廣西沿海城市近65年降水演變特征及歸因分析

魏 煒，李程程，莫崇勛，申鵬楊

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530023；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004）

降水是重要的水文要素之一，其變化情況直接影響著區(qū)域水資源量的變化及洪澇干旱災(zāi)害的發(fā)生。對降水變化特征的研究分析，有利于科學(xué)地開發(fā)、利用和管理水資源，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，廣大水利學(xué)者對區(qū)域降水變化特征開展了廣泛的研究，如劉建衛(wèi)[1]利用太子河流域19 個雨量站50 a 逐日降雨資料，采用數(shù)理統(tǒng)計和GIS 空間分析技術(shù)，對太子河流域的降水量變化趨勢、演變過程進(jìn)行了細(xì)致研究。張利平和夏軍[2]利用華北地區(qū)25個測站的長期年降水量資料，采用多種方法研究表明華北地區(qū)降水存在周期性和突變性；黃晚華[3]利用中國南方15 個?。ㄊ小^(qū)）的氣象臺站降水資料，選擇標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）作為干旱指標(biāo)，分析了南方地區(qū)58 a 間降水演變特征和發(fā)生規(guī)律；徐宗學(xué)[4]利用深圳市1979-2015 年降水量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、Morlet 復(fù)小波分析法并結(jié)合極端降水指標(biāo)，分析了深圳市近36 a的降水量時空演變特征；宋曉猛[5]基于北京暴雨圖集中的6種歷時暴雨數(shù)據(jù)和45個雨量站點(diǎn)汛期逐日降水觀測資料，選擇年最大值法和百分位閾值法，評估變化環(huán)境下北京地區(qū)降水結(jié)構(gòu)變化和極值演變特征。目前，在區(qū)域降水演變特征的研究已取得眾多成果，但是很少有成果針對沿海城市降水演變特征規(guī)律進(jìn)行研究。沿海城市的降水由于受海洋影響較大，相對于內(nèi)陸城市降水具有明顯不同，故針對沿海城市降水演變特征的研究，就顯得十分必要。廣西擁有大陸海岸線長約1595 km，因此，本文選擇廣西區(qū)內(nèi)兩座典型的沿海城市北海和欽州為例，對比分析北海和欽州近65 a的降水演變特征及其內(nèi)在原因，以期為沿海城市水資源合理規(guī)劃與科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來源

本次研究對象是欽州、北海兩座城市的降水量。欽州南臨狹長的欽州灣，北海南、北、西三面環(huán)海，都具有鮮明的海濱城市特征，都是廣西典型的沿海城市。欽州市南臨北部灣，西北靠十萬大山，主要受海洋氣候影響，也受大陸氣團(tuán)影響，海洋性氣候明顯。北海氣候?qū)偌撅L(fēng)型海洋性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。

本次研究數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn/）中全國氣象站逐日降水量數(shù)據(jù)（PRE-13011），提取了欽州氣象站和北海氣象站1953-2017 年共65 a 逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，再累計年降水量作為本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。欽州、北海氣象站海拔分別為5.8、14 m，地理位置分布示意圖見圖1。

圖1 欽州、北海氣象站氣象站分布示意圖

2 研究方法

為了準(zhǔn)確地分析欽州和北海近65 a 的降水演變規(guī)律，本次研究采用Morlet 復(fù)小波分析法[6，7]計算降水的周期性，繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖、小波系數(shù)模值等值線圖、小波系數(shù)方差曲線圖，綜合分析降水序列在時間尺度上的周期性變化規(guī)律；采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[8～10]分析降水的突變性，繪制降水正序列UF統(tǒng)計量和逆序列UB統(tǒng)計量曲線圖，觀察兩者在置信區(qū)間的交點(diǎn)以判定序列的突變點(diǎn)；采用線性擬合法研究降水總體趨勢變化，利用重標(biāo)極差（R/S）分析方法[11]計算降水序列的hurst 指數(shù)，分析未來的變化趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水周期性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a 年降水序列數(shù)據(jù)，計算降雨序列Morlet 復(fù)小波系數(shù)，繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖、小波系數(shù)模值等值線圖、小波系數(shù)方差曲線圖。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以直觀的觀察降水序列在時頻上的分布情況；小波系數(shù)模值等值線圖可以直觀展示不同周期的震蕩能量強(qiáng)度，以反映降水序列的周期性顯著程度；小波系數(shù)方差反映對應(yīng)周期的波動能量。欽州氣象站降水序列小波分析結(jié)果圖見圖2，北海氣象站降水序列小波分析結(jié)果圖見圖3。

由圖2（a）小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以看出，欽州降水序列存在著多個時間尺度的周期性變化規(guī)律，比較明顯的時間尺度中心有5、10、24、35、56 a；由圖2（b）小波系數(shù)模等值線圖可以看出6～12 a、18～30 a、40～62 a時間尺度范圍周期性較顯著；由圖2（c）小波方差曲線圖可以看出存在兩個比較明顯的峰值，分別對應(yīng)在時間尺度56、24 a。綜合分析可得，欽州降水序列第一主周期為56 a，第二主周期為24 a。

圖2 欽州小波分析結(jié)果圖

圖3 北海小波分析結(jié)果圖

由圖3（a）小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以看出，北海降水序列也存在著多個時間尺度的周期性變化規(guī)律，比較明顯的時間尺度中心有5、10、20、35、57 a；由圖3（b）小波系數(shù)模等值線圖可以看出6～12 a、30～40 a、50～62 a時間尺度范圍周期性較顯著；由圖3（c）小波方差曲線圖可以看出存在3個比較明顯的峰值，分別對應(yīng)在時間尺度57、35、10 a，且第二與第三峰值相差不大。綜合分析可得，北海降水序列第一主周期為57 a、第二主周期為35 a、第三主周期為10 a。

3.2 降水突變性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a年降水序列數(shù)據(jù)，計算UF和UB統(tǒng)計量，選擇置信水平a0=0.05對應(yīng)正態(tài)分布置信區(qū)間臨界值T=±1.96，并繪制兩個統(tǒng)計量的曲線圖，見圖4、圖5。

圖4 欽州降水序列突變分析圖

圖5 北海降水序列突變分析圖

由圖4、圖5 可知，欽州和北海降水量序列UF、UB曲線分別在1953年、1956年相交，處于序列開始端年份范圍的5%以內(nèi)，考慮數(shù)據(jù)序列的邊緣誤差，可以認(rèn)為兩個氣象站近65 a 的降水序列沒有發(fā)生根本性的突變。

3.3 降水趨勢性

基于欽州氣象站和北海氣象站1953-2017年共65 a 降水序列數(shù)據(jù)系列進(jìn)行線性擬合，繪制擬合趨勢線分別見圖6、圖7。

圖6 欽州降水序列趨勢分析圖

圖7 北海降水序列趨勢分析圖

由圖6 可知，欽州降水序列近65 a 年平均降水量為2159 mm，降水量總體呈微弱上升趨勢，上升幅度為4.3 mm/a，占多年平均降水量的0.2%；由圖7可知，北海降水序列近65 a年平均降水量為1750 mm，降水量總體也呈微弱上升趨勢，上升幅度為6.6 mm/a，占多年平均降水量的0.38%。

利用重標(biāo)極差（R/S）分析方法計算欽州、北海兩個氣象站降水序列的hurst 指數(shù)，結(jié)果分別為0.51、0.55，表明兩個氣象站未來變化趨勢仍將呈微弱上升趨勢，但年際降水會出現(xiàn)較大的持續(xù)波動。

4 歸因討論

4.1 周期性變化特點(diǎn)原因

根據(jù)周期性分析，欽州、北海兩個氣象站近65 a降水序列第一主周期在時間尺度上具有相似性，但是第二主周期存在一定的差異性，兩個氣象站小波方差曲線對比分析圖見圖8。

圖8 欽州、北海氣象站降水序列小波方差曲線對比圖

由圖8可知，欽州、北海降水序列小波曲線波動起伏形狀基本相似，但起伏大小和對應(yīng)時間尺度上有差異。北海降水序列的小波方差曲線存在3個能量峰值，且3個能量峰值相差不多，這主要是北海屬于半島的地理特性，其東、西、南三面臨海，且內(nèi)陸地貌少高山，降水主要受3 個不同方向的海洋季風(fēng)影響；欽州的小波方差能量峰值主要有兩個，且兩者相差較大。這主要是欽州地理上南臨北部灣，西北靠十萬大山，導(dǎo)致其降水既受海洋氣候影響，也受大陸氣團(tuán)影響。其方差最大峰值與北海序列小波方差最大峰值一致，說明欽州的降水主要受海洋性氣候影響。

4.2 突變性特點(diǎn)原因

欽州、北海兩個氣象站降水序列近65 a幾乎沒有發(fā)生根本性突變，且兩者的hurst指數(shù)計算結(jié)果也表明，降水序列變異程度非常微小。這主要是由于兩座城市的氣候都主要受海洋性氣候影響，降水量年際間變化不大，年平均降水量比大陸性氣候多，而且季節(jié)分配比較均勻。

4.3 趨勢性特點(diǎn)原因

根據(jù)趨勢性分析，欽州、北海氣象站降水變化趨勢基本相同，繪制欽州、北海降水序列對比圖見圖9。

圖9 欽州、北海降水序列對比圖

由圖9可知，欽州、北海降水序列波動形態(tài)基本一致，這說明兩者的降水成因是一致的。由于欽州西北有十萬大山的阻礙，降水氣團(tuán)在欽州境內(nèi)停留時間相對更久，因此年降雨量欽州比北海多。

5 結(jié)論

（1）廣西典型沿海城市欽州、北海近65 a 降水序列都存在著多尺度周期性變化規(guī)律。欽州由于受海洋氣候和大陸氣團(tuán)的雙重影響，主要存在兩個時間尺度相差較大的周期；北海由于三面環(huán)海，存在著3個時間尺度相差不大的周期。

（2）欽州、北海近65 a 降水序列均呈微弱上升趨勢，都沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的突變，年際降水均勻且穩(wěn)定。