廣東省1956─2010年旱期降水特征

范菲蕓，江濤,，曾志平，黎坤,，黃炎慶

1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東 廣州 510275

廣東省1956─2010年旱期降水特征

范菲蕓1，江濤1,2*，曾志平1，黎坤1,2，黃炎慶1

1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東 廣州 510275

旱災(zāi)是影響廣東經(jīng)濟社會發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一。利用1956─2010年廣東省125個雨量站降雨資料，采用降雨量等值線圖、累積距平、小波分析等方法分析廣東省春旱、秋旱期降雨的多時間尺度變化及空間分布特征，以期為廣東省干旱災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報提供依據(jù)。結(jié)果表明，（1）春旱期和秋旱期降雨空間分布表征總體相反，春旱降雨南少北多，高值區(qū)位于粵北清遠，低值區(qū)位于粵西湛江雷州半島地區(qū)；秋旱降雨南多北少，高值區(qū)位于珠江三角洲的江門，低值區(qū)位于粵北的韶關(guān)；但陽江、汕尾等地在春旱、秋旱期內(nèi)均表現(xiàn)為降雨高值區(qū)。（2）1956─1986年及2002─2010年春旱、秋旱期降雨變化相似，在1956─1960年、1971─1985年間波動增加，1961─1970年、2002─2010年間減少；1986─2001年間春、秋旱期降雨變化總體相反，1986─1992年間春旱期降雨微弱增加，秋旱期降雨減少，1993─2001年間春旱期降雨波動減少，秋旱期降雨波動增加；且春旱期降雨變化較秋旱期降雨更為顯著：春旱期降雨量年代距平百分比變化范圍為-10.96%～18.60%，而秋旱期降雨量的年代距平百分比變化范圍為-8.51%～8.17%。（3）春、秋旱期降雨均以2～4 a左右時間尺度的年際變化為主要周期，其中春旱降雨的主周期為4.5、2.5 a；秋旱降雨的主周期為2.9 a。南嶺阻隔及局部地形變化是造成降雨空間分布差異的主要原因，北大西洋濤動對春旱期降雨的周期性變化存在一定影響，厄爾尼諾對春旱、秋旱期降雨的周期性變化也有一定的影響。

干旱；降雨；小波分析；累積距平；廣東省

旱災(zāi)是影響廣東經(jīng)濟社會發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一。近十幾年來，在全球氣候變化的影響下，降水變率增大，時空分布愈加不均，干旱趨于增強（陳子燊等，2013）。2004年發(fā)生了半個世紀以來最嚴重的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)，災(zāi)害持續(xù)時間長、影響范圍廣、災(zāi)害損失重，直接經(jīng)濟損失超過35億人民幣（Zhang et al.，2011）。根據(jù)Wilhite et al.（1985）的研究，干旱可分為4種類型：氣象干旱（由降水和蒸發(fā)不平衡所造成的水分短缺現(xiàn)象）、農(nóng)業(yè)干旱（以土壤含水量和植物生長形態(tài)為特征，反映土壤含水量低于植物需水量的程度）、水文干旱（河川徑流低于其正常值或含水層水位降落的現(xiàn)象）、社會經(jīng)濟干旱（在自然系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)中，由于水分短缺影響生產(chǎn)、消費等社會經(jīng)濟活動的現(xiàn)象）。廣東省雖降雨量充沛，但受地理、地質(zhì)條件，及季風(fēng)氣候等因素影響，降雨時空分布不均，農(nóng)業(yè)旱災(zāi)頻發(fā)（薛積彬等，2005；梁紅梅等，2006）。一般來說，由于冬季多為旱作，而夏旱持續(xù)時間較短、范圍較小，因此，影響廣東省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要為春旱和秋旱（張勇等，2000）。按照氣象部門對廣東省旱期的劃分（錢光明等，2008）：2─5月為春旱，8─10月為秋旱。

很多學(xué)者曾利用EOF分析、相關(guān)分析、小波分析等方法對廣東全省及省內(nèi)各市降雨的時空變化進行了研究（紀忠萍等，2009；肖莞生等，2010；廖義善等，2014），分析并討論了年際、年、季節(jié)等尺度的降水周期及趨勢變化（賀海晏，1998；李江南等，2002；王祝，2006；管勇等，2011）。但在這些文獻中，廣東省旱期降水的周期以及時空變化趨勢分析方面的研究不多。本文采用累積距平、小波分析等方法分析研究廣東省春旱和秋旱降雨的時空變化趨勢，以期為廣東省旱災(zāi)的監(jiān)測、預(yù)報提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概況

廣東?。?0°13′～25°31′N，109°39′～117°19′E）位于我國東南沿海，總面積為17.98 km2，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，也是我國嚴重的氣候脆弱區(qū)之一，易受到洪澇、干旱及臺風(fēng)災(zāi)害的影響。廣東省降雨充沛，多年平均降雨量超過1700 mm，降雨類型主要由鋒面雨和氣旋雨組成，多集中在 4─9月的汛期且年際、空間分布差異很大。廣東地形復(fù)雜，總體呈北高南低的走勢，其中，南嶺地形對廣東省氣候的影響最大。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

選用廣東省境內(nèi)125個雨量站1956─2010年春旱期（2─5月）和秋旱期（8─10月）逐月降雨資料，雨量站空間分布見圖1。

圖1 廣東省地理位置和雨量站點分布Fig. 1 Location and topographical properties of the study region and distribution of rain gauges

為分析不同旱期降雨量年際變化規(guī)律，采用泰森多邊形法計算面降雨量，并統(tǒng)計逐年春旱期、秋旱期的面降雨量多年平均值、降雨距平以及累積距平，從累積距平曲線圖判斷旱期降雨時間序列的階段性趨勢變化；另外，利用小波分析方法分析降雨的整體周期性變化。

累積距平常被用來判斷趨勢變化。對于序列x，其某一時刻t的累積距平表示為（魏鳳英，1999）：

小波分析因具有時頻多分辨特性，可同時獲取非平穩(wěn)時間序列的整體周期性、局部細節(jié)變化，而被廣泛應(yīng)用于水文系統(tǒng)多時間尺度分析和研究中（王文圣等，2005）。小波分析方法基本原理包括小波分析的基礎(chǔ)——小波函數(shù)、小波分析的核心——小波變換，及小波方差3部分。

小波函數(shù)ψ ( t) ∈ L2( R)是指具有震蕩特性、可迅速衰減為零的一類函數(shù)：

式中， ()tψ 為母小波函數(shù)，可通過尺度伸縮和時間軸平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

式中，ψa,b(t)是子小波，a、b分別表示尺度因子、平移因子。

常用的小波函數(shù)有Morlet小波、Meyer小波、Haar小波等（Lahat et al.，2000），不同的母小波函數(shù)可以得到不同的子小波序列（桑燕芳等，2008）。由于降雨資料為連續(xù)的時間序列，為獲得平滑連續(xù)的小波振幅，選取 Morlet非正交復(fù)小波作為母小波。

對于給定的時間序列 f( t) = L2( R)，它的連續(xù)小波變換為：

2 時空變化分析

2.1 空間分布分析

降雨的空間分布具有典型的地域分布特性：春旱期（圖2a）多年平均降雨量為633.3 mm，總體呈現(xiàn)南少北多的空間分布特點，在粵北的清遠出現(xiàn)一個高值區(qū)，另一個高值區(qū)在粵西的陽江，低值區(qū)位于粵西湛江雷州半島地區(qū)。雷州半島及潮汕、云浮、肇慶南部、佛山、東莞、深圳等地因春旱期降雨量偏少，受春旱影響較大。其中，雷州半島地降雨量在400 mm以下，局部降雨量僅為223 mm。秋旱期（圖2b）多年平均降雨量為478.5 mm，降雨量沿廣東省海岸線垂直方向，由南向北減少。高值區(qū)位于粵西的陽江、珠江三角洲的江門，低值區(qū)位于粵北的韶關(guān)。秋旱期內(nèi)，粵北及廣州、佛山、肇慶、云浮等地的降雨量均低于400 mm，受秋旱影響較大。其中，韶關(guān)北部地區(qū)降雨量一般不足 300 mm，局部降雨量甚至低至280 mm。

圖2 春旱期（a）、秋旱期（b）多年平均降雨量等值線圖Fig. 2 Isopleth map of average annual rainfall during spring and autumn

比較分析各旱期降雨的空間分布，發(fā)現(xiàn)春、秋旱期降雨空間分布總體表現(xiàn)相反，春旱期降雨高值區(qū)在秋旱期恰為降雨低值區(qū)，春旱期降雨低值區(qū)在秋旱期降雨量普遍較多。但陽江、汕尾等地在春、秋旱期均表現(xiàn)為降雨高值區(qū)。通過與地形分析對比可以看出，春、秋旱期降雨空間分布與地形有較好的對應(yīng)關(guān)系，海拔高的地區(qū)春旱期降雨多，秋旱期降雨則較少。

2.2 趨勢變化分析

從累積距平值隨時間的變化（圖3）看出，春、秋旱期降雨的豐枯變換明顯，且在 1986年之前、2002年之后變化相似，1986─2001年間變化相反。春旱、秋旱期降雨在1956─1960年間均波動增加，在1961─1970年間減少，1971─1985年間降雨量復(fù)又增加；1986─2001年間春旱、秋旱期降雨變化差異較大，1986─1992年間秋旱期降雨減少，1993─2001年間秋旱期降雨波動增加，但春旱期降雨在此年間波動較大，且在1986─1992年間微弱增加，1993─2001年間波動減少；自2002年期，春旱、秋旱期降雨變化表征相似，降雨量均減少。

圖3 廣東省降雨累積距平曲線Fig. 3 Cumulative departure curve of precipitation in Guangdong Province

從降雨年代距平表（表 1）中看出，春旱期降雨變化比秋旱期降雨變化更為顯著。其中，春旱期降雨量值在上世紀 80年代達到最高，其年代距平百分比高達18.60%，而在此年代內(nèi)，秋旱期降雨量值恰為最低，其距平百分比為-8.51%；春旱期在上世紀60年代最小，年代距平百分比為-10.96%，此外本世紀初 2001─2010年的年代距平百分比也低至-10.83%；秋旱期降雨于上世紀70年代最為豐沛，年代距平百分比為8.17%。

表1 春旱、秋旱期降雨年代距平匯總表Table 1 Precipitation departure in every decade during spring and autumn

2.3 多時間尺度分析

圖4、圖5分別為廣東省春、秋旱期降雨序列的小波分析結(jié)果，圖4a、圖5a為時間函數(shù)的功率譜等值線圖，各條等值線代表不同大小的小波譜密度，其中粗等值線包圍的部分置信度超過95%，圖中V形曲線為影響錐曲線，由于錐外部分的可信度需要進一步檢驗，這里只探討影響錐內(nèi)的部分；圖4b、圖 5b為小波方差圖，圖中虛線為白噪音理論檢驗值，超過白噪音理論譜的主要周期即為降雨序列的顯著周期。

圖4 春旱期降雨小波分析結(jié)果圖Fig. 4 Contour map of wavelet power spectrum and white-noise spectrum significance tests on global wavelet spectrum during spring

圖5 秋旱期降雨小波分析結(jié)果圖Fig. 5 Contour map of wavelet power spectrum and white-noise spectrum significance tests on global wavelet spectrum during autumn

從圖4、圖5的影響錐曲線范圍可以看出，春、秋旱期降雨序列的主要周期均為2.1～19.7 a。其中，分析春旱期降雨小波功率譜圖（圖4a）發(fā)現(xiàn)，春旱期降雨序列在 1966─1970、1973─1977、1984─1987、1988─1992、1994─1997年間存在2～3 a左右的周期振蕩，在1978─1982、1984─1989、1994─1997年間存在 3～4 a左右的周期振蕩，1964─1972及1997─2002年間存在5 a左右的周期振蕩，1976─1992年間存在2次6 a左右的周期振蕩，1985─1997年間存在9 a左右的周期振蕩，1974─1983年間存在 12 a左右的周期振蕩，但只有 1973─1977、1988─1992年間2.5 a左右，和1994─1997年間 4.5a左右的時間尺度通過了 95%的置信度檢驗。結(jié)合廣東省降雨累積距平曲線圖（圖 3）的分析發(fā)現(xiàn)，春旱期降雨累計距平曲線在這3個時段內(nèi)均存在相應(yīng)波動：其中在2.5 a左右時間尺度下1973─1975、1988─1990為多雨期，1976─1977、1991─1992為少雨期；4.5 a左右時間尺度下1994─1995年為少雨期，1996─1997年為多雨期。

從春旱期降雨的小波方差圖（圖4b）可以看出，春旱期降雨的主要周期信號由強到弱依次為 4.5、7.6、2.5、12.7 a。春旱期降雨自相關(guān)系數(shù) r值為-0.047，采用白噪音理論譜對春旱期降雨序列小波方差進行檢驗后發(fā)現(xiàn)，各時間尺度均未通過白噪音理論譜檢驗。因此，1956─2010年間廣東省春旱期降雨的最主要周期為4.5 a左右。因2.5 a左右時間尺度通過了95%的置信度檢驗，且7.6 a左右時間尺度的小波功率譜閉合曲線有一部分處于影響錐曲線外側(cè)，受端點效應(yīng)影響較大，其可信度需進一步檢驗，春旱期降雨的第二主周期為2.5 a左右。

分析秋旱期降雨小波功率譜圖（圖5a）發(fā)現(xiàn)，秋旱期降雨序列在1960─1962、1980─1984、1999─2002年間存在2～3 a左右的周期振蕩，在1961─1974、1987─1995年間存在3～3.8 a左右周期振蕩，1967─1984、1997─2002年間存在4～4.5 a的周期振蕩，1965─1991、1995─2000年間存在6～7 a左右的周期振蕩，1976─1987年間存在15 a左右的周期振蕩。但只有1961─1974年間3 a左右的時間尺度通過了 95%的置信度檢驗。結(jié)合秋旱期降雨累積距平曲線圖（圖3）的分析，在3 a左右時間尺度下，1961─1970為少雨期，1971─1977為多雨期。

從秋旱期降雨的小波方差圖（圖5b）可以看出，秋旱期降雨的主要周期信號由強到弱依次為19.7、2.9、11.7、6.4 a，但因19.7 a時間尺度剛好位于影響錐曲線頂點處，可信度均需進一步檢驗，本文不將其視為最主要周期。秋旱期降雨自相關(guān)系數(shù)r值為-0.052，采用白噪聲對小波方差進行檢驗后發(fā)現(xiàn)，各周期均未通過白噪音譜檢驗。因此，1956─2010年間廣東省秋旱期降雨的最主要周期為2.9 a左右。

3 討論

根據(jù)小波變換等方法，分別得到了春、秋旱期降雨的多時間尺度特征及空間分布規(guī)律。發(fā)現(xiàn)各旱期降雨均具有明顯的多時間尺度特征：春、秋旱期降雨都存在年、年代際周期性變化，且都以 2～4 a左右的年際變化為主要周期性變化；各旱期降雨的空間分布表征總體相反，但陽江、汕尾等地例外。

廣東省的地形地貌特征，是造成春、秋旱期降雨空間分布變化的主要原因：春旱期南嶺的阻隔使北方冷空氣無法深入，在粵北山區(qū)形成華南準靜止鋒（龐茂鑫等，1993），造成降水自北向南減少；秋旱期，來自南方海洋的暖濕氣流，被粵東的蓮花山、羅浮山，粵西的天露山、云霧山和云開大山等呈東北-西南走向的山脈所抬升，在迎風(fēng)坡形成大量降水，加上熱帶氣旋較少深入內(nèi)陸，致使秋旱期降水自南向北減少；地理位置沿海和當?shù)乩瓤诘貏菔菦Q定陽江、汕尾等地始終處于降雨高值區(qū)的主要原因，而以平原、臺地地形為主的雷州半島地勢低平，不易形成地形雨，成為降雨低值區(qū)。

廣東春季降雨主要由冷暖氣團交綏引起，秋季降雨主要來自熱帶氣旋（林愛蘭等，2010）。邵太華等（2012）研究表明，冬季北大西洋濤動（NAO）與南方地區(qū)春季降水正相關(guān)，張肖劍等（2011）研究表明NAO空間位移變化周期主要集中在2～6 a，且低壓中心經(jīng)向位移、高壓中心經(jīng)緯向位移均明顯存在4 a左右的周期性變化，這與廣東省春旱期降雨4.5、2.5 a的主要周期變化相吻合。根據(jù)賈子冰等（2015）的研究，海溫可能通過影響華南附近的臺風(fēng)活動分布，從而影響華南地區(qū)秋季降雨，程炳巖等（2005）研究表明北大西洋海表溫度與厄爾尼諾事件在 2～24 a尺度的周期變化上存在正相關(guān)關(guān)系，孫成志等（2007）也在研究中表明，因在厄爾尼諾年臺風(fēng)路徑多為轉(zhuǎn)向路徑，于我國東南沿海登陸的熱帶氣旋顯著減少，另外，李秀珍等（2010）通過對華南地區(qū)水汽輸送場的分析研究，表明厄爾尼諾與華南地區(qū)秋、冬、春季降水異常有關(guān)。據(jù)孫衛(wèi)國等（2005）的分析，厄爾尼諾各海區(qū)海洋表面溫度存在2～7 a、8～20 a和30 a以上尺度的周期變化，各海區(qū)冷暖事件振蕩能量主要集中在2～7 a尺度上，且以4 a尺度的周期振蕩最為顯著，這與廣東省春旱期降雨以4.5、2.5 a為主要周期，秋旱期降雨以2.9 a為主要周期的結(jié)論相吻合。因此，北大西洋濤動對廣東省春旱期降雨的周期性變化存在一定影響，厄爾尼諾對廣東省春旱、秋旱期降雨均存在一定影響。

4 結(jié)論

本文利用降雨等值線圖、累積距平、小波分析等方法，分析 1956─2010年間廣東省春、秋旱期降雨的時空變化，得到旱期降雨在不同時間尺度上的變化特征及不同旱期的空間分布規(guī)律。

（1）春旱期降雨總體上呈現(xiàn)南少北多的空間分布特點，秋旱期降雨由南向北減少，廣東省春、秋旱期降雨的空間分布基本反相，但陽江、汕尾表征相近。

（2）廣東省春、秋旱期降雨在 1986年之前及2002年以后變化相似，在1986─2001年間變化大致相反，且春旱期降雨變化較秋旱期降雨更為顯著；

（3）旱期降雨存在明顯的多時間尺度特征，且春旱、秋旱期降雨均以2～4 a左右的年際變化為主要周期性變化，其中春旱期主要周期為4.5和2.5 a，秋旱期主要周期為2.9 a；

（4）旱期降雨空間分布變化與各旱期降雨成因迥異、南嶺阻隔，及迎風(fēng)坡、喇叭口等局部地形有關(guān)，北大西洋濤動對廣東省春旱期降雨的周期性變化存在一定影響，厄爾尼諾對廣東省春旱、秋旱期降雨的周期變化均存在一定影響。

由于本文僅根據(jù)現(xiàn)有的研究成果分析降雨時空變化的成因，并未選用相關(guān)數(shù)據(jù)進行定量分析，因此北大西洋濤動和厄爾尼諾對廣東降雨的具體影響及影響機制有待進一步深入探討分析。

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Characteristics of Rainfall during Drought Seasons in Guangdong Province from 1956 to 2010

FAN Feiyun1, JIANG Tao1,2, ZENG Zhiping1, LI Kun1,2, HUANG Yanping1
1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Drought is one of the major natural disasters which can influence the economic development of Guangdong province. Based on the data of 125 rainfall gauges from 1956 to 2010 in Guangdong province, three methods, i.e. isohyet maps, cumulative anomalies, and wavelet analysis were employed to analyze the multi-scale temporal variations and spatial distribution of rainfall during spring and autumn drought seasons, in order to support drought monitoring and forecasting. The results indicate that: (1) generally, the spatial distributions of rainfall during spring and autumn are opposite. During spring, rainfall declines from the north to the south, with the high center around Qingyuan in northern Guangdong and the low center in Zhanjiang which is located in the Leizhou Peninsula in western Guangdong. However, it is contrary except for a few places during the autumn. The high center in autumn appears in Jiangmen in the Pearl River Delta. The low center is located in Shaoguan in northern Guangdong. Yangjiang and Shanwei are both high rainfall areas in spring drought and autumn drought seasons. (2) the variations of rainfall during spring and autumn are quite similar in the years from 1956 to 1986 and from 2002 to 2010, which are more variable during 1956─1960 and 1970─1985 and less variable during 1961─1970 and 2002─2010. In contrast, rainfall varies in the opposite way during different seasons from 1986 to 2001. During 1986─1992, there is a slight increasing trend of spring rainfall and a declining trend of autumn rainfall. On the contrary, there is a declining trend of spring rainfall and an increasing trend of autumn rainfall during 1993-2001. Moreover, the percentage of rainfall anomaly in every decade during spring changes from -10.96% to 18.60%. But the percentage during autumn only changes from -10.83% to 8.17%, which indicates that rainfall in spring varies more than that in autumn. And (3) rainfall in spring varies mainly on scale of 4.5-year and 2.5-year, and 2.9-year during autumn. The barrier of Nan Ling to cold air from the north and the local terrain variations are the main factors inducing spatial variations of rainfall in different drought seasons. NAO has some effects on the periodic change of rainfall in spring drought seasons and ENSO can cause periodic variations of rainfall in both spring and autumn drought seasons.

droughts; rainfall; wavelet analysis; cumulative anomalies; Guangdong province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.009

X16

A

1674-5906（2015）08-1316-06

范菲蕓，江濤，曾志平，黎坤，黃炎慶. 廣東省1956─2010年旱期降水特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(8): 1316-1321. FAN Feiyun, JIANG Tao, ZENG Zhiping, LI Kun, HUANG Yanping. Characteristics of Rainfall during Drought Seasons in Guangdong Province from 1956 to 2010 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1316-1321.

國家自然科學(xué)基金項目（41371055）；廣東省省級科技計劃項目（2013B020700009）；IGCP-618、INQUA-IFG1309F等項目聯(lián)合資助

范菲蕓（1992年生），女，碩士研究生，主要從事城市水資源研究工作。E-mail: fanfy23@163.com *通信作者：江濤（1965年生），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水資源保護與管理、水環(huán)境模擬與規(guī)劃、流域水文模擬等領(lǐng)域研究。E-mail: eesjt@mail.sysu.edu.cn

2015-01-08