區(qū)域降雨變化趨勢及規(guī)律分析—以龍游縣為例

錢子立，趙 林，徐曉軍，汪少君

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.浙江省龍游縣水利局，浙江 龍游 324400）

區(qū)域降雨變化趨勢及規(guī)律分析—以龍游縣為例

錢子立1，趙 林1，徐曉軍2，汪少君2

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.浙江省龍游縣水利局，浙江 龍游 324400）

由全球變暖引起的環(huán)境變化會導(dǎo)致區(qū)域水資源的變異，識別處理這些變異對于區(qū)域水資源管理至關(guān)重要。為研究區(qū)域水文要素變化趨勢及規(guī)律，采用Mann - Kendall檢驗法以及小波分析方法對近60 a降雨資料進(jìn)行分析，確定了趨勢變化、周期變化以及突變時間，識別了未來龍游縣氣候變化趨勢。

降雨；變化趨勢；MK檢驗法；小波變換

1 問題的提出

近年來，諸多專家學(xué)者對氣候變化下水文要素的影響進(jìn)行了分析與研究。郝春灃[1]等對海河流域近50 a氣候要素進(jìn)行趨勢檢驗、突變點檢驗以及小波分析，研究探討未來海河流域氣候變化趨勢。劉敏[2]等采用Mann - Kendall檢驗法和滑動t檢驗法對海河流域近50 a來水文要素的變化趨勢及變異年份進(jìn)行了分析與討論。邵曉梅[3]等采用墨西哥帽小波函數(shù)對黃河流域近40 a來降雨的季節(jié)變化和年際變化時間序列，確定了不同時間尺度下降雨序列變化的周期和突變點。

本文采用Mann - Kenda ll檢驗法、小波分析方法對龍游縣近60 a來氣候趨勢變化、周期變化以及突變現(xiàn)象進(jìn)行分析，識別未來龍游縣氣候變化趨勢，為該區(qū)域水資源規(guī)劃設(shè)計提供參考。

2 資料和研究方法

2.1 資料及研究區(qū)域

龍游縣位于北緯28°44′ ～ 29°17′，東經(jīng)119°02′ ～119°20′，地處金衢盆地中部，屬于衢江流域。該縣東接金華，西連衢江區(qū)，南鄰遂昌，北交建德，總面積1 138.72 km2，其中山地占60.0 %，農(nóng)田占30.0 %，水域占5.0 %，道路村莊占5.0 %。地勢南高、北矮、中低，呈馬鞍形。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 618.6 mm，年際分布不均，年降雨量最多達(dá)2 321.7 mm，最小達(dá)1 011.1 mm；年間分布不均，4 — 6月降雨量占全年的45.2 %，常發(fā)生洪澇災(zāi)害，7 — 9月降雨量占全年的20.1 %，常發(fā)生干旱災(zāi)害。

研究數(shù)據(jù)來源于龍游縣虎頭山水文站月降水資料，時段為1951 — 2008年。

2.2 研究方法

水文序列一般由2種或2種以上成分合成，成分主要分為確定性和隨機性2類[4]。水文序列分析主要是針對確定性非周期成分中的跳躍、趨勢成分以及隨機性成分中的平穩(wěn)獨立成分的分析。

2.2.1 Mann - Kendall檢驗方法

由于Mann - Kendall檢驗法有無需假定數(shù)據(jù)特殊分布的特點，是世界氣象組織推薦處理非參數(shù)檢驗問題的方法，廣泛適用于分析降雨、徑流和蒸發(fā)等要素時間序列的變化情況[5]。

Mann - Kendall檢驗法能檢驗序列突變，定義統(tǒng)計變量為：

將時間序列x按降序排列，再按上式計算，同時滿足UBk= - UFk′且k ′ = n + 1 - k（k = 1,2,... n）。通過分析統(tǒng)計序列UFk和UBk，不僅能分析序列x的趨勢變化，還能識別突變時間，指明突變區(qū)域。若UF＞0，表示序列呈上升趨勢；UF＜0則表示序列呈下降趨勢；當(dāng)它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。若UFk和UBk曲線出現(xiàn)交點，且交點位于臨界直線之間，則交點所對應(yīng)的時刻即為突變開始時刻。間因子，反映時間上的平移；Wf(a，b)稱為小波變換系數(shù)。由于水文時間序列往往是離散的，即f(t)= f(kΔt)(k = 1,2,…,n；Δt為取樣時間間隔），則f(t)的離散形式為：

通過增加或減小伸縮尺度a來改變信號窗口大小進(jìn)而得到信號的低頻或高頻信息，分析信號的細(xì)節(jié)，識別水文系統(tǒng)多時間尺度演變特征和突變特征。

3 結(jié)果分析

1951 — 2008年的降雨變化趨勢見圖1。

圖1 降雨變化趨勢圖

由圖1（a）可知，年降雨量呈下降趨勢，下降斜率達(dá)- 2.82，其中1951 — 1955，1973 — 1977，1991年以后的年降雨量較大且大于均值，屬于豐水年，1956 — 1972，1978 — 1990年年降雨較小且小于均值，屬枯水年。由圖1（b）可知，汛期降雨量呈下降趨勢，下降斜率達(dá)- 2.79，其中1951 — 1962，1973 — 1977，1987 — 2002年汛期降雨量較大且大于均值，雨量充沛，1962 — 1972，1978 — 1986，2005年以后汛期降雨較小且小于均值，雨量貧乏。

3.1 趨勢分析

采用Kendall秩次相關(guān)檢測法，對近50多年年降水量和汛期降水量進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果見表1。

表1 1951—2008年降雨趨勢診斷表

由表1可知，全年年降雨量Kendall秩次相關(guān)檢驗統(tǒng)計值|u|＞1.64，表明u的絕對值通過了信度95%的顯著性檢驗，其變化趨勢顯著，且呈下降趨勢；汛期降雨量Kendall秩次相關(guān)檢驗統(tǒng)計值|u|＜1.64，且|u|＞1.28，表明u的絕對值通過了信度90%的顯著性檢驗，但未通過信度95%的顯著性檢驗，其變化趨勢明顯，也呈下降趨勢。

3.2 突變/跳躍分析

采用Mann - Kendall檢驗法對龍游縣58 a年降雨和汛期降雨系列進(jìn)行突變分析，并用置信水平α = 0.05判別變化趨勢，評價等級見表2，Mann - Kendall突變檢驗結(jié)果見圖2。

表2 變化趨勢評價表

圖2 Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果圖

由圖2（a）可知，年降雨整體呈先增后減趨勢，1951 —1955年年降雨UF曲線高于0，但未超出置信水平α = 0.05，年降雨不顯著增加；1956 — 2008年年降雨UF曲線始終小于0，且部分年份超出置信水平α = 0.05，年降雨顯著減少。由圖2（b）可知，年降雨整體呈先增后減趨勢，1951 — 1956年，汛期降雨UF曲線大于0，但未超出置信水平α = 0.05，汛期降雨不顯著增加；1957 — 2008年汛期降雨，UF曲線始終小于0，且1980 — 1990年超出置信水平α = 0.05，年降雨顯著減少。通過對比年降雨與汛期降雨MK統(tǒng)計值圖，發(fā)現(xiàn)兩者趨勢整體相近，均呈現(xiàn)下降趨勢，尤其1980 — 1990年汛期降雨遠(yuǎn)超95%置信區(qū)間，較同期全年降雨量大。汛期降雨受季節(jié)性氣候影響劇烈，雨量主要集中在某幾場暴雨中，暴雨是一種短歷時高強度降雨，導(dǎo)致雨量極易暴漲暴跌，致使變化趨勢顯著，而全年降雨可通過自身年內(nèi)調(diào)節(jié)，緩解下降趨勢。

采用Mann - Kendall檢測法，對近50多年年降水量和汛期降水量進(jìn)行跳躍分析，結(jié)果見表3。并由圖2（a）可知，年降雨存在3個變異點，變異點位于1956，1988及2004年，其中變異點1988年較為特殊，UF曲線與UB曲線交點超出臨界直線，變異點后年降雨趨勢由顯著減少變?yōu)椴伙@著減少。由圖2（b）可知，汛期降雨存在4個變異點，變異點位于1960，1962，1992和2002年。

表3 1951—2008年降雨跳躍/突變變異診斷表

3.3 周期分析

此次采用Morlet小波，屬于復(fù)數(shù)小波，其小波變換的模和實部是2個重要變量。模的大小表示特征時間尺度信號的強弱，實部表示不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和相位2方面信息[6]。

圖3為小波變換的模平方時頻分布圖。由圖3(a)可知，年降雨25 ～ 32 a時間尺度變化較強，主要發(fā)生在20世紀(jì)50年代初至80年代末，震蕩中心在1954年；10 ～ 15 a時間尺度在1970 — 1988，1990 — 2008年期間變化明顯；其余時間尺度變化不明顯。由圖3（b）可知，汛期降雨25 ～ 32 a時間尺度變化較強，同樣主要發(fā)生在20世紀(jì)50年代初至80年代末，震蕩中心在1954年；10 ～ 15 a時間尺度在2000 — 2008年期間變化明顯，2 ～ 10 a時間尺度在1951 — 1955，1985 — 2005年期間變化明顯；其余時間尺度變化不明顯。

圖3 小波變換的模平方時頻分布圖

圖4 為小波方差圖。根據(jù)圖4可知，年降雨系列存在6，13，29 a周期，其中主要周期是29 a；汛期降雨存在3，5，8，13，29 a周期，其中主要周期是29 a。通過對比，發(fā)現(xiàn)年降雨與汛期降雨有相同的主周期，汛期降雨在短期內(nèi)存在多個峰值，年降雨在短期內(nèi)存在單峰，說明汛期降雨與年降雨的變化周期相似。小于0；突變點為1956，1968，1979，1987，1995年及2003年。

圖4 小波方差圖

圖5 小波變換的實部時頻分布圖

圖6 為不同時間尺度下的小波變換系數(shù)變化過程圖。圖6（a）給出了29 a時間尺度的小波變換系數(shù)變化過程，存在4.0個豐枯變化期，20世紀(jì)50年代以后29 a尺度降水量偏少。圖6（b）給出了13 a時間尺度的小波變換系數(shù)變化過程，存在7.5個豐枯變化期，能發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)50 — 60年代11 a時間尺度中降雨有減少趨勢，而70年代后11 a時間尺度中降雨有增加趨勢。通過對比，兩者具有相同的變化周期，且幅值相近。

圖5為小波變換的實部時頻分布圖。由圖5（a）所示，各時間尺度中29 a對應(yīng)周期最為明顯，相應(yīng)年降雨序列由3.0個枯水期和4.0個豐水期組成，1956年以前、1967 —1978年、1987 — 1997年及2004年以后屬于豐水期，其相位大于0；1956 — 1967，1978 — 1987，1997 — 2004年屬于枯水期，其相位小于0；突變點為1956，1967，1978，1987，2004年。由圖5（b）所示，各時間尺度中29 a對應(yīng)周期最為明顯，相應(yīng)汛期降雨序列由3.0個枯水期和4.0個豐水期組成，1956年以前、1968 — 1979，1987 — 1995年及2003年以后屬于豐水期，其相位大于0；1956 —1968，1979 — 1987，1995 — 2003年屬于枯水期，其相位

圖6 不同時間尺度下的小波變換系數(shù)變化過程圖

4 結(jié) 語

（1）近60 a來龍游縣降雨量呈下降趨勢，經(jīng)Kendall秩次相關(guān)檢驗，年降雨和汛期降雨下降趨勢均明顯；

（2）龍游縣降雨量多年發(fā)生突變，經(jīng)Mann - Kendall檢驗法分析，年降雨1956，1988及2004年發(fā)生突變，汛期降雨1960，1962，1992以及2002年發(fā)生突變；

（3）龍游縣年降雨序列與汛期序列變化周期相似，其中主周期相同，分別是13，29 a；

（4）年降雨序列與汛期降雨序列擁有相同的豐枯期，29 a時間尺度下雨量降少，13 a時間尺度下雨量呈先減后增。

[1] 郝春灃，賈仰文，龔家國，等.海河流域近50年氣候變化特征及規(guī)律分析[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2010，8(1)：39 - 43.

[2] 劉敏，沈彥俊.海河流域近50年水文要素變化分析[J].水文，

2010，30(6)：74 - 77.

[3] 邵曉梅，許月卿，嚴(yán)昌榮.黃河流域降水序列變化的小波分析[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，42(4)：503 - 509. [4] 丁晶，劉權(quán)授.隨機水文學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，1997：15 - 16.

[5] 謝平.變化環(huán)境下區(qū)域水資源變異問題研究[M].北京：科學(xué)出版社，2012：39 - 50.

[6] 王文圣.水文小波分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：115 - 120.

（責(zé)任編輯 黃 超）

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1008 - 701X(2017)03 - 0017 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.005

2016-05-24

錢子立(1991 - )，男，碩士，主要從事水文水資源研究。E - mail：ziliqianouc@foxmail.com