降水日呈增加趋势。邹槟骏等[6]指出了乐山地区降水时空分布差异较大，存在两极分化的特点，降水与经纬度、海拔高度等地形影响因子显著相关。徐碧裕等[7]指出广东地区近50年汛期和非汛期降水量可分为多种类型，降水的主要周期和周期变化特征也各不相同。郑腾飞等[8]指出了随着降水的划分等级，研究发现变化特征相同的是小雨和中雨呈现减少，其中大雨呈现上升趋势。研究降水量的时空周期演变特征，探寻其潜在变化规律，是为了预测未来降水变化趋势、改善水资源管理策略和加强气象灾害预警而具有重要意义[9-10]。因此，深入了解降水量变化的规律以及探究其对水资源、气候变化和生态研究的影响，对于未来的气候变化和水资源管理具有重要影响。本文以福建省为研究对象，分析1961—2020年的月降水数据资料，为季节降水和年均降水变化趋势和空间分布提供参考依据。

1 项目概况

1.1 研究概况

福建省位于我国东南沿海，东临辽阔的太平洋，兼受大陆与海洋的剧烈影响，纬度处温、热带的过渡地带，干湿与盛行风向因季节而异，是典型的亚热带季风气候[11-12]。年均降水量为1567mm，其中春季689mm、夏季791mm、秋季302mm、冬季215mm，夏季降水量与春季降水量的空间分布特点是从西南向东北方向呈现递增变化。

1.2 数据来源

本研究选取1961—2020年福建年均降水数据，数据来源于国家青藏高原科学数据中心(https：//data.tpdc.ac.cn/home)。地形数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)，分辨率为30m。春、夏、秋、冬季节常规分为3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月，并选取福建省内的69个气象站点进行特征分析。

2 研究方法

2.1 线性回归

假定一个样本时间序列为x1，x2，…，xn，其对应的时序值为t1，t2，…，tn，建立一元线性回归方程：

xi=a+bti+εi(i=1，2，…，n)

(1)

式中，a—常数；b—趋势系数；εi—随机误差项。

t对应的是降水量时间，若b>0时，说明x与t呈正相关关系，降水量随时间增长而增大；若b<0时，说明x与t呈负相关关系，降水量随时间增大而减小；若b=0，则说明x与t无相关关系，方程为一条平行于横坐标的直线[13-14]。

2.2 突变分析

Mann—Kendall突变检验法是用于检测气候变化趋势与气候突变的非参数检验方法，可以判断降水时间序列中是否存在突变，从而确定降水量发生突变的时间，并近一步确定突变时间周期[15]。本文用该方法检验气候变化情况下，降水时间序列的突变状况。设定显著性水平α=0.05，则统计量UB与UF的临界值为U0.05=±1.96。然后通过多年长序列降水时间突变检验，其中若统计量UF>0，则突变检验的长序列的降水量在这段时间呈现增加趋势；若统计量UF<0，则突变检验的长序列的降水量在这段时间呈现减少趋势；若UF>U0.05=1.96，则表明降水量显著增加；若统计曲线在U0.05=±1.96之内发生交点，该交点对应的时刻便是突变点；若突变点超出U0.05显著水平置信区间时，视为显著突变点[13-14，16-17]。

2.3 小波分析

小波分析是从傅里叶变化基础上发展起来的一个数学分支，在时域和频域上都具有良好的局部性质，可以反映出气象要素时序数据在不同时间尺度下随时间变化的特征[18-19]。

假定有时间序列f(t)及一组有参数a，τ构成母小波Ψa，τ(t)，则：

(2)

由于f(t)与Ψa，τ(t)的卷积构成小波交换，则：

(3)

式中，a—尺度因子；τ—平移因子；Wa，τ(t)—小波系数。

通过MHF(墨西哥帽函数)对福建流域的降水时间进行小波分析，其表达式为：

Ψ(t)=(1-t2)e(-t2/2)

(4)

为反映降水周期分布特征，即对降水序列变化起主要作用的周期，采用如下计算公式进行小波方差检验：

(5)

式中，w(a)—小波方差；W(a，b)—小波系数[20-23]。

3 结果分析

3.1 降水量变化趋势分析

通过线性回归及滑动平均趋势变化，对福建省1961—2020年降水时间序列特征进行趋势分析，M-K突变检验及线性分析进行拟合对比验证。如图1所示，多年年均降水量以1.2695mm/a的倾向率呈上升的趋势，年降水量线性趋势整体呈现出波动上升，从2a滑动平均和线性回归结果表明：1975—1979年、2001—2003年呈现下降，年降水整体呈现增加趋势。春季多年平均降水量以-0.5812mm/a的倾向率缓慢下降，1992—2002年、2006—2012年春季降水呈现下降，波动较为平缓，春季降水整体呈现下降。夏季多年平均降水量整体呈现显著增加趋势，降水量以1.815mm/a倾向率显著上升，1976—1989年降水量出现缓慢的下降，1991—1997年出现明显上升。秋季以-0.3787mm/a倾向率缓慢下降，冬季以0.3082mm/a倾向率缓慢上升，秋季呈现明显波动下降的为1961—1967年、1990—1995年、2016—2019年，整体表明秋季1961—1990年降水趋势波动性较为明显，1990—2020年降水波动较为平缓呈现将趋势。冬季1986年的降水量呈现明显的下降，其余年份的降水波动呈现出缓慢增加趋势。

图1 福建省多年平均和季节降水量趋势分析

3.2 降水量特征突变分析

通过Mann-Kendall突变检验分析福建多年降水量，以及多年M-K中的Z值空间变化趋势，如图2—3所示。

图2 福建省多年平均和季节降水量M-K趋势突变分析

从图2(a)中年降水量统计值，曲线在1961—1973年、1978—1981年小于0，且没有超过U0.05=-1.96，在这段时间内呈现不显著下降。由图2(b)、(c)春、夏季多年平均降水量突变趋势分析可知：春季1974—2007年和夏季1961—1964年、2006—2020年M-K统计值大于0，其中春季降水量没有超过U0.05=1.96，说明这段时间降水呈现不显著上升，从春季M-K的统计值趋势波动浮动分析整体呈现缓慢下降趋势；夏季2019年超过U0.05=1.96临界线水平，说明2019年夏季降水在0.05显著水平上显著性上升，夏季年均降水量呈现显著性上升趋势。

从图3空间趋势分布分析，多年平均降水量趋势分布在长汀、连城以西区域，呈现不显著下降。在1974—1976年、1982—2020年的Z值都大于0，没有超过U0.05=1.96，说明在此段时间序列呈现不显著上升。年均降水Z值分布在明溪、建宁、光泽、蒲城等由北向东北以及大田、永定、邵安、漳浦、厦门等的地方由南向东北，主要呈现不显著上升趋势。整体年均降水量整体呈现增加趋势。

图3 福建省年均降水量Z值分布图

春、夏季降水量Z值空间分布上趋势变化为福建北部光泽、武夷山、浦城、政和、松溪等区域下降趋势最大Z值为-1.58～-1.07，整体呈现由南向北呈现不显著下降趋势；福建东北部由光泽、建阳、古田、福州、福清等区域向蒲城、寿宁、柘荣、福鼎等区域呈现出显著性上升趋势，Z值为1.96～3.09，夏季空间分布呈现出由西南向东北显著性变化趋势。这与回归相关分析和M-K的趋势分析结果一致。

秋季降水量和冬季降水量相比，秋季降水量呈现出缓慢下降趋势，冬季呈现出缓慢上升趋势。其中秋季1961—1987年、1994—2020年和冬季1961—1963年、1986—1988年M-K的统计值都小于0，说明这段时期降水量呈现下降趋势。秋季1961—1987年有5个突变点，其中1961年发生突变后，1961—1970年秋季降水量超过U0.05=-1.96临界线水平，说明这段时间降水量呈现显著性下降趋势；1961—2020年秋季降水量统计量大部分为小于0，整体呈现下降趋势；冬季1964—1980年、1991—2020年M-K统计值大于0，降水量没有超过U0.05=1.96，说明这段时间降水呈现不显著上升趋势；结论与上述线性回归相关系数结果一样。

由秋季和冬季M-K的Z值空间趋势分布可知，秋季降水量由北部光泽、武夷山、邵武向东部宁德、连江、福州、长乐等，Z值为-0.28～-1.11，呈现不显著下降趋势；东南部由崇武、晋江、南安向西部武平、长汀、连城等呈现不显著下降趋势。冬季降水量时空分布Z值为-0.06～1.02，由福建南部从邵安、云霄、漳浦、平和等向东北武夷山、蒲城、政和、周宁、福安、霞浦等为不显著上升趋势。

3.3 降水量时空周期特征

采用Morlet小波分析，通过小波实部等值线图和小波方差趋势图进行特征分析，分析了近60年以来的福建省年均降水量、春、夏、秋、冬季降水的周期性变化。Morlet小波变换系数的实部反映了不同时间尺度下小波域内数据的波动特征，实部的正负取值交替反映了时间域内降水序列丰枯特征，小波方差则为小波系数的平方值在时间域上的积分，可以确定降水序列存在的多级主周期[24]。

由图4(a)、(b)可知，在近60年时间尺度中，年降水量的时间尺度序列在50～61、4～8、9～15、16～24a周期变化特征，年降水量呈现正负震荡交替变化。年降水量小波方差图有4个周期方差峰值，其中55a为第一主周期，该周期波动震荡最为显著；6、19、12a分别为年均降水量第二、三、四主周期。55a第一主周期分析39～63a时间震荡周期，在1961—1966年、1984—2000年表现为枯水年，而1967—1983年、2001—2018年表现为丰水年。

图4 福建省年均和季节降水量周期性分析图

由图4(c)、(d)可知，春季降水量的时间周期序列变化为49～61、5～8、8～11、3～5a，春季降水量小波方差图有4个周期方差峰值，其中55a为第一主周期，该周期波动震荡最为显著；7、10、4a分别为年均降水量第二、三、四主周期。49～61a时间震荡周期，在1961—1966年、1985—2001年表现为枯水年，而1967—1984年、2002—2016年表现为丰水年。5～8、8～11、3～5a的年际变化尺度具有全域性，丰枯交替频繁。

由图4(e)、(f)可知，夏季降水量主要周期变化为45～61、30～40a，夏季降水量小波分析方差图有5个峰值，分别为6、12、27、37、56a。其中主要峰值为56、35a；56a为第一主周期，35a为第二主周期，其余为次周期。第一主周期45～61a时间震荡周期，在1979—1995年呈现为枯水年，而1961—1978、1996—2014年呈现为丰水年；夏季最为明显的周期为35、56a的时间尺度的周期特征变化，其中6、12、27a时间震荡周期为全域性。

由图4(g)、(h)可知，秋季降水量主要周期变化为15～24、53～62a，秋季降水量小波分析方差图有4个峰值，分别为7、20、40、57a。其中主要峰值为20、57a，20a为第一主周期，57a为第二主周期，其余为次周期。其中第一主周期15～24a时间震荡周期，在1965—1972年、1978—1985年、1991—1998年、2005—2011年呈现为枯水年，而1961—1964年、1973—1976年、1986—1990年、1999—2004年呈现为丰水年；秋季最为明显的周期为20a的时间尺度的周期特征变化，其中7、40、57a时间震荡周期为全域性。

由图4(i)、(j)可知，冬季降水量有5个峰值，分别为4、11、23、30、55a。其中震荡明显的主要峰值为30a，其中30a为第一主周期，其余为次周期。第一主周期25～35a时间震荡周期，在1961—1967年、1977—1988年、1998—2008年呈现为枯水年，而1966—1976、1989—1997、2009—2016年呈现为丰水年；冬季最为明显的周期为30a的时间尺度的周期特征变化，其中4、11、23、30、55a时间震荡周期为全域性。从小波实部分析丰水年占比年均冬季降水量较大，说明冬季降水量整体呈现上升趋势。

福建省年降水量由小波实部数据可知60年年均降水量呈现着上升趋势，这与我们线性回归以及M-K突变趋势分析结果都呈现相同的趋势，进而论证了年降水年季节降水量变化特征。

4 结论

1961—2020年年均降水量从2a滑动平均和线性回归拟合可知，降水量以1.2695mm/a的倾向率呈现不显著上升趋势。春、秋季降水量的倾向率分别为-0.5812、-0.3787mm/a，其中春季降水相比秋季降水下降趋势更为明显。其中1986—1994年有明显的突变，呈现显著性下降；2019年侧呈显著性上升阶段，夏季降水量整体呈现显著性上升，冬季无明显突变点，冬季降水量呈现不显著上升。

年均降水量空间分布由西向东南呈现增加趋势。春季和秋季年均降水空间分布分别呈现为由南向北，其中秋季较大部分呈现由北向东部下降趋势。夏季和冬季分别呈现为由西向东北和南部向东北增加趋势。

1961—2020年福建省年均降水量和春、夏、秋、冬季的第一主周期分别为55、55、56、20、30a。春季和秋季正准备由丰水期向枯水期周期交替，夏季和冬季正处在枯水期。年均降水在第一周期呈现为枯-丰-枯-丰-枯周期变化，分析可知未来几年降水量进入枯水年周期。