1970—2019年雷州半島降水的時(shí)空特征

李勤英，張文萌，鐘謝非，梁晶

（湛江市氣象局，廣東湛江 524001）

目前，許多學(xué)者對降水做了相關(guān)研究，蒲義良等［3］基于小時(shí)降水資料研究表明汛期降水主要以短歷時(shí)為主，而前汛期短歷時(shí)降水多發(fā)生在粵西；張柳紅等［4］對廣東暴雨洪澇災(zāi)害定量評估發(fā)現(xiàn)近20年廣東各等級致災(zāi)暴雨過程主要發(fā)生在4至9月的汛期；黃茂棟等［5］對廣東汛期降水的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)廣東地區(qū)汛期降水存在明顯的年際變化特征，汛期降水自南向北、自東到西北呈減少趨勢；劉鑄飄［6］基于EOF方法分析了韶關(guān)地區(qū)春季降水空間分布場的特征；楊菲等［7］利用EOF方法對江浙滬地區(qū)夏季降水的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了分析；劉嘉勁等［8］研究發(fā)現(xiàn)汕尾地區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降水具有明顯的季節(jié)變化，短歷時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生次數(shù)多的年降水量也大。

本研究根據(jù)雷州半島地區(qū)6個(gè)雨量站1970—2019年的逐月降水觀測資料，基于EOF分解法分析雷州半島降水空間分布的時(shí)間系數(shù)變化規(guī)律，并運(yùn)用氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)以及Morlet小波分析等方法，分析雷州半島地區(qū)50年來降水長時(shí)間序列的趨勢性、突變性和周期性，較全面地描述雷州半島地區(qū)降水時(shí)空變化規(guī)律及未來可能變化趨勢，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)等提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

雷州半島共有廉江、遂溪、吳川、湛江、雷州和徐聞6個(gè)國家氣象觀測站。研究數(shù)據(jù)來自這6個(gè)國家氣象觀測站1970—2019年的逐月降水觀測資料，其中區(qū)域平均值取雷州半島6個(gè)國家氣象觀測站1970—2019年共50年的觀測平均值。

1.2 研究方法

1）氣候傾向率。

通常采用一元線性回歸模型來描述氣候要素與時(shí)間之間的變化趨勢［9］，氣候傾向率為氣象要素每10年的變化程度。

2）經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（empirical orthogonal function，EOF）是將原始數(shù)據(jù)場分解為正交的空間場和時(shí)間場，進(jìn)而分析氣象要素的時(shí)空分布變化特征［10］。通過EOF分解法將某一站點(diǎn)i在某一時(shí)間j的降水Xij表示為m個(gè)空間函數(shù)Vik和時(shí)間函數(shù)Tkj的線性組合［11］。

3）Morlet小波分析。

小波分析被廣泛應(yīng)用在水文和氣候等研究領(lǐng)域，可揭示不同時(shí)間序列的降水變化周期，并能定性估計(jì)未來變化趨勢［12-13］。通過Morlet小波函數(shù)對降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換并計(jì)算小波系數(shù)的實(shí)部，其等值線圖可以反映不同時(shí)間尺度的降水周期變化規(guī)律，小波方差圖能確定降水變化的主周期［14］。

北美刺龍葵可通過種子、根莖系統(tǒng)、根片段進(jìn)行繁殖。由于每一個(gè)根片段都可發(fā)展成為新的植株，因此其非常難控制，在玉米田和翻耕田塊，農(nóng)事操作可使其根系統(tǒng)成為一個(gè)片段，該特性可大大加速北美龍葵的傳播[11]。

4）Mann-Kendall檢驗(yàn)法。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法（簡稱M-K法）通過構(gòu)造時(shí)間正序列（UF）和時(shí)間逆序列（UB）統(tǒng)計(jì)量曲線，進(jìn)行分析氣象要素的變化趨勢和突變性檢驗(yàn)［15］。當(dāng)UF值大于0，表明該序列呈上升趨勢；當(dāng)UF值小于0，表明該序列呈下降趨勢；當(dāng)|UF|＞1.96，表明該序列有顯著變化趨勢。當(dāng)UF和UB曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的年份即為突變開始時(shí)間。M-K法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)不用遵循一定的分布，且不受少數(shù)異常值的干擾，常廣泛應(yīng)用于氣候時(shí)間序列的趨勢分析和突變檢驗(yàn)［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量的空間分布

圖1為1970—2019年的年平均降水量分布和年均降水量變化趨勢，從圖1a可以看出，全市年均降水量在1 430～1 770 mm之間，空間分布不均。雷州半島的年降水量北部偏多，多雨區(qū)主要集中于廉江，中南部和東北部偏少。從圖1b可知，雷州半島地區(qū)年降水量氣候傾向率在-5.4～-0.5 mm/年之間變化。全區(qū)年降水量均呈減少趨勢，其中減幅最大為雷州北部和吳川中東部地區(qū)，達(dá)到5.4 mm/年；減幅最小為徐聞、廉江東北部和湛江中部地區(qū)。

圖1 雷州半島年均降水量（a）及其傾向率（b）的空間分布

雷州半島近50年來年降水量的EOF分解后的前兩個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)率分別為73%和12%。對分解后的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)進(jìn)行North檢驗(yàn)［16］，發(fā)現(xiàn)只有前兩個(gè)特征根的誤差范圍不重疊，通過North顯著性檢驗(yàn)，并且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率接近85%，因此這兩個(gè)特征根可以很好地解釋雷州半島近50年降水的兩種分布類型，即全市偏豐（枯）一致型和北豐（枯）南枯（豐）型。圖2a為第一特征向量的空間分布，表現(xiàn)為全區(qū)均呈正值分布，說明年降水量的空間分布在該模態(tài)下具有一致性，主要原因是受大尺度范圍的天氣系統(tǒng)影響，造成全市降水的豐枯整體趨于一致；中部和東北部是大值區(qū)，表明其相對于南部和西北部地區(qū)的年降水量變化率大；第一特征向量方差貢獻(xiàn)率為73%，最具有優(yōu)勢地位，說明全市偏豐（枯）一致型是雷州半島降水最主要的分布類型。圖2b為第二特征向量的空間分布，其方差貢獻(xiàn)率為12%，呈北正南負(fù)分布特征，即當(dāng)北部地區(qū)降水偏多時(shí)則南部偏少，而南部地區(qū)降水偏多時(shí)則北部偏少；造成雷州半島降水存在南北相反現(xiàn)象的原因主要是緯向差異和地形影響［17］。

圖2 EOF分析第一（a）和第二（b）特征向量的空間分布

2.2 降水量的時(shí)間變化

1）年際變化。

從年降水量的年際變化（圖3）可以看出，1970—2019年雷州半島年降水量在1 116.1～2 394.8 mm之間變化，最小值出現(xiàn)在1977年，最大值出現(xiàn)于1985年，年均降水量為1 661.5 mm。年降水量整體呈減少的趨勢，其線性趨勢系數(shù)為-3.229 5，但未通過0.05顯著性檢驗(yàn)，即年降水減少趨勢并不顯著。由5年滑動平均曲線可以看出，1975至1990年的年降水量整體處于下降趨勢，1990至1995年降水量呈上升趨勢，1995年后降水量升降交替頻繁。

圖3 1970—2019年雷州半島年均降水量變化趨勢

2）突變。

對雷州半島年降水量的長時(shí)間序列進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)來分析其突變和變化趨勢。從圖4的年降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果可知，UF曲線在1971至1973年呈上升趨勢，在1973年后呈下降趨勢，并在1993、2007年超過置信水平。其中UF線和UB線相交，減少的突變發(fā)生在1975、1977和2018年；增多的突變發(fā)生在1980年。UF曲線和UB曲線整體上均未超過95%的置信度線，則說明雷州半島近50年的年降水量變化趨勢不顯著。

圖4 雷州半島年降水量時(shí)間序列突變檢驗(yàn)

3）周期。

圖5為1970—2019年雷州半島年降水量采用小波分析的方法進(jìn)行周期變化分析的結(jié)果，實(shí)線為正值，代表降水增多期；虛線為負(fù)值，代表降水減少期，絕對值越大說明變化越明顯。小波方差圖（圖5b）中相應(yīng)的峰值處的時(shí)間尺度即為該序列的主要周期。從圖5a可知，在10年尺度以上，出現(xiàn)先增后減的規(guī)律，表現(xiàn)為增-減4個(gè)循環(huán)交替，且到2019年降水減少的等值線即將閉合但尚未閉合，說明未來雷州半島年降水量有可能出現(xiàn)先減少再增多的趨勢。從圖5b可知，在準(zhǔn)8年的時(shí)間尺度上出現(xiàn)第一個(gè)主周期。

圖5 雷州半島年降水量Morlet小波分析實(shí)部（a）和小波方差（b）

3 結(jié)論

1）雷州半島年降水的空間分布主要有2種類型：全市豐（枯）一致型和北豐（枯）南枯（豐）型，其中全市豐（枯）一致型是雷州半島年降水最主要的分布模式。這2種分布類型的累積方差貢獻(xiàn)率接近85%，可很好地反映雷州半島近50年降水的主要分布特征。

2）雷州半島年降水量傾向率在-5.4～-0.5 mm/年之間變化，降水整體上呈減少趨勢，但未通過0.05顯著性檢驗(yàn)。年均降水量減少的突變發(fā)生在1975、1977和2018年，增多的突變發(fā)生在1980年。

3）雷州半島年均降水量存在時(shí)間尺度為準(zhǔn)8年的變化周期。降水減少的等值線在2019年即將閉合但尚未閉合，說明未來雷州半島年降水量有可能出現(xiàn)先減少后增多的趨勢。