近59年許昌市降水演變特征分析

楊孟豪， 曹連海,2， 夏 帆， 商震霖

(1.華北水利水電大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院， 河南 鄭州 450046； 2.南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 南陽(yáng) 473061； 3.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 研究背景

氣候變化將引起降水、徑流的時(shí)空變化，進(jìn)而增加了干旱、洪澇等極端氣候事件發(fā)生的頻次[1-3]。IPCC[4]第五次評(píng)估報(bào)告指出，在全球氣候變暖背景下，區(qū)域間、雨季與旱季的降水對(duì)比度將會(huì)更激烈。因此，研究區(qū)域降水的演變特征對(duì)于了解區(qū)域降水發(fā)展動(dòng)態(tài)、防洪抗旱具有重要作用[5-8]。

許昌市位于河南省中部，地處南北氣候過(guò)渡帶，氣候復(fù)雜多變，多旱、澇等氣象災(zāi)害[9-10]，尤其是旱災(zāi)，幾乎每年都有發(fā)生，已嚴(yán)重影響了許昌市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10]；同時(shí)，作為首批國(guó)家級(jí)水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市，許昌市卻是一個(gè)嚴(yán)重缺水的城市[11]，降水資源的有效利用是加快建設(shè)許昌市水生態(tài)文明的關(guān)鍵。因此，研究許昌市降水演變特征意義重大。蘇豐敏等[9]利用五年滑動(dòng)平均法研究了許昌市年降水量的變化趨勢(shì)，認(rèn)為許昌市降水量整體呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，在季節(jié)上呈現(xiàn)出春季和秋季減少、夏季和冬季增多的趨勢(shì)；顧萬(wàn)龍等[12]結(jié)合河南省103個(gè)站點(diǎn)的降水資料，利用線性相關(guān)法分析了河南省1956-2007年降水的變化特征，指出豫中地區(qū)降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。綜合已有研究發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：(1)研究所用方法相對(duì)單一；(2)研究所用數(shù)據(jù)多在2007年以前；(3)已有的研究結(jié)論不統(tǒng)一；(4)缺乏對(duì)許昌市多時(shí)間尺度降水突變情況及周期性變化規(guī)律的研究。鑒此，本文采用線性回歸、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)、累積距平和Morlet連續(xù)復(fù)小波分析等方法，從年、雨季、旱季時(shí)間尺度出發(fā)，探討許昌市1956-2014年降水量的變化趨勢(shì)、突變情況以及周期性變化規(guī)律，以期為許昌市防洪抗旱提供參考，同時(shí)可為許昌市水生態(tài)文明城市的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

許昌市地處河南省中部(113°03′～114°19′E，33°42′～34°24′N)，總面積4 996 km2，其中山地521.2 km2，丘陵和崗地836.8 km2，平原3 638 km2。許昌市屬北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量資源豐富，無(wú)霜期長(zhǎng)。全市多年平均降雨量691.2 mm，95%干旱年份降水僅為480.6 mm，而20%濕潤(rùn)年份降水為809.6 mm，降水量年際變化大，年降水量變差系數(shù)CV值為0.22；降水年內(nèi)分配也極不均勻，其中6-9月份降水集中，占全年降水量的62%。許昌市因地處南北氣候過(guò)渡帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)、年際多旱、澇等氣象災(zāi)害。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究區(qū)所需降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于許昌水文水資源勘測(cè)局，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。因降水量觀測(cè)起始年份的差異，且考慮到許昌市降水量觀測(cè)點(diǎn)的遷移、撤銷等問(wèn)題，為了建立時(shí)間長(zhǎng)度一致、觀測(cè)穩(wěn)定的降水量序列，在綜合考慮許昌市山地、丘陵和崗地、平原等地形區(qū)域分布差異的情況下，最終選取了許昌市13個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)的月降水量數(shù)據(jù)作為本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，降水量觀測(cè)點(diǎn)的空間分布情況見圖1。降水量數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度是1956年1月至2014年12月。

對(duì)許昌市降水量數(shù)據(jù)的處理分析主要是基于Matlab R2017a、Excel 2007、Arcgis 10.2等軟件操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。許昌市年降水量主要集中在雨季，因此本文對(duì)于降水量季節(jié)的劃分采用雨旱季，即6-9月為雨季，其它月份為旱季。

圖1 許昌市降水量觀測(cè)點(diǎn)空間分布

2.3 研究方法

本次研究主要運(yùn)用線性回歸法[13]、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法(以下簡(jiǎn)稱M-K法)對(duì)許昌市年際和年內(nèi)降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析[13-15]和突變狀況檢驗(yàn)[13,16-17]，并結(jié)合累積距平法[18-19]對(duì)可能存在的虛假突變時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行剔除，確定符合實(shí)際的降水突變情況；文中選定M-K值取±1.96，相應(yīng)的顯著性水平為0.05。利用Morlet連續(xù)復(fù)小波分析法[20-22]研究許昌市降水量的周期性變化規(guī)律，提取降水量變化的主周期，揭示多時(shí)間尺度降水變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化趨勢(shì)

通過(guò)線性回歸得到許昌市年降水量、雨/旱季降水量的時(shí)間變化如圖2所示。許昌市年降水量最大值出現(xiàn)在1964年(1156.2 mm)，與旱季降水量最大值(623.4 mm)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)一致；年降水量第二高值時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)在1984年(1131.5 mm)，與雨季降水量最大值(906.0 mm)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)一致。許昌市年際、年內(nèi)降水量整體上均呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)，結(jié)合降水量變化趨勢(shì)線可知，許昌市不同時(shí)間尺度降水量的減少速率由大到小依次為：年降水量(8.7 mm/10a)>旱季降水量(7.3 mm/10a)>雨季降水量(1.6 mm/10a)。

圖2 許昌市降水量變化曲線

通過(guò)對(duì)許昌市13個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)年降水量、雨/旱季降水量進(jìn)行M-K法趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到各觀測(cè)點(diǎn)M-K值的空間分布如圖3所示。圖3中的降水量背景值是由許昌市13個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)1956-2014年多年平均降水量借助Arcgis 10.2軟件平臺(tái)的地統(tǒng)計(jì)工具，利用克里金空間插值法[23]得到?？梢钥闯鲈S昌市多年平均降水量在年際、年內(nèi)時(shí)間尺度上的空間分布均存在著明顯的地區(qū)差異，但整體上都呈現(xiàn)出自東北往西南方向降水遞增的分布格局。其中，在襄城縣、禹州市西南部山地以及鄢陵縣南部地區(qū)存在著明顯的年降水量、雨/旱季降水量高值區(qū)，而年降水量、雨/旱季降水量的低值區(qū)則主要分布在禹州市北部以及長(zhǎng)葛市北部地區(qū)。

由圖3可得，許昌市13個(gè)降水量觀測(cè)點(diǎn)年降水量、雨/旱季降水量的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果均未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，都表現(xiàn)為不顯著變化趨勢(shì)。其中，年降水量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)的有11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，表現(xiàn)為上升趨勢(shì)的有2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；雨季降水量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)的有9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，表現(xiàn)為上升趨勢(shì)的有3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，無(wú)變化的有1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；值得注意的是所有13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的旱季降水量變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

總體來(lái)看，近59年來(lái)許昌市年降水量、雨/旱季降水量均呈現(xiàn)為不顯著減少趨勢(shì)(表1)，其中變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)值的絕對(duì)值由大到小依次為：年降水量>旱季降水量>雨季降水量，這與線性回歸法得到的降水量變化趨勢(shì)一致，同時(shí)也驗(yàn)證了用M-K法檢驗(yàn)許昌市降水量變化趨勢(shì)是合理的。

圖3 各降水量觀測(cè)點(diǎn)M-K值空間分布

表1 年、雨/旱季降水量M-K值

3.2 降水量突變分析

3.2.1 年降水量突變 通過(guò)M-K法和累積距平法研究許昌市年降水量的突變情況，如圖4所示。圖4(a)表明，許昌市近59年來(lái)年降水量表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)不顯著，僅在1959年通過(guò)了0.05的顯著性水平，之后整體下降趨勢(shì)微弱。UFk和UBk曲線在1956-1957年、1963-1965年、1970-1971年、1978-1980年、1993-1998年和2011-2012年間有多個(gè)交點(diǎn)，并且都在0.05顯著性水平內(nèi)，但若將這些點(diǎn)全部作為突變點(diǎn)顯然不合適，進(jìn)而配以累積距平法進(jìn)行虛假突變點(diǎn)的剔除。結(jié)合累積曲線(圖4(b))分析發(fā)現(xiàn)，許昌市1956-2014年降水量存在明顯的“升”、“降”階段性變化特征，即1956-1958年降水量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，1958-1961年降水量大幅度減少，低于多年平均降水量，1961-1964年降水量迅速增加，并于1964年達(dá)到了歷年降水量最高值，之后在1965-2011年降水量整體呈現(xiàn)“W”型微弱下降趨勢(shì)，2012-2014年降水量表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢(shì)。綜合兩種方法推斷許昌市的降水突變點(diǎn)在1964年，降水量發(fā)生了由多到少的突變，而其它年份的突變不明顯。

3.2.2 雨/旱季降水量突變 為進(jìn)一步了解許昌市年內(nèi)降水量的突變情況，對(duì)年內(nèi)雨季、旱季的降水量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，繪制M-K突變檢驗(yàn)曲線及累積曲線如圖5。

圖4 年降水量M-K突變檢驗(yàn)及累積曲線

圖5 許昌市雨、旱季降水量M-K法突變檢驗(yàn)及累積曲線

由圖5(a)可知，許昌市雨季降水量的變化趨勢(shì)與年降水量的變化趨勢(shì)相似，整體上表現(xiàn)為不顯著的波動(dòng)下降趨勢(shì)。其中UFk和UBk曲線于0.05顯著性水平內(nèi)在1956-1957年、1998-1999年和2012-2013年有交點(diǎn)，結(jié)合累積曲線(圖5(b))發(fā)現(xiàn)許昌市1956-2014年雨季降水量變化特征主要表現(xiàn)為：“降-升-降”，即1956-1999年呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，1999-2011年呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，之后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。綜合兩種分析可知，許昌市雨季降水量可能在1999年發(fā)生了由少到多的突變。

從圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，許昌市旱季降水量的整體變化特征為1999年之前表現(xiàn)為波動(dòng)增加趨勢(shì)，之后表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，與年降水量或雨季降水量的變化特征正好相反，但變化趨勢(shì)都不顯著。其中UFk和UBk曲線于0.05顯著性水平內(nèi)的交點(diǎn)在1999-2004年、2012-2014年間，綜合累積曲線(圖5(d))發(fā)現(xiàn)，許昌市旱季降水量的突變點(diǎn)為1999年，降水量發(fā)生了由多到少的突變。

3.3 降水量周期性變化

3.3.1 年降水量周期 圖6是由Morlet連續(xù)復(fù)小波分析得到的近59年降水量小波系數(shù)實(shí)部和小波方差圖，其中正值區(qū)域代表降水量偏豐，負(fù)值區(qū)域表明降水量偏枯。由圖6可知，許昌市年降水量存在不同時(shí)間尺度的變化周期，年降水量的小波系數(shù)實(shí)部等值線在5、14、22 a這3個(gè)時(shí)間尺度上比較密集，即許昌市年降水量的整體變化過(guò)程存在著3個(gè)顯著的周期變化特征。按周期震蕩程度由大到小分別對(duì)應(yīng)著14、22、5 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明許昌市年降水量存在著14、22、5 a的第一、第二、第三主周期。其中14 a時(shí)間尺度的周期變化對(duì)許昌市降水量序列的方差貢獻(xiàn)最大，即許昌市年降水量在1956-2014年59a時(shí)間尺度上存在著14 a的強(qiáng)周期。根據(jù)14 a的強(qiáng)顯著主周期特征，在2014年處于降水負(fù)相位和正相位交界處，且將進(jìn)入正相位區(qū)域，可以預(yù)測(cè)許昌市在2014年之后會(huì)進(jìn)入降水相對(duì)偏豐的時(shí)期。

據(jù)河南省水利網(wǎng)發(fā)布的2015年和2016年的水資源公報(bào)顯示，許昌市2015年和2016年的降水量較2014年分別增加了22.88%、17.64%，這兩年的降水情況與小波分析結(jié)果一致，也驗(yàn)證了Morlet連續(xù)復(fù)小波分析用于該地區(qū)降水周期性變化的研究是合理的。

3.3.2 雨/旱季降水量周期 圖7給出了許昌市雨季、旱季降水量小波系數(shù)實(shí)部和小波方差，可以發(fā)現(xiàn)許昌市雨季、旱季降水量的周期性變化均存在著多個(gè)時(shí)間尺度。

圖6 許昌市年降水量小波系數(shù)實(shí)部和小波方差圖

從圖7(a)、7(b)可以得出，雨季降水量的變化周期在中大時(shí)間尺度上與全年降水量的相似，存在著14、21 a時(shí)間尺度的變化周期，另外雨季降水量還存在著10a時(shí)間尺度的強(qiáng)顯著變化周期。結(jié)合小波方差值來(lái)看，10 a為第一主周期，14和21 a年分別為第二、第三主周期。從10和14 a時(shí)間尺度看，許昌市雨季降水量小波實(shí)部圖在2014年均處于負(fù)相位即將閉合狀態(tài)，由此可以判斷許昌市雨季降水量也將會(huì)很快進(jìn)入降水相對(duì)偏豐時(shí)期。

從圖7(c)、7(d)可以得出，許昌市1956-2014年旱季降水量的變化周期同樣主要存在著三個(gè)明顯的時(shí)間尺度，按周期震蕩程度由大到小排列分別為13、8、21 a時(shí)間尺度，即13 a時(shí)間尺度為第一強(qiáng)顯著主周期，8、21 a時(shí)間尺度分別為第二、第三主周期。從13 a第一主周期和8 a第二主周期時(shí)間尺度來(lái)看，許昌市旱季降水量小波實(shí)部圖在2014年均處于負(fù)相位閉合、正相位即將開始狀態(tài)，以此推斷許昌市旱季降水量在2014年之后會(huì)迎來(lái)降水相對(duì)偏豐的時(shí)期。

4 討 論

研究表明，許昌市近59年的降水量呈現(xiàn)出不顯著減少趨勢(shì)，與豫中區(qū)域降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[12]的研究結(jié)果相吻合，但與蘇豐敏等[9]認(rèn)為許昌市降水量整體上呈現(xiàn)增多趨勢(shì)的結(jié)論不一致，可能是由于降水時(shí)間序列長(zhǎng)度不一導(dǎo)致的。許昌市近59年來(lái)年降水量的整體減少趨勢(shì)為8.7 mm/10a，但只對(duì)許昌市近10年來(lái)降水量進(jìn)行線性回歸發(fā)現(xiàn)，降水量減少速率高達(dá)281.5mm/10a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許昌市多年平均減少速率，尤其是在2013年，更是遭遇了60年一遇的嚴(yán)重旱災(zāi)，將研究時(shí)間序列擴(kuò)展到近些年難免會(huì)出現(xiàn)與前人研究結(jié)果不一致的現(xiàn)象，但將會(huì)增強(qiáng)研究結(jié)果的可信度和研究成果的實(shí)用性。通過(guò)對(duì)許昌市降水演變特征的研究，可為該地區(qū)防洪抗旱和水生態(tài)文明建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文開展了許昌市不同時(shí)間尺度的降水量變化趨勢(shì)、突變情況及周期性變化規(guī)律的研究，分析了近59年來(lái)的降水演變特征，得到以下結(jié)論：

(1)許昌市近59年年降水量、雨/旱季降水量分別以8.7、1.6、7.3mm/10a的速率減少。采用M-K法的檢驗(yàn)結(jié)果與線性回歸法的結(jié)果一致，年降水量、雨/旱季降水量的M-K值分別為-0.76、-0.24、-0.73，減少趨勢(shì)都不顯著。

(2)許昌市多年平均年降水量、雨/旱季降水量在空間上均呈現(xiàn)出自東北往西南方向遞增的分布格局；其中，多年平均年降水量、雨/旱季降水量的高值區(qū)都主要分布在襄城縣、禹州市西南部山地以及鄢陵縣南部地區(qū)，而低值區(qū)則主要分布在禹州市北部和長(zhǎng)葛市北部地區(qū)。

(3)通過(guò)M-K法結(jié)合累計(jì)距平聯(lián)合檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)許昌市年降水量在1964年發(fā)生了由多到少的突變，雨季降水量在1999年發(fā)生了由少到多的突變，旱季降水量在1999年發(fā)生了由多到少的突變。

(4)許昌市降水量存在著多時(shí)間尺度的周期變化特征，年降水量存在著14、22、5 a的第一、第二、第三主周期變化；雨季降水量存在著10、14、21 a的第一、第二、第三主周期變化，旱季降水量存在著13、8、21 a的第一、第二、第三主周期變化。根據(jù)主周期判斷，年、雨季、旱季降水量將會(huì)很快迎來(lái)降水偏豐時(shí)期。