广东省近60年降水量时空变化趋势及突变分析

徐承毅

(广东建科源胜工程检测有限公司,广东 东莞 523000)

自20世纪以来,随着全球范围内的气温上升[1]以及人类活动的加剧,全球气候发生了显著的变化。联合国政府间气候变化专门委员会[2](IPCC)的第六次评估报告表明,气候变化造成的全球变暖是难以逆转的,全球变暖会进一步加剧水循环,影响全球降水特征,引发更加常态化的强降水事件。极端降水引起的洪涝灾害严重威胁人民的生命财产安全,受到越来越多学者的关注。研究降水时空变化特征,对洪涝风险预警预报及防洪减灾工作的开展具有重要意义[3]。

由于中国大多数监测降水量的气象站点建站较晚,故国内学者对于中国的降水量变化趋势研究多从20世纪50、60年代开始,时间序列多为40～60 a[4-6],在现有的对降水趋势变化的研究中,采用最广泛的是Mann-Kendall趋势及突变检验法[7]。李曹明等[8]应用Mann-Kendall检验法对广东省韶关市1980—2019年降水变化特征进行分析发现韶关地区年降水量呈现出不显著的上升趋势;唐凯等[9]在线性趋势法和Mann-Kendall检验法的基础上研究发现潮州市近40 a的降水量在前汛期有明显增加趋势,在后汛期则出现了不明显的下降趋势;梁冰等[10]通过M-K和小波分析法对信宜气象站的降水变化特征分析表明,该地区的年降水量和汛期降水量都呈现出不显著的上升趋势;马骏等[11]对北京市房山区20个气象站点1980—2013年的降水量进行M-K检验分析,结果显示房山区的降水量变化趋势在春、秋、冬季均显著增加,而在夏季呈现出不显著的增加趋势;彭秋萍[12]采用M-K检验方法对龙江流域1959—2018年的降水规律进行研究,发现龙江流域年降水量总体呈现下降趋势,4个代表站点在1962、1975年均出现突变点;张涵丹等[13]应用M-K突变检验及R/S分析方法,对定西市气温降水变化特征进行分析,结果表明自1960年以来降水量无明显的突变现象;基于STL和Mann-Kendall法,赵振华等[14]对济南市近年的降雨量与地下水位动态特征进行研究。除此之外,也有一些学者应用M-K检验法对国内某些流域的降水量变化规律进行了探讨[15-16]。

自改革开放以来,广东省的经济发展速度愈来愈快,位居全国前列,快速的城市化进程也使得该地区环境与气候发生显著的变化,经常发生洪涝灾害,沿海地区在雨季常受台风侵袭,次数之多,历时之长,强度之大,均居全国首位。在当前全球气候变化的背景下,本文对广东省32个气象站点及各区域的降水量变化趋势进行分析,旨在正确认识广东省的降水变化特征,以此提高该区域的研究水平,同时可以为该地区的水资源规划与管理提供一种新的思路,对广东地区的防洪防汛工作具有指导意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

广东省位于中国大陆最南部,东邻福建,北接江西,西连广西,南临南海,占地17.8万km2,处于东经 109°45'至117°20',北纬 20°09' 至 25°31' ,属亚热带季风气候,地形以山地和丘陵为主[17]。广东省的水资源特别丰富,平均年降水量达1 780 mm,是中国降水最多的省份之一[18]。省内的主要水系为珠江水系,多年平均地表径流量达到1 800亿m3,占全国地表水资源总量的6.6%[19]。本文采用的数据为广东省32个基本气象站1960—2019年的逐日降水观测数据,源于中国气象科学数据共享服务网,站点分布见图1。

图1 广东省气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1Mann-Kendall 检验法

Mann-Kendall 检验法也称M-K检验法,分为Mann-Kendall趋势检验法与Mann-Kendall突变检验法。

1.2.1.1Mann-Kendall 趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法主要用在各类时间尺度下的气温、降水及径流等水文气象的分析,对这类要素进行变化趋势检验。该方法是一种非参数统计检验方法,假定时间序列xn无趋势,构造统计量S:

(1)

式中n——数据点的数量;xi、xj——时间序列i、j(j>i)中的数据值,并且sgn(xj-xi)是符号函数。

(2)

S为正态分布,均值为0,方差为:

(3)

其中,t为任意给定结点的范围,当n>10时,标准的正态统计变量通过式(4)计算:

(4)

在双边趋势检验中,在给定的α置信水平上,若|Z|≥Z1-α/2,则不可接受原假设,即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。其中,±Z1-α/2为标准正态分布的(1-α/2)分位数,α为检验的置信水平。当Z为正时,该系列具有上升或增加趋势;当Z为负时,该系列具有下降或减少的趋势。

1.2.1.2Mann-Kendall 突变检验法

对一个给定的时间序列,共有n个样本量,构造一个序列:

(5)

式(5)中,当xi>xj时,ri=1;当xi≤xj时,ri=0;j=1,2,…,i,假定所选时间序列随机而且相互独立,定义统计量:

(6)

UFk为标准正态分布。给定显著性水平α=0.05,且|UFi|>Uα/2,说明该时间序列xi存在显著的趋势变化。 按逆序列重复以上过程,计算另一个统计量UBi,即:

UBi=-UFii=n,n-1,…,1,UB1=0

若UFi的值大于 0,表示气候量xi呈上升趋势,反之呈下降趋势。若UFi超过其临界线,即表明该气候量上升或下降的趋势显著,若UFi和UBi曲线相交,且交点位于2条临界线之间,则交点即为该气候量xi的突变起始点。若UFi和UBi没有交点,或它们有交点但交点在临界线之外,或有交点并且交点在2条临界线之间,但在交点前后UFi和UBi都出现大于临界值的情况,那么说明气候量xi突变趋势不明显。

1.2.2滑动t检验法

滑动t检验法是采用数理统计中t检验法的原理,对目标序列逐点进行检验。t检验的原理是:设滑动点前后,设F1(x) 和F2(x)分别为前后2个序列的分布函数,从总体F1(x)和F2(x)中分别抽取容量为n1和n2的2个样本,要求检验原假设:F1(x)=F2(x),则:

(7)

其中:

T服从t(n1+n2-2)分布,临界值tα/2可以通过t分布表查得:当T>tα/2时,拒绝原假设,表明抽取的2个样本存在显著性差异;当T

2 结果与分析

2.1 降水量随时间的变化趋势分析

2.1.1广东省年平均降水量变化趋势分析

对广东省32个基本气象站点1960—2019年的日降水量数据进行计算,得到各个站点1960—2019年的年降水总量,逐年采用泰森多边形法求降水均值,得到广东省1960—2019年的年均降水量,并绘制折线(图2)。结果表明1960—2019年广东省年均降水量为1 735 mm,降水量最大值出现在2016年(2 294 mm),最小值出现在1963年(1 158 mm)。经过M-K趋势检验得出的趋势值为0.81,表明广东省在1960—2019年这60 a内的降水量呈现出不显著的增加趋势。

图2 1960—2019年广东省降水量变化趋势

对广东省32个站点的年降水量进行线性回归分析及M-K趋势检验,各个站点的分析结果见表1。仅有广州与增城的M-K趋势值超过了1.96,通过了置信度为95%的显著性检验,年降水量在60 a内呈现出显著增加的趋势;经过线性回归分析得到广州的降水倾向率为86.1 mm/10a,增城为62.1 mm/10a。其余站点均未通过置信度为95%的M-K趋势显著性检验。

表1 广东省32个站点年降水量变化趋势

2.1.2广东省各区域年降水量变化趋势分析

广东省的32个气象站点隶属于珠三角、粤东、粤西、粤北4个区域,各个站点所属区域见表1,采用泰森多边形法对这4个区域的年降水量进行计算,采用M-K趋势检验及线性回归分析计算结果。由表2中M-K趋势检验结果可知,这4个区域的M-K趋势值均未通过置信度为95%的显著性检验,其中粤东地区的M-K趋势值为负,在1960—2019的60 a内的降水量呈现出不显著减少的趋势,其余3个区域的降水量变化皆呈现出不显著增加的趋势。

表2 广东省4个区域M-K趋势检验值

由图3中5 a滑动平均曲线可以看出,60 a内广东省4个区域的降水量变化基本在多年降水均值附近波动,相对比较平稳,处于年际波动状态。珠三角地区的多年平均降水量位于广东省4个区域中的首位,粤北地区处于末位,其降水量分别为1 810.16、1 701.00 mm。

a)珠三角

2.1.3广东省季节降水量变化趋势分析

为进一步分析广东省降水量年内变化情况,对该省的春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月至次年2月)4个季节的降水量进行了线性分析及M-K趋势检验。由于2019年冬季只有12月的数据,仅对1960—2018年冬季降水量变化趋势进行分析,结果见表3。从各季节的线性趋势方程及M-K趋势值可以看出,春、夏、冬季的降水量变化都有微弱的上升趋势,秋季表现出不显著的下降趋势。从各个季节多年平均降水量上看,各季节占全年降水量的百分比分别为30.6%(春季)、46.3%(夏季)、16.2%(秋季)、6.9%(冬季),可以看出广东省的降水量主要集中在春季与夏季,占全年降水量的76.9%。

表3 广东省四季降水量变化特征

表4 通过突变检验存在突变年份的站点

2.2 降水量突变性分析

2.2.1广东省各气象站点年降水量的突变分析

采用Mann-Kendall突变检验法对广东省各站点1960—2019年的年降水量序列进行突变性检验,并结合滑动t检验法来验证各时段的突变情况,2种方法均采用α=0.05显著性检验。经过检验,仅有 8 个站点在相同年份同时通过了 Mann-Kendall 突变检验与滑动t检验(表 4)。其中连州与中山都在 1992 年发生了降水量增加的突变,汕头与梅县均在 1971 年发生了降水量增加的突变。其余24个站点都未通过突变检验。

2.2.2广东省各区域年降水量的突变分析

结合M-K突变检验法与滑动t检验法对广东省4个区域(珠三角,粤西,粤东,粤北)年降雨量序列进行突变性检查,分析各时段的突变情况。

图4a为珠三角地区年降水的M-K突变检验曲线,由图可知,UF与UB曲线在α=0.05的置信区间内处于波动状态,UF与UB曲线在1972、1973—1974、1974—1975、1977、1978、1981等多个年份相交,为疑似突变点,结合图5a中滑动t检验得出,1972年为突变年份,由UF曲线可以看出1972年是降水增加的开始。

a)珠三角

结合图4b与图5b可以看出,粤东地区在研究期内没有突变年份,但2008—2010年的UF曲线一直处于下降趋势,说明粤东地区的年降水量从2008—2010年一直在减少。

由图4c中可以看出UF曲线在1973—1975年超过了α=0.05的显著性水平,说明在这些年份粤西地区的年降水量有显著增加的趋势。尽管UF和UB曲线在置信区间内有多个交点,经过滑动t检验的对比没有发现相同的疑似突变年份,故粤西地区未发生降水量突变。

通过图5d可以看出粤北地区在检验期内没有通过95%置信度的滑动t检验,不存在降水量突变点。从图4d中可以看出,粤北地区的年降水量都在置信区间内波动,年降水量保持在相对稳定的状态。

综合广东省各区域的突变分析,粤东与粤北地区的年降水量在1960—2019年的研究期内基本都处于相对稳定的状态,总体上没有显著的增加或减少趋势;粤西地区在1973—1975年的年降水量有显著增加的趋势;珠三角地区的年降水量在1972年发生了增多突变。

2.3 广东省年平均降水量的空间分布特征

通过32个站点的年均降水量统计,对广东省降水的空间分布进行分析,得到图6所示的结果。从图中可看出在珠三角地区以及粤西沿海地区的多年降水均值较高,都超过了1 700 mm,其中阳江站达到2 355.96 mm,居于全省首位;在珠三角与粤北交界处的几个站点(佛冈、清远等)的多年降水均值也位于广东省前列,其中清远站为2 125.07 mm,佛冈站为2 175.98 mm;而在粤东地区,粤北大部分地区以及粤西山区的多年降水量较低,粤东地区南澳站为1 358.27 mm,列于全省之末。

图6 1960—2019年广东省降水量空间分布

3 讨论

通过采用中国气象科学数据共享服务网的广东省32个基本气象站1960—2019年的逐日降水观测数据,对广东省年降水量的时空分布特征进行研究。经过计算得出全省的年降水量为1 735 mm,降水量最大值出现在2016年,最小值出现在1963年。刘永林等[21]研究内容为1960—2012年广东省24个站点的年降水量,所得出的广东省的年均降水量为1 727 mm,年降水量最大值与最小值分别出现在1983、1963年,与本文研究结果中的年均降水量及年降水量最大值有所不同[20]。对广东省季节性降水量研究发现春、夏、冬季的降水量都呈现出增加趋势,秋季表现出减少趋势,与刘永林等研究的广东省1960—2013年季节性降水量时间变化趋势相同。关于降水突变的机理,目前还未有学者进行系统性的研究,本文在此不做进一步的讨论。

影响区域性降水的可能因素有很多,包括地形、城市热岛效应、城市用地扩张与气候变化等。通过前面的分析可以看出广东省降水量空间分布不均,总体呈现出以珠三角及邻近地区为年降水量高值中心,向四周辐射。究其原因,主要是受到该地区地形的影响。根据前人的研究可知迎风坡和喇叭口地形的降水几率大、降水强度高,背风地区则相反[22]。其中阳江便是典型的喇叭口地形,该地形会出现峡谷效应,使气流在喇叭口地形附近辐合,形成较强的降雨[23]。降水量较少的南澳和罗定,位于地势较为平坦的地区,周围山脉阻碍水汽流入,难以形成降雨。

对广东省32个站点的M-K趋势检验结果表明:仅有广州站及增城站(位于广州市城郊)通过了置信度为95%的显著性检验。廖镜彪等[24]研究了城市化对广州降水的影响,发现从1991年开始,城市化过程使得广州降水量呈现出明显增加的趋势。快速的城市化进程所产生的城市热岛效应会形成对流性降水,改变城市降水的时空分布,此外城市建筑物的阻障作用会导致降水时间延长,从而使得城市降水增加。

城市用地的增加会使城市下垫面发生改变,进而使城市降水量产生微弱的变化[25]。关于城市下垫面变化对城市降水影响的研究,王小晴[26]通过分析城市下垫面对大范围降水过程的影响,得出城市下垫面具有吸热快、升温快、比热容小的性质,从而使得下垫面扩张有利于城区降水的增加的结论;马新野[27]指出长三角城市群扩张改变了原有自然植被格局,导致近地层大气湿度减小,进而使夏季降水减少。现阶段关于“城市扩张是否有利于城市降水增加”的这个问题仍存在争议,值得进一步研究。

广东省属于亚热带季风气候,会为该地区带来丰富的降水量,在全球气候变化背景下,区域性的强降雨事件与城市内涝灾害的发生频率与强度也在增加。秦博[28]指出气候类型会直接决定总降水量及降水特征。张峰等[29]研究了珠江上游流域近55 a的降水变化特征,结果表明该地区在气候变化的背景下,年降水量呈现出不明显的增加趋势。张瀚[30]对珠三角地区在RCP4.5、RCP8.5两种未来气候情景下未来时期的降雨强度峰值以及累积降雨量进行研究,发现该地区的内涝灾害在未来时期将进一步加剧。

探究广东省32个气象站点的年降水量变化趋势不同的原因,应是受到多种可能因素共同作用的结果。本研究主要是探讨广东省年降水量及季节降水量的时空变化趋势,但对月度降水或极端降水的变化情况以及产生这些变化的本质未进行深入探讨,在今后的研究中应对这些方面也加以考虑,进行更加深入的分析。

4 结论

采用线性回归法、Mann-Kendall法、滑动t检验法,对广东省32个气象站1960—2019年的逐日降水观测资料进行了时空分布分析,得到以下结论。

a)在1960—2019的60 a内,受到区域气候的影响,广东省的32个气象站点中,仅有广州与增城的年降水量呈现出显著增加的趋势,其余站点的年降水量变化趋势均不显著;对于各站点年降水量的突变分析表明仅有8个站点存在确切的突变年份,并且各站点的突变年份基本都是降水量增加的起点。按地区来看,广东省4个区域的年降水量均未呈现显著增加或减少的趋势,1972年为珠三角地区年降水量开始增多的突变点,反映出城市化进程对珠三角地区降水量的增多具有一定的促进作用。

b)广东省季节降水量变化特征,仅在秋季呈现出减少的趋势,其余季节的降水量都显示出微弱的增加趋势,其中春季与夏季的多年平均降水量之和占全年降水的76.9%。应科学规划对广东省春夏两季的降水管理,在预防洪涝灾害发生的同时提高对降水资源的利用率。

c)由于广东省气候及地形的空间分布的差异,导致广东省年降水量空间分布不均,多年平均降水量呈现出以珠三角及邻近地区为年降水量高值中心,向四周递减。其中多年平均降水量最高与最低的站点分别为阳江站(2 355.96 mm)与南澳站(1 358.27 mm),在制定各区域水资源政策时,应根据各站点实际情况进行因地管理。

d)广东省32个气象站点的年降水量变化趋势不同的原因,可以大致归结于地形、城市化、气候变化等影响机制,通过多种机制的叠加作用,在各个地区呈现出更加不同的降水特征。分析广东省过去60 a降水量的变化特征能够为广东省气候变化趋势的预测及防洪预警提供数据支持,进而使更多的人认识到气候变化对人类的影响,希望更多的人愿意为解决气候变化问题努力。