近60 a來(lái)增江流域降水時(shí)空變化特征及其趨勢(shì)分析

梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

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近60 a來(lái)增江流域降水時(shí)空變化特征及其趨勢(shì)分析

梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

基于增江流域17個(gè)雨量站1956—2015年的逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、EOF經(jīng)典正交分解、Morlet小波分析等方法，分析了流域降水量的時(shí)空變化特征。并用層次聚類(lèi)法對(duì)研究站點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)和分區(qū)，以研究60 a來(lái)降雨中心的移動(dòng)軌跡。結(jié)果表明：① 增江流域多年平均降雨量為2 098.3 mm，呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，1976年為突變點(diǎn)，1976年以后進(jìn)入降雨偏少時(shí)期，主周期由原來(lái)的6 a及2 a突變?yōu)? a。② 60 a來(lái)流域東北部和西部呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，西北部至東南部一帶呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì)。③ EOF分解展示了高值區(qū)與低值區(qū)分布，左右岸區(qū)域呈相反的分布形態(tài)。④1973—1975年及2010—2015年，高值區(qū)和低值區(qū)發(fā)生了移動(dòng)。

增江流域；時(shí)空變化特征；經(jīng)驗(yàn)正交分解； 降雨中心移動(dòng)軌跡

增江是廣州市境內(nèi)最大的一條獨(dú)立中小河流[1]， 是東江一級(jí)支流， 發(fā)源于新豐縣七星嶺， 在流經(jīng)龍門(mén)縣城后， 自東北向西南流經(jīng)龍門(mén)、增城兩區(qū)縣 ， 至增城的新家埔流入東江北干流。河流全長(zhǎng)為203 km， 流域面積約為3 160 km2。流域面積呈狹長(zhǎng)型， 東西寬為61 km， 南北長(zhǎng)為90 km。流域北連新豐縣， 南接?xùn)|莞， 東連河源， 西臨從化。

在已有對(duì)增江流域的研究中，陳龍[2]從降水、蒸發(fā)、徑流、暴雨、洪水特征等方面對(duì)增江流域的水文特性進(jìn)行分析。陳剛[3]采用累計(jì)距平分析和 Kendall 秩次相關(guān)分析方法， 對(duì)增江流域降雨徑流資料進(jìn)行了研究。但探究增江流域降雨變化趨勢(shì)的文章并不多，特別是缺乏時(shí)空演變規(guī)律的研究。本文采用增江流域17個(gè)雨量站1956—2015年的逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)流域降水量的年際變化特征、代際變化特征、降雨極值演變等方面進(jìn)行分析，尋找變化的原因及探索變化的規(guī)律，并根據(jù)其趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，為水資源合理調(diào)配提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)內(nèi)17個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家水文信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在各雨量站點(diǎn)記錄中，資料最長(zhǎng)站點(diǎn)記錄年限為1955—2015年，資料最短站點(diǎn)記錄年限為1978—2015。各個(gè)站點(diǎn)資料序列長(zhǎng)度均多于30 a，長(zhǎng)達(dá)50 a以上的站點(diǎn)有13個(gè)。按照樣本一致性、代表性及可靠性要求，對(duì)資料進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)對(duì)部分測(cè)站中缺測(cè)資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。流域內(nèi)地形條件及站點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 增江流域雨量站點(diǎn)分布及泰森多邊形權(quán)重示意

1.2研究方法

本文采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)[4]、Mann -Kendall趨勢(shì)分析檢驗(yàn)法、Morlet小波分析等方法分析降雨序列的時(shí)空變化特征及其變化趨勢(shì)。EOF分解能把隨時(shí)間變化的變量場(chǎng)分解為不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)部分和只依賴(lài)時(shí)間變化的時(shí)間函數(shù)部分[5]，空間函數(shù)部分概括場(chǎng)的地域分布特點(diǎn)，而時(shí)間函數(shù)部分則是由場(chǎng)的空間點(diǎn)的變量線(xiàn)性組合所構(gòu)成，本文用于分析增江流域降水的時(shí)空分布模態(tài)；Mann -Kendall趨勢(shì)分析檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法[6]，亦稱(chēng)無(wú)分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，適合于水文氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，本文用于檢驗(yàn)增江流域降雨的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)；小波分析[7]應(yīng)用于多尺度水文分析研究中，本文采用Morlet小波分析研究增江流域降水序列的周期演變特征。

2 結(jié)果分析

2.1降水量時(shí)程變化

2.1.1面降雨量變化趨勢(shì)

根據(jù)泰森多邊形法得出各雨量站泰森多邊形權(quán)重，如圖1，求得流域面雨量年序列。增江流域1956—2015年年平均降雨量為2 098.3 mm，利用線(xiàn)性回歸法和5 a滑動(dòng)平均法分析流域面降雨量距平曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，如圖2。流域呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)，降雨傾向率為每10 a減少1.1 mm。在1990年以前年降雨量變化頻繁和幅度較大，此后變化幅度稍微減緩。采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算全流域年降水量系列變化趨勢(shì)，得出Z值為-1.422 3，β值為-3.735 2，傾斜度置信區(qū)間為[-10.731， 1.742 9]，說(shuō)明流域呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì)，但是趨勢(shì)并不明顯，沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)年降雨序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，見(jiàn)圖3。UF正向序列曲線(xiàn)表明增江流域年降雨量在1980年以后有減少的趨勢(shì)，部分年份通過(guò)了0.05顯著性水平。2004年是突變年，突變現(xiàn)象非常顯著，表現(xiàn)為突變年之前為減少趨勢(shì)，突變年之后為增加趨勢(shì)。UB反向序列曲線(xiàn)表明1989年及1995年是突變年，表現(xiàn)為1989年之前為增加趨勢(shì)，1995年之后為減少趨勢(shì)。根據(jù)兩曲線(xiàn)交點(diǎn)位置可知，1976年為突變年，說(shuō)明1976年以后年降雨減少，目前正處于降雨偏少期。

圖2 增江流域年降雨量距平

圖3 增江流域1956—2015年降雨變化突變檢驗(yàn)

以突變點(diǎn)1976年為節(jié)點(diǎn)，把年降水序列分為1976以前和1976以后兩個(gè)距平序列，分別進(jìn)行周期分析。為減小邊界效應(yīng)，將序列資料向前和向后各延長(zhǎng)拓展一個(gè)樣本長(zhǎng)度[8]，變換后再將延拓部分舍棄。

圖4給出了增江流域1956—1975年降雨序列小波變換實(shí)部系數(shù)圖及小波方差圖。從實(shí)部系數(shù)圖可以看出，序列在2 a尺度上，呈現(xiàn)不規(guī)則的正負(fù)交替現(xiàn)象；在6 a尺度上，1956—1973年之間呈現(xiàn)穩(wěn)定的正負(fù)交替變換的周期震蕩特性，經(jīng)歷了2.5個(gè)循環(huán)交替，其中1958—1960年能量變化最強(qiáng)，震蕩中心在1960年；在15 a尺度上，有明顯的正負(fù)交替，但由于序列長(zhǎng)度只有20 a，15 a尺度不具有代表性。為識(shí)別上述時(shí)間尺度是否有統(tǒng)計(jì)意義，采用紅噪聲譜[9]對(duì)小波方差進(jìn)行檢驗(yàn)。從圖4的小波方差圖可以看出，2 a和6 a時(shí)間尺度都超過(guò)95%信度水平。因此，增江流域1956—1975年降雨序列第一主周期為6 a，第二主周期為2 a。

從圖5看出，1976—2015年年降雨距平序列實(shí)部系數(shù)在5 a尺度上有明顯且平穩(wěn)的正負(fù)交替，由于時(shí)間長(zhǎng)度有40 a，時(shí)間尺度規(guī)律明顯，且小波方差圖5 a時(shí)間尺度通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。因此增江流域1976—20155年降雨序列主周期為5 a。

因此以1976年為節(jié)點(diǎn)，突變前周期為6 a套2 a，突變后周期變?yōu)? a，且2 a周期消失。表現(xiàn)為1976年以前振動(dòng)頻繁，1976年后振動(dòng)較緩，突變不僅改變了降雨量的趨勢(shì)，而且改變了降雨序列的周期特性。

圖4 增江流域1956—1975年降雨距平序列小波變換實(shí)部系數(shù)及小波方差示意

圖5 增江流域1976—2015年降雨距平序列小波變換實(shí)部系數(shù)及小波方差示意

2.1.2站點(diǎn)降雨量變化趨勢(shì)

利用Mann-Kendall法對(duì)增江流域17個(gè)站點(diǎn)近60 a的降水序列在95%置信區(qū)間上進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，只有何家田站Z為-2.03，表現(xiàn)為何家田站降雨序列60 a來(lái)存在突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)在1984年，1984年后何家田站呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；其他16個(gè)站Z值都為0，說(shuō)明序列沒(méi)有趨勢(shì)。將所有站年降水變化幅度β值進(jìn)行內(nèi)插，得出增江流域年降水變化趨勢(shì)空間分布圖，如圖6所示，流域17個(gè)雨量站β值都沒(méi)有超過(guò)95%置信區(qū)間，但表現(xiàn)為東北部和西部呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，西北部至東南部一帶呈現(xiàn)有何家田站帶動(dòng)的微弱的減少趨勢(shì)。

圖6 增江流域年降水序列β值空間分布示意

2.2降水量空間變化

2.2.1年降水量空間分布規(guī)律

對(duì)17個(gè)雨量站60 a的年降水量序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解。經(jīng)計(jì)算，前4個(gè)模態(tài)均能通過(guò)North[10]特征值顯著性檢驗(yàn)，其中前2個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為0.988 1、0.002 5，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)0.990 6。因此，EOF的前2個(gè)模態(tài)的空間和時(shí)間特征足以分析流域年降水量的典型空間分布型和時(shí)間模態(tài)[11]。在流域年降水量空間分布中，第一模態(tài)占絕對(duì)的主導(dǎo)地位。從圖7(a)可看出，增江流域年降水量高值區(qū)有兩個(gè)，分別位于靠近七星墩水庫(kù)一帶和天堂山水庫(kù)的龍?zhí)舵?zhèn)附近， 是年降水量振幅高值的中心區(qū)，流域年降水量從流域中部分別向北和向南減少。第二模態(tài)(見(jiàn)圖7(b))則表現(xiàn)為“0”值線(xiàn)沿“天堂山水庫(kù)—龍?zhí)舵?zhèn)—永漢鎮(zhèn)—派潭鎮(zhèn)”一線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，基本上和增江主干道走向平行，流域內(nèi)河道左右岸區(qū)域呈相反的分布形態(tài)，即河道左岸多，則河道右岸少，或河道左岸少，則河道右岸多。與流域地形圖(見(jiàn)圖1)對(duì)比分析可知，增江上游和主干道右岸地勢(shì)較高，增江下游和主干道左岸地勢(shì)較平坦，說(shuō)明地形的分布影響了降雨量的空間分布，因此形成“0”值線(xiàn)的分布形態(tài)，表現(xiàn)出流域年降水量的空間差異。

(a)第一模態(tài) (b)第二模態(tài)

圖7 增江流域年降水量EOF空間分布模態(tài)

為揭示流域年降水量空間分布類(lèi)型的時(shí)間特征，圖8展示了年降水量第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)分布。系數(shù)絕對(duì)值越大，則對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)降水空間分布類(lèi)型越典型。從圖中可以看出，60 a來(lái)第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)一直為正，說(shuō)明第一模態(tài)的降雨類(lèi)型是流域降雨的典型，且在1983年系數(shù)達(dá)到最大值， 則1983年降水空間分布是最典型的流域年降水空間分布，見(jiàn)圖9(a)。圖9(b)是流域60 a平均降雨量等值線(xiàn)圖，與圖9(a)相比，雖然兩者降雨量值區(qū)間不同，但高值區(qū)和低值區(qū)的分布趨勢(shì)基本一致，都是七星墩水庫(kù)一帶和天堂山水庫(kù)的龍?zhí)舵?zhèn)附近為高值區(qū)，流域南部和北部是低值區(qū)。說(shuō)明EOF分解用于分析流域降雨量分布是可行的，其時(shí)間分布能反應(yīng)流域的變化趨勢(shì)。

圖8 增江流域年降水量第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)

(a)1983年降水量分布 (b)多年平均年降水量分布

2.2.2年際降水量降雨中心移動(dòng)軌跡

以增江流域17個(gè)雨量站點(diǎn)60 a長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)17個(gè)站同一年份進(jìn)行[-1，1]標(biāo)準(zhǔn)化，并進(jìn)行層次聚類(lèi)分析[12]，分析結(jié)果如圖10(a)所示，當(dāng)類(lèi)間距離取為10時(shí)，雨量站可分為7類(lèi)：藍(lán)田、江灣和連麻為1類(lèi)；鐵崗、七星墩和渡頭為2類(lèi)；路灘為3類(lèi)；地派為4類(lèi)；麻榨、香溪、何家田和永漢為5類(lèi)；麒麟咀(二)、新家埔、聯(lián)安和派潭為6類(lèi)，上坪為7類(lèi)。把流域從空間上分為7部分，如圖10所示，分為上游，下游，岸左和岸右和流域外圍，與實(shí)際情況相符。

下面對(duì)這7部分站點(diǎn)進(jìn)行暴雨中心移動(dòng)軌跡研究[13]。把各站點(diǎn)按分區(qū)排列，畫(huà)出60 a來(lái)降雨量各年歸一化值的分布圖，如圖11所示。越接近1，說(shuō)明該站越接近當(dāng)年降雨高值區(qū)，越接近-1，說(shuō)明為該站越接近當(dāng)年降雨低值區(qū)。從圖11中可以看出，高值中心(紅色渲染)有2個(gè)，一個(gè)是以渡頭站為中心的Ⅱ區(qū)，另一個(gè)是從1963年開(kāi)始進(jìn)入高值區(qū)的上坪站(Ⅶ區(qū))，這與前面降雨分布規(guī)律分析相符。高值區(qū)60 a來(lái)移動(dòng)不大，變化不明顯。但在1973—1975年，高值區(qū)活動(dòng)頻繁，除兩個(gè)高值中心外，還染指了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等3個(gè)區(qū)。而低值中心(綠色渲染)60 a來(lái)穩(wěn)定在Ⅵ區(qū)，即流域的下游，但是在1968—1975年之間，低值區(qū)移動(dòng)到了路灘(Ⅲ區(qū))，位于流域東邊，移動(dòng)軌跡比較明顯。說(shuō)明在1970s初增江流域高值區(qū)從原來(lái)位于中部和西部的Ⅱ、Ⅻ區(qū)擴(kuò)散到了Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ區(qū)，占據(jù)了流域的大部分，低值中心被趕出流域，到了Ⅲ區(qū)流域外圍。然而，在2010—2015年之間，低值區(qū)活動(dòng)頻繁，低值區(qū)占據(jù)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等4個(gè)區(qū)，占據(jù)流域大半部分。因此，增江流域近幾年一直處于降雨偏少階段，從降雨量和分布上都可以得到一致的結(jié)論。

(a) (b)

圖10 增江流域雨量站分層樹(shù)狀圖及分區(qū)示意

圖11 增江流域雨量標(biāo)準(zhǔn)化值渲染示意

3 結(jié)語(yǔ)

基于1956—2015年增江流域17個(gè)雨量逐月降雨量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、EOF經(jīng)典正交分解、Morlet小波分析等方法，分析了流域降水量的時(shí)空變化特征和趨勢(shì)，得到結(jié)論如下：

1) 1956—2015年增江流域多年平均年降雨量為2098.3 mm，呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，下降速率為1.1 mm/10a。M-K趨勢(shì)分析說(shuō)明流域呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢(shì)，在1975年發(fā)生突變，1976年以后的年降雨減少是突變現(xiàn)象，目前正處于降雨偏少期。以突變點(diǎn)1976年為節(jié)點(diǎn)，把年降水序列分為1976年以前和1976年以后2個(gè)距平序列，前者的第一主周期為6 a，第二主周期為2 a，后者主周期為5 a，主周期都能通過(guò)紅噪聲譜檢驗(yàn)。突變不僅改變了降雨量的趨勢(shì)，而且改變了降雨序列的周期特性。

2) 各站點(diǎn)降雨量變化趨勢(shì)分析顯示，60 a來(lái)流域東北部和西部呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，西北部至東南部一帶呈現(xiàn)有何家田站帶動(dòng)的微弱的減少趨勢(shì)。

3) 在流域年降水量空間分布中，第一模態(tài)顯示增江流域年降水量高值區(qū)有2個(gè)，分別位于靠近七星墩水庫(kù)一帶和天堂山水庫(kù)的龍?zhí)舵?zhèn)附近，流域年降水量從流域中部分別向北和向南減少。第二模態(tài)表現(xiàn)為“0”值線(xiàn)與河道走向平行，左右岸區(qū)域呈相反的分布形態(tài)。1983年降水空間分布是最典型的流域年降水空間分布，與流域60 a平均降雨量分布相近。

4) 層次聚類(lèi)分析結(jié)果顯示，流域可劃分為7個(gè)部分，分別代表為上游，下游，岸左和岸右和流域外圍。把各站點(diǎn)按分區(qū)排列，進(jìn)行降雨中心移動(dòng)軌跡研究。結(jié)果顯示，高值中心基本位于以渡頭站為中心的Ⅱ區(qū)和上坪站(Ⅶ區(qū))，但1973—1975年，高值區(qū)向東和向南延伸，把低值中心逼出流域外(路灘)，占據(jù)流域大部分。低值中心60 a來(lái)穩(wěn)定在新家埔附近(Ⅵ區(qū))，但在2010—2015年之間，低值區(qū)活動(dòng)頻繁，占據(jù)流域大半部分。因此，增江流域近幾年一直處于降雨偏少階段，從降雨量和分布上都可以得到一致的結(jié)論。

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Tempo-Spatial Changes of Characteristics and Tendencies of Precipitation in Zengjiang River Basin in Recent 60 Years

LIANG Yingshan

(Guangzhou Branch of Guangdong Hydrology Bureau, Guangzhou 510150，China)

Based on the annual rainfall from 17 precipitation stations in the Zengjiang River Basin during 1956-2015, the tempo-spatial changes of characteristics and tendencies of precipitation of this basin are systematically analyzed by using the methods of Mann-Kendall ,empirical orthogonal function decomposition(EOF), and Morlet wavelet analysis．The stations are classified and partitioned by hierarchical clustering method to study the moving traces of the annual precipitation canters. The results show：(1) The average annual precipitation of Zengjiang River Basin during 1956～2015 is 2098.3mm. A trend of decreasing with the mutation in 1976 is showed, which causes the break of periodicity. (2)There is a slightly increasing trend in the area of northeast and west, and a decreasing trend in the northwest and southeast areas. (3) EOF has identified the high and low precipitation areas, and found the distribution patterns of the left and right rank of the river. (4)The movements of annual precipitation centers have happened during 1973-1975 years and 2010-2015 years.

Zengjiang river basin;tempo-spatial changes;empirical orthogonal function;moving trace of precipitation center

2016-02-04;

2016-05-06

梁穎珊(1988)，女，碩士，助理工程師，從事水文計(jì)算及水資源管理等工作。

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