怒江州北部近50 a“桃花汛”降水變化特征

袁利平，王 惠，楊 燕，張常松，和余燕

(云南省怒江州氣象局，云南 六庫 673100)

1 引言

在全球變暖的大背景下，氣溫變化會引起全球水分循環(huán)變化，這不僅影響水資源的重新分配，還將影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究區(qū)域降水的變化規(guī)律，對了解氣候變化特征、合理利用自然降水、防御旱澇等具有重要的現(xiàn)實意義。

有關降水變化的研究主要集中于降水的時空變化特征。如利用統(tǒng)計方法如小波分析，研究降水的時間變化周期［1－2］，楊再禹［3］應用 Morlet小波分析方法分析了三穗縣1958—2006年的年平均氣溫和年降水量的變化，覃衛(wèi)堅等［4］分析了桂東北、桂東南和桂西地區(qū)40多年春季降水的變化。結果表明:不同地區(qū)，同一地區(qū)不同時間尺度的降水資料具有不同的時間變化周期。

怒江州地處滇西北橫斷山脈縱谷地帶，境內(nèi)高山與峽谷并列，地形復雜，立體氣候突出，區(qū)域氣候差異顯著。尤其是怒江州北部福貢、貢山兩縣，一年之中有2個雨季，分別是2－4月的“桃花汛”和6－10月的主汛期［5］?！疤一ㄑ础钡奶攸c是雨量大、持續(xù)時間長、影響范圍廣，強降水及其引發(fā)的滑坡、泥石流等次生災害常常沖毀民房、淹沒農(nóng)田、毀壞公路，中斷通信，給地方經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重損失。因此，分析和掌握怒江“桃花汛”降水的變化特征，對指導工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災減災和開發(fā)利用云水資源具有重要的現(xiàn)實意義。本文使用小波分析方法分析“桃花汛”降水的多時間尺度變化特征，并從氣候突變的角度探討“桃花汛”的降水變化規(guī)律。

2 資料與方法

2.1 降水資料

怒江州北部福貢縣、貢山縣的2個氣象觀測站1961—2010年2－4月降水資料。

2.2 研究方法

采用Morlet小波實部及小波方差對怒江州北部近50 a“桃花汛”降雨周期性變化規(guī)律進行研究，滑動平均法用于降雨量的總體變化趨勢分析，滑動t檢驗法和Mann－Kendall法用于分析“桃花汛”降雨量的突變特征。

2.2.1 小波分析 氣候數(shù)據(jù)時間序列通常表現(xiàn)為雜亂無章，但是其含有多種不同時間尺度的變化。利用小波變換調(diào)節(jié)、放大的功能可以了解序列在各層次的變化趨勢［6］。小波分析在時域和頻域同時具有良好的局部性質(zhì)。它在分析時域和頻域時并沒有傅里葉變換和其他波譜方法對時間序列穩(wěn)定性要求那么嚴［7］。Morlet小波是復數(shù)小波，可以用來進行周期分析，其實部和虛部相差π/2，消除了實數(shù)形式小波變換系數(shù)的振蕩。小波實部可以用來判別信號不同時空尺度的結構及其突變點的位置［8］。

2.2.2 小波方差 將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，小波方差隨時間尺度a的變化過程，稱小波方差圖，它能反映信號的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

2.2.3 滑動t檢驗法 滑動 t檢驗法是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變，本文中子序列長度為5 a，取0.05的顯著水平。

2.2.4 Mann－Kendall法 Mann－Kendall突變分析方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾［9－10］。Mann －Kendall分析對于突變事件是一種十分有效的分析方法。

3 “桃花汛”降水的小波分析特征

3.1 小波系數(shù)實部

小波系數(shù)實部等值線圖能反映不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而能判斷在不同的時間尺度上，降水的未來變化趨勢。正的小波系數(shù)對應于偏多期，負的小波系數(shù)對應于偏少期，小波系數(shù)為零對應著突變點;小波系數(shù)絕對值越大，表明該時間尺度變化越顯著。為清楚地說明小波系數(shù)實部等值線圖在降水時間尺度分析中的作用，我們對繪出的圖作進一步修飾，用虛線代表負小波系數(shù)，用細實線代表正小波系數(shù)，用粗實線代表零線，圖中橫坐標為時間(年份)，縱坐標為時間尺度，這樣就得到1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水距平的Morlet小波系數(shù)實部等值線圖(圖1)。

圖1 “桃花汛”降水距平Morlet小波系數(shù)實部等值線(a:福貢;b:貢山)

由圖1a可見，福貢站有23 a時間尺度的降水變化，50 a來主要經(jīng)歷了5個時期的交替變換:1965年以前為偏多期，1966—1973年為偏少期，1974—1981年為偏多期，1982—1989年為偏少期，1990—1996年為偏多期。而1997年后周期縮短為19 a，1997—2003年為偏少期，2004—2009年為偏多期，2010年后降水正向偏少的時期轉變。期間還有11 a左右的周期性變化:1999年以前該周期振蕩強烈，1999—2010年有所減弱。1992年以前還有5 a的振蕩周期，1992—2002年，振蕩周期拉長到 6 a，2003—2010年振蕩周期又縮短為4 a。按照15 a以下的時間尺度變化，近年福貢處于降水偏少期;按照15 a以上的時間尺度變化，福貢“桃花汛”降水也正向偏少的時期轉變。

由圖1b可見，貢山站“桃花汛”降水1970—2005年出現(xiàn)了27a時間尺度的振蕩;1995年以前有11 a時間尺度的振蕩;5 a左右的周期性變化貫穿整個50 a:1983年以前振蕩周期為5 a，1983—2002年周期拉長為6 a，2003—2010年振蕩周期縮短為4 a，2009年開始貢山處于降水偏少期。而17 a時間尺度的振蕩在1961—2010年一直穩(wěn)定存在，2009年后向降水偏少期轉變。

3.2 小波方差圖

Collineau(1993)證明小波方差圖反映了波動能量隨時間尺度a的分布，可以用來確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，對應峰值處的尺度稱為該序列的主要時間尺度，所以通過小波方差圖確定一個時間序列中存在的主周期。圖2a是福貢站1961—2010年“桃花汛”降水的小波方差變化圖，它有3個較為明顯的峰值，分別是5 a、11 a和23 a的時間尺度。其中最大峰值對應著11 a的時間尺度，說明11 a左右的周期振蕩最強，為福貢“桃花汛”降水變化的第1主周期;23 a時間尺度對應著第2峰值，為第2主周期，5 a左右的時間尺度為第3主周期。這說明，上述3個周期的波動主導福貢站50 a“桃花汛”降水的變化特征。這與小波系數(shù)實部等值線圖表現(xiàn)出來的特征時間尺度相同。

圖2 小波方差圖(a:福貢;b:貢山)

貢山站“桃花汛”降水的小波方差變化(圖2b)中，有4個峰值，它們分別對應7 a、17 a、27 a和29 a的時間尺度。其中，最大峰值對應著17 a的時間尺度，即17a左右的周期振蕩最強，為貢山“桃花汛”降水變化的第1主周期;7 a時間尺度對應著第2峰值，為降水變化的第2主周期;第3、第4峰值分別對應著29 a和27 a的時間尺度，它們依次為第3和第4主周期。這4個周期的波動主導貢山站50 a來“桃花汛”降水的變化特征。這與小波系數(shù)實部等值線圖反映的特征時間尺度相似。

4 “桃花汛”降水突變及變化趨勢

4.1 滑動t檢驗法

圖3是怒江州北部福貢、貢山2站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計量變化圖。不難看出，1960 s中后期、1970 s末至1980 s初、1980 s末期、1990 s末至2000 s初怒江州北部“桃花汛”降水量呈減少變化;而在1970 s、1980 s前中期、1990 s和2003年后“桃花汛”降水量呈增加變化。福貢、貢山兩站都無均值突變發(fā)生。由圖3還可看出，貢山站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計量變化與小波系數(shù)實部圖中17 a左右時間尺度的振蕩一致;而福貢站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計量變化與小波系數(shù)實部圖中17 a左右時間尺度的振蕩基本一致。

圖3 福貢、貢山“桃花汛”降水量滑動t統(tǒng)計量變化

圖4 1961—2010年“桃花汛“降水量Mann－Kendall突變判別曲線圖(a:福貢;b:貢山)

4.2 Mann－Kendall法

用Mann－Kendall法對福貢、貢山1961—2010年“桃花汛”降水進行突變檢驗(取0.05的顯著水平)，繪制UFk、UBk曲線(圖4)。圖4a顯示，在臨界線之間福貢站的UFk、UBk兩條曲線的交點，也就是發(fā)生突變的時間分別是 1962、1963、1965、2001、2002年和2006年;超出臨界線的范圍，也就是發(fā)生突變的時間段分別為1970—1971年、1972—1977年、1978—1983年、1985—1987年。圖4b則顯示，在臨界線之間貢山站的UFk、UBk兩條曲線的交點，即突變開始時間分別是1967、2009年和2010年;超出臨界線的范圍，即發(fā)生突變的時間段分別是1989—1990年、1992—1993年、1994—1998年。顯然，福貢、貢山2站如此頻繁的突變是不正常的，需要去掉其中的雜點或偽突變點。

4.3 滑動平均法

圖5 1961—2010年“桃花汛”降水量滑動平均變化趨勢(a:福貢;b:貢山)

對1961—2010年福貢、貢山“桃花汛”降水量序列分別取滑動長度為5a，計算其滑動平均值，得到近50a“桃花汛”降水量的變化趨勢圖(圖5)。

由圖5a可見，福貢站自1965年開始“桃花汛”降水量開始減少，至1971年開始增加，直到1976年;1977年開始減少，至1988年開始增加，直到1992年;1992年后開始減少，至2003年開始增加，直到2006年。經(jīng)過了3個完整的“減少—增加”變化過程，過程的平均周期約為13 a;從總的變化趨勢來看，福貢“桃花汛”降水在1971年、1976—1977年、1988年、1992年和2003年發(fā)生了轉變，2006年開始降水呈減少趨勢。

由圖5b可見，貢山站“桃花汛”降水量從1965年開始增加，至1976年開始減少，直到1982年;1982年開始增加，至1992年開始減少，直到2003年。經(jīng)歷2個完整的“增加—減少”變化過程，過程平均周期約19 a。2003年后開始增加，到2008年開始減少?？偟目磥?，貢山“桃花汛”降水量在1976年、1982年、1992年、2003年和2008年發(fā)生轉變。根據(jù)以上Mann－Kendall法、滑動平均法對2個站點的分析，怒江州北部“桃花汛”降水變化的突變點很可能出現(xiàn)在1976年、1992年和2003年。

5 結論

①怒江州北部50 a來“桃花汛”降水包含有多個時間尺度的周期變化。福貢站存在23 a、19 a、11 a和5 a左右的周期，其中11 a是第1主周期，23 a和5 a分別為第2、第3主周期;目前福貢站“桃花汛”降水量處于少雨期。貢山站“桃花汛”降水量存在27 a、17 a、11 a和5 a左右的周期，其中17 a為第1主周期，27 a和5 a分別為第2、第3主周期;目前貢山站“桃花汛”降水量處于少雨期。

②50 a來怒江州北部“桃花汛”降水變化的突變點很可能出現(xiàn)在1976年、1992年和2003年。

③根據(jù)滑動平均分析，1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水，福貢站經(jīng)過了3個完整的“減少—增加”變化過程，2006年開始降水呈減少趨勢;貢山站則經(jīng)歷2個完整的“增加—減少”變化過程，2008年開始降水呈減少變化趨勢。

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