基于Mann-Kendall 韶關(guān)汛期降水變化趨勢(shì)及突變分析

李曹明，鄭 勇，黃啟鋒，黃觀榮

（1.仁化縣氣象局，廣東 仁化 512300；2.海珠區(qū)氣象局，廣東 廣州 510000；3.韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512000）

當(dāng)前，全球變暖已成定局，全球的升溫一定程度上導(dǎo)致我國(guó)極端氣候事件發(fā)生頻率增加，旱澇現(xiàn)象日趨嚴(yán)重.近年來(lái)，汛期時(shí)期極端降水天氣頻發(fā)導(dǎo)致嚴(yán)重洪澇、城鄉(xiāng)積澇，泥石流等災(zāi)害引發(fā)人們廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者也對(duì)不同地區(qū)不同汛期時(shí)段降水時(shí)空趨勢(shì)變化和突變特征已進(jìn)行研究.唐凱等應(yīng)用氣候傾向率法和Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對(duì)潮州市1980—2019 年降水變化特征分析發(fā)現(xiàn)潮州地區(qū)汛期（4—9 月）降水量在2012 年發(fā)生突變，前后汛期降水特征不同，前汛期（4—6 月）增加趨勢(shì)明顯，后汛期（7—9 月）表現(xiàn)為不明顯下降趨勢(shì)［1］；楊向權(quán)等則在Mann-Kendall 檢驗(yàn)法基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)2000 年以來(lái)海南省降水量發(fā)生3次突變，分別在2002 年，2006 年和2007 年［2］；李靜睿就汛期極端降水事件做了統(tǒng)計(jì)和突變分析，結(jié)果表明陜西省汛期（5—9 月）極端降水事件整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，局部變化差異大［3］.由此可知，汛期降水變化特征研究利用Mann-kendall 檢驗(yàn)法能很好反映氣候降水突變特征，特別是針對(duì)長(zhǎng)期氣候分析效果顯著.

韶關(guān)地處廣東省北部，南嶺山脈南麓，屬中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候［4］.韶關(guān)年汛期跨度時(shí)間長(zhǎng)，且又分前汛期和后汛期，前汛期降水持續(xù)性長(zhǎng)，強(qiáng)降水中心地區(qū)受暴雨災(zāi)害襲擊頻率高，易導(dǎo)致內(nèi)澇、山洪等次生災(zāi)害；后汛期降水由東風(fēng)波等熱帶天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的降水，尤其是臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的降水，造成的局地災(zāi)害比較大［5-6］.筆者基于Mann-Kendall 檢驗(yàn)法及前人研究韶關(guān)地區(qū)降水特征基礎(chǔ)上對(duì)韶關(guān)市近40 年的年降水量、汛期氣候降水變化趨勢(shì)及突變情況進(jìn)行分析，旨在了解韶關(guān)市降水變化特征，為有效應(yīng)對(duì)汛期降水提供參考.

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

筆者所用資料來(lái)自韶關(guān)市氣象局氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)，為韶關(guān)8 個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站1980—2019 年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)集.根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)定，韶關(guān)入汛時(shí)間是依據(jù)廣東從3 月1 日起，全省累計(jì)50%或以上監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)日降水量≥38 mm 的時(shí)間，為便于研究，按照華南常年汛期時(shí)間為4 月1 日至9 月30 日，前汛期時(shí)間為4 月1日至6 月30 日，后汛期時(shí)間為7 月1 日至9 月30 日的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析［7］.

1.2 研究方法

非參數(shù)Mann-Kendall 檢驗(yàn)法廣泛應(yīng)用于分析降水、氣溫、徑流等要素［8］.時(shí)間事件序列趨勢(shì)分析不要求樣本規(guī)律遵從一定分布，且檢驗(yàn)結(jié)果基本不受少數(shù)異常值的干擾.筆者統(tǒng)計(jì)是近40 年獨(dú)立、同分布降水?dāng)?shù)據(jù)序列（x1，x2，…，xn）.對(duì)一個(gè)給定的時(shí)間序列，共有n個(gè)樣本量，構(gòu)造一個(gè)序列Sk，即：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.給定顯著性水平a=0.05，且|UFi|＞Ua/2，說(shuō)明該時(shí)間序列xi存在顯著的趨勢(shì)變化.按逆序列重復(fù)以上過(guò)程，計(jì)算另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量UBi，即：

若UFi≥0 表示氣候量xi 呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì).若UFi和UBi曲線相交，且交點(diǎn)在上下兩條臨界線（即±1.96）之間，則交點(diǎn)即為該氣候量xi的突發(fā)起始點(diǎn).若UFi和UBi沒(méi)有交點(diǎn)或他們有交點(diǎn)但交點(diǎn)在臨界線之外或有交點(diǎn)并且交點(diǎn)在兩條臨界線之間，但在交點(diǎn)線后UFi和UBi都出現(xiàn)大于臨界值得情況，那么說(shuō)明氣候量xi突變趨勢(shì)不明顯.

筆者將在Mann-Kendall 檢驗(yàn)法基礎(chǔ)上再通過(guò)滑動(dòng)T 檢驗(yàn)對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，剔除干擾值.同時(shí)，應(yīng)用氣候傾向率的方法分析韶關(guān)市逐年降水量、前后汛期變化趨勢(shì)及貢獻(xiàn)率等.應(yīng)用線性分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析前后汛期降水日數(shù)和暴雨日數(shù)變化特征.

圖1 1980—2019 年韶關(guān)年降水量逐年變化特征

2 結(jié)果分析

2.1 年降水量氣候變化和空間分布特征

從1980—2019 年8 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站日降水量累計(jì)平均得出韶關(guān)年降水量逐年變化特征（見(jiàn)圖1）可知，韶關(guān)年降水量在1 200～2 300 mm間，兩極分化明顯，年降水量在2 000 mm 以 上 有1984 年，1995 年，1997 年，2017 年，年降水量在1 300 mm 以下有1992 年，2004 年，2005 年，2010 年；結(jié)合1980—2019 年韶關(guān)前后汛期、非汛期年降水量占年降水量貢獻(xiàn)百分比逐年變化特征（見(jiàn)圖2）來(lái)看，年降水量以20.4 mm/10a 逐年微弱增多，各降水時(shí)期降水貢獻(xiàn)率呈波動(dòng)式變化，2004 年后前汛期有上升趨勢(shì)，后汛期和非汛期有減弱趨勢(shì)，除個(gè)別年份外，前汛期降水貢獻(xiàn)率最高，占全年降水量30%～60%，最多前汛期降水量高達(dá)1 200 mm 以上，其次是非汛期，后汛期降水貢獻(xiàn)率占比最低.

圖2 1980—2019 年韶關(guān)前后汛期降水、非汛期降水貢獻(xiàn)率情況

由1980—2019 年韶關(guān)年汛期年平均降水量、前后汛期年平均降水量空間分布特征（見(jiàn)圖3）可以發(fā)現(xiàn)，韶關(guān)汛期年平均降水量呈南多北少，最大值出現(xiàn)在新豐，年均降水量在1 480 mm 以上，最小值出現(xiàn)在南雄，年均降水量在1 060 mm 以下（見(jiàn)圖3（a））；前汛期分布特征與汛期有明顯相似，各地區(qū)前汛期年平均降水量占汛期的60%～70%（見(jiàn)圖3（b））；后汛期呈東部多，中部少，各地區(qū)年平均降水量?jī)H占汛期的30%～40%（見(jiàn)圖3（c））.

圖3 1980—2019 年韶關(guān)汛期、前后汛期年平均降水量空間分布特征

綜上所述，韶關(guān)是以前汛期（4—6 月）為主降水時(shí)期的氣候特點(diǎn)，降水量逐年微弱增多.近年來(lái)前汛期降水增多，其他時(shí)期降水減少引起時(shí)空配置不均現(xiàn)象的結(jié)果與劉占明《韶關(guān)降水年內(nèi)非均勻性特征分析》中韶關(guān)市大部分區(qū)域降水集中期多年平均值在6 月上旬，降水集中度、集中期均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)結(jié)論相似［9］.

2.2 汛期降水量氣候變化特征

2.2.1 汛期降水日數(shù)和暴雨日數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

在南海季風(fēng)爆發(fā)前后華南前汛期韶關(guān)降水具有顯著的空間差異，降水日數(shù)和強(qiáng)度與天氣尺度（低渦、鋒面、切變線）動(dòng)力抬升密切相關(guān)，系統(tǒng)過(guò)程累計(jì)雨量大，極端降水多發(fā)，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；后汛期則主要跟副熱帶高壓位置以及登陸我國(guó)東南沿海地區(qū)的熱帶氣旋頻數(shù)有關(guān)，多雷雨大風(fēng)天氣［10-13］.為更好詮釋韶關(guān)汛期降水量年際變化特點(diǎn)，表1 對(duì)各個(gè)國(guó)家站前后汛期降水日數(shù)和暴雨以上降水日數(shù)做了統(tǒng)計(jì)，其中當(dāng)日降水量≥0.1 mm 為降水日，反之，則為無(wú)降水日；當(dāng)日降水量≥0.1 mm 且降水量≥50.0 mm 為暴雨以上降水日，反之，則為非暴雨以上降水日.結(jié)合韶關(guān)氣象國(guó)家觀測(cè)站分布圖（見(jiàn)圖1），前汛期韶關(guān)降水日數(shù)在51～59 d 之間，降水日數(shù)最多在南部的新豐，最少在西北部的南雄；北部地區(qū)表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中仁化減少趨勢(shì)最明顯，以0.91 d/10a 速率減少，其次是樂(lè)昌，中南部以南除曲江外均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，始興增加趨勢(shì)最明顯，以0.82 d/10a 的速率增加，其余地區(qū)相對(duì)較慢；暴雨日數(shù)則是由南到北逐漸減少的規(guī)律分布特征，最多出現(xiàn)在新豐4.3 d，小于華南暴雨氣候平均值6.4 d，中部地區(qū)和樂(lè)昌暴雨日數(shù)變化率為正，乳源增加速率最快，為0.82 d/10a，翁源減少速率最快，為0.46 d/10a，僅中部地區(qū)大于華南的0.18 d/10a 暴雨日數(shù)增長(zhǎng)速率［12，14］.相較于前汛期，各地區(qū)后汛期降水日數(shù)少12 d 左右，各地區(qū)除乳源、始興外降水日數(shù)變化都為負(fù)值，變化幅度較小，乳源以0.63 d/10a 速率增加，曲江以0.65 d/10a 速率減少；暴雨日數(shù)較前汛期少1～2 d 左右，變化較為不明顯.

表1 韶關(guān)8 個(gè)國(guó)家站多年前后汛期年降水日數(shù)、年暴雨以上降水日數(shù)及其變化率

2.2.2 汛期降水量變化趨勢(shì)突變檢驗(yàn)

李紅梅指出目前對(duì)于存在多年的尺度波動(dòng)序列檢驗(yàn)中，Mann-kendall 突變檢驗(yàn)方法尚存在一些困難，檢驗(yàn)結(jié)果中對(duì)應(yīng)兩序列的交叉點(diǎn)不一定能說(shuō)明存在躍變的局限性［15］.故應(yīng)用Mann-Kendall 方法對(duì)1980—2019 年汛期降水量、前汛期降水量與后汛期降水量時(shí)間序列做突變檢驗(yàn)后再進(jìn)行滑動(dòng)t 檢驗(yàn)，進(jìn)一步篩選掉干擾值分析結(jié)果（見(jiàn)圖4）：在40 年里，汛期降水量、前后汛期降水量大部分年份未通過(guò)a=0.05 置信度檢驗(yàn)，僅汛期1989—1993 年，后汛期1989 年、1992 年的UF曲線超過(guò)了顯著線，說(shuō)明這3 個(gè)數(shù)據(jù)量整體是不顯著變化的.汛期UF和UB在顯著水平線a=0.05 內(nèi)表現(xiàn)為先降低后上升趨勢(shì)，2000—2010 年有7個(gè)交點(diǎn)、2016—2019 年有2 個(gè)交點(diǎn)，對(duì)比滑動(dòng)t 檢驗(yàn)（MTT 檢驗(yàn)法）可得，在1992—1994 年超過(guò)顯著性水平線b=2.10，但此區(qū)間并沒(méi)有交點(diǎn)，即汛期降水量無(wú)突變點(diǎn).

與汛期降水量變化有所不同，前汛期整體趨勢(shì)是先下降，中期明顯上升，后期明顯下降趨勢(shì).在顯著水平線內(nèi)UF和UB 交點(diǎn)較少，共5 個(gè)，出現(xiàn)在2004—2008 年，2016 年，在滑動(dòng)t 檢驗(yàn)中（圖略），2004—2006 年有通過(guò)檢驗(yàn)點(diǎn)，可認(rèn)為在2005 年是前汛期降水量突變點(diǎn).后汛期降水量與前汛期降水量趨勢(shì)相反，UF 和UB 交點(diǎn)在t 檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)在2003—2004 年出現(xiàn)交點(diǎn)，即后汛期降水量出現(xiàn)的突變點(diǎn)是2003 年.

圖4 1980—2019 年韶關(guān)降水量Mann-kendall 曲線圖

3 結(jié)論

韶關(guān)常年總降水量中前汛期（4—6 月）是全年降水集中期，占全年降水量30%～60%，其次是非汛期，后汛期降水貢獻(xiàn)率占比最低.年降水量呈氣候性不顯著上升趨勢(shì)，2004 年后前汛期有上升趨勢(shì)，后汛期和非汛期有減弱趨勢(shì).說(shuō)明該地區(qū)年降水分布不均現(xiàn)象變得明顯.韶關(guān)前后汛期降雨日數(shù)、暴雨日數(shù)北少南多，中部有上升趨勢(shì)，北部和南部有降低趨勢(shì)；且相比于后汛期，前汛期降水日數(shù)多12 d 左右，暴雨以上日數(shù)降水則多1～2 d，趨勢(shì)變化幅度較強(qiáng).韶關(guān)汛期降水量、前汛期降水量與后汛期降水量的氣候年際變化不顯著，突變檢驗(yàn)僅前汛期在2005 年出現(xiàn)突變，后汛期在2004 年出現(xiàn)突變.