基于气候统计分析法的福建省主汛期降水时空演变研究

吴政秋，庞 波，徐 翃，陈 钰

1.福建省气候中心，福建福州 350028；2.福建省气象灾害防御技术中心，福建福州 350028；3.福州软件职业技术学院，福建福州 350213

福建省位于我国东南沿海，地形复杂，海陆差异明显，受不同天气系统的影响，降水气候时空演变也存在明显差异[1]。尤其是主汛期（4—9月）期间，降水强度大、降水量集中，持续时间长且局地性强，4月初入汛后，持续的强降水引发福建省局部地区山体滑坡、泥石流、等严重次生灾害，甚至极端强降水可引发人员伤亡和严重的财产损失[2]。正确认识福建省气候降水时空演变及其周期性离不开合理的气象统计应用方法，如何采用合理的气象统计方法预报气候降水一直是气象业务部门关注的重点[3]。在全球变暖的背景下，气候降水的时空演变会受不同天气系统所支配[4]；此外，复杂山地或海岸平原等地形配合季风进退和局地对流等因素，会对区域性降水产生直接影响。众多学者在研究我国降水气候时空演变特征时，多采用经验正交函数分解法(EOF)、非参数统计检验法、曼-肯德尔法(M-K检验)、小波分析法等气候统计方法，得到了丰硕的研究成果。用这类科学的气候统计方法研究气候降水，比简单地对站点降水做平均处理更加能捕获降水空间的细节特征及其随时间演变的趋势。选取福建省1990—2020年主汛期（4—9月）逐小时站点降水资料，采用EOF分析法、M-K检验法、Morlet小波分析法对福建省主汛期降水气候时空演变及其周期变化特征进行研究，以期捕获沿海和内陆的气候降水细节时空特征，为气象业务部门提供有力的参考依据，进一步提高气象相关部门的防灾减灾业务能力。

1 资料来源与研究方法

选取福建省（23.50°N28.50°N、115.50°E120.50°E）范围内1990—2020年66个国家自动气象观测站主汛期4—9月逐小时站点降水资料。采用基于EOF经验正交函数分解法、M-K显著性突变检验、Morlet小波分析法分析福建省近30年主汛期降水气候时空演变特征及周期性；利用Cressman插值法将福建省66个气象站点降水数据逐步订正插值至800×800的网格中，以减小计算过程中离散点到目标点的误差，研究了福建省近30年主汛期降水气候时空演变及周期性变化特征。

2 福建省主汛期降水量时空演变特征和M-K显著性突变检验

2.1 福建省主汛期年平均降水量的EOF分解演变特征

福建省主汛期气候降水空间差异较大，可采用经验分解EOF分解法研究福建省降水时空演变特征。EOF分解前3个模态的方差贡献率分别为52%、18%和6%，累计方差贡献率达76%，前3个特征向量的空间型基本可反映全省主要降水信息，具有一定的可行性和代表性。图1展示了福建省1990—2020年主汛期降水EOF分解空间型和对应时间系数趋势。

图1 福建省1990—2020年主汛期4—9月平均降水量EOF前3个模态空间分布特征及相应的时间系数

EOF分解第一模态空间型（图1a）可见，福建省近30年主汛期降水为一致的正位相分布，说明沿海岸和山地空间型均随第一模态时间起伏变化呈相同变化，正位相最大值主要位于政和—周宁—宁德—罗源以东地区，全省主汛期气候降水年际变化主要集中在福建东部；

将EOF分解的第一模态对应时间系数序列进行9点平滑（图1b）反映出东部主汛期气候降水随时间年际变化总体波动较强，2000年和2004年时间系数达最大值，2004—2013年时间系数（负值）反映出东部汛期气候降水在该时段内低于历史降水平均水平。

EOF分解第二模态空间型（图1c）表现出福建省东南沿岸和复杂山地明显的反位相，说明东南沿岸与内陆地区主汛期降水变化相反，结合EOF分解第二模态对应时间系数（图1d）来看，1995年前、2000—2010年末、福建省东南沿岸和中南部地区主汛期气候降水相对较多，内陆山区主相对较少，其余年份沿海岸主汛期降水较少，内陆山区降水较多。

EOF分解第三模态空间型（图1e）反映福建省主汛期气候降水中部和东部为正位相，南部和北部呈负位相，由分解的时间系数（图1f）可知，2004年以后，中部和东部主汛期气候降水偏多，而在此之前，主汛期气候降水低于历史平均水平，而南部和北部则在2004年以前降水偏多，2004年以后降水增多，其他年份反则代之。

2.2 福建省主汛期年平均降水量的M-K显著性突变检验

为进一步研究福建省近30年主汛期平均降水的趋势与突变，对EOF分解的前3个模态相对应的时间系数进行M-K突变检验。EOF第一模态对应时间系数的M-K检验趋势可知，UF统计量在近30年间均＜0，表明近30年东部主汛期降水呈减少趋势，UF统计量和UB统计量的交点在1990年，并且在1991年UF值超过临界值（a=1.96），说明1991年前后，东部主汛期降水出现明显突变，除此年份外，其余时间在30年间并未发生明显突变点。

EOF第二模态对应时间系数的M-K检验趋势可知，UF统计量和UB统计量在2018年以前均＜0，且在1991年UF和UB出现交点，位于临界值范围，且UF在1991—1999年超出显著性阈值范围，说明在2008年以前，内陆山区主汛期降水明显减少，且在1991—1999年出现明显突变；在2018年开始之后，F统计量和UB统计量分别为UB＞0、UF＜0，且两者均在2019年末超过显著性阈值，说明福建省近30年内陆地区2019年开始主汛期降水明显减少，沿海岸地区与内陆山区变化情况则相反。

EOF第三模态对应时间系数的M-K检验趋势可知，在2008年以前，福建省近30年主汛期降水未发生明显突变，在2008年以后，UF统计量和UB统计量出现多个交叉点，且均位于临界值范围内（a=±1.96），2019年UB统计量超过显著性阈值且趋势开始下降，说明福建省中东部在2019年后降水减少，而北部地区降水在2019年后相对增加。

2.3 福建省主汛期年平均降水量的Morlet小波分析及功率谱检验

为进一步讨论福建省1990—2020年主汛期降水变化周期，对EOF前3个模态的时间系数分别进行Moriet小波变换，并绘制小波系数图与全局功率谱检验图。第一模态（图2a）时间系数的小波系数主要在1990—2020年存在多个时间尺度的周期变化，且在1998—2016年存在明显的2～3年的降水正位相周期与1～2年的负位相周期，具有明显的正负位相交替时间节点。

图2 福建省1990—2020年主汛期4—9月平均降水量EOF前3个模态时间系数的Moriet小波分析和功率谱检验

从第一模态全局功率谱（图2b）总体来看，其功率谱存在3～4年的主周期。由第二模态小波系数图（图2c）发现1～2年的主周期上明显正负位相交替，由其全局功率谱（图2d）诊断出其存在明显的2年变化周期。第三模态（图2e）时间系数的小波系数在1990—2020年存在明显1～2年的由负转正位相周期，其全局功率谱（图2f）显示第三模态总体存在半年的变化周期。整体而言，全局功率谱分析与小波分析结果相近[5-11]。

3 结论与讨论

（1）福建省近30年主汛期降水时空变化较大，EOF分析前3个模态表征主要有沿岸和复杂山地正位相、沿海岸与复杂山地反位相、中部和东部为正位相，南部和北部反位相3种空间型，且东部主汛期降水随时间的年际变化波动较强，2000年和2004年时间系数达到最大值，2004—2013年东部主汛期降水量值小于历史均值。

（2）福建省主汛期年平均降水量的M-K显著性突变检验分析前3个模态主要有“沿岸及复杂山地正位相”“沿海岸与复杂山地反位相”“中部和东部为正位相，南部和北部反位相”3种时空演变特征，整个区域在1990—2020年存在1～2年的多个时间尺度的准周期变化，东部主汛期降水在2008年之前逐渐减少后呈明显增加趋势，且在2018年前后发生突变，可以看出福建省降水气候时空演变具有极强的波动性，地形因素的影响较为明显。

（3）小波分析及其功率谱结果显示福建省近30年主汛期降水的3个模态分别有“2～3年正位相与1～2年的负位相”“1～2年主周期正负位相交替”“1～2年由负转正位相”的周期特点，且全局功率谱分析与小波分析结果相近。