粵東地區(qū)近42 a降水序列時(shí)空變化特征分析

曾廣建

(廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041)

降水是水文大循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是地球上陸地內(nèi)各種水體的直接或者間接的補(bǔ)給源，因此，降水量及降水特征對(duì)各種水體的水文特征和水文規(guī)律具有決定性影響，研究降水的時(shí)空變化特征對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利開發(fā)、江河防洪和工程管理等方面有著重要意義[1-2]。有大量學(xué)者對(duì)廣東省及各地級(jí)市的降水變化特征開展了深入研究：李湘嬌利用廣東省307個(gè)雨量站1956—2008年降水量資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得出廣東省降水量情勢(shì)朝著不利的方向演變發(fā)展[3]；史君慧對(duì)廣東省區(qū)域年降水量進(jìn)行時(shí)空特征分析，得出在時(shí)間維度上，粵中區(qū)域降水具有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其他區(qū)域處于波動(dòng)狀態(tài)；空間維度上，呈現(xiàn)中部多雨，東西少雨，南多北少的分布特征[4]；徐林春以廣東省112個(gè)雨量站1981—2010年的逐月降水資料為樣本，對(duì)廣東省月降雨量的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出不同特征月的降水量空間分布存在明顯差異，汛期降雨強(qiáng)度增大，非汛期減少[5]；謝毅文分析了廣東省汛期及非汛期最大日降水量時(shí)空特征分析，得出廣東省前后汛期月最大日降雨量平均值呈現(xiàn)不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)[6]；鄭杰元分析了廣州市近年降雨時(shí)空變化規(guī)律，得出市區(qū)降雨量逐年增加，暴雨中心由市郊向市中心轉(zhuǎn)移，降雨時(shí)段更為集中[7]；林凱榮依據(jù)1960—2009年深圳市9個(gè)雨量站逐月資料分析了深圳市近50 a降雨時(shí)空變化分析，得出全市降雨量呈不顯著增加趨勢(shì)，趨勢(shì)變化突變點(diǎn)在1973年前后[8]；劉旋旋分析了清遠(yuǎn)市1970—2019年降水序列變化特征，得出清遠(yuǎn)市降水變化趨勢(shì)不顯著，各站點(diǎn)降水序列有明顯豐枯交替特征[9]；凌良新利用潮州1957—2007年逐日降水資料，統(tǒng)計(jì)分析了潮州市降水量和暴雨日數(shù)的時(shí)間變化特征，得出潮州年降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前汛期降水量對(duì)全年雨量的貢獻(xiàn)逐漸下降，后汛期則相反；汛期開始月份及汛期降水強(qiáng)弱的年際變化明顯，汛期結(jié)束月份年際變化不顯著[10]；林巧美研究了揭陽(yáng)市近50 a來(lái)降水的時(shí)空分布特征，得到揭陽(yáng)市降水量年際波動(dòng)明顯，旱澇出現(xiàn)較為頻繁，普寧和揭西處在蓮花山脈的南側(cè),由于迎風(fēng)坡對(duì)氣流的抬升作用，成為多雨中心[11]。

綜上可見，目前針對(duì)整個(gè)粵東地區(qū)降水量變化特征這方面的研究尚少，本次研究通過(guò)對(duì)粵東地區(qū)70個(gè)雨量站1980—2021年月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行探索分析，研究其降水變化特征，以期為粵東地區(qū)水資源變化特征研究、水資源管理、防洪防旱、農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

粵東地區(qū)北靠蓮花山脈、南瀕南海，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°～117°，北緯22°40′～24°，地勢(shì)以西北高東南低走勢(shì)，總趨勢(shì)為中低山→丘陵→臺(tái)地平原→南海逐次遞減。行政區(qū)域幾經(jīng)分合，目前包括汕頭市、潮州市、揭陽(yáng)市、汕尾市、深汕合作區(qū)，總面積為15 516萬(wàn)km2。屬東南亞季風(fēng)區(qū)，雨熱同季，是全國(guó)光、熱和水資源較豐富的地區(qū)，雨量充沛，年降水為1 300～2 400 mm，多年平均氣溫為21℃～22℃，降雨主要集中在4—10月，占比為全年的80%以上，最高占比達(dá)95%。受地形影響粵東地區(qū)雨量北多南少、西北部和東北部主要山地丘陵地帶降雨豐富，成為粵東地區(qū)降水量最多的地方[12]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中所用資料為粵東地區(qū)70個(gè)廣東省水文局參編雨量站點(diǎn)1980—2021年的逐月降水資料，站點(diǎn)空間分布較均勻、時(shí)間序列較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)完整可靠(各站點(diǎn)分布見圖1)，通過(guò)整編計(jì)算得到各站年降水總量，利用泰森多邊形法求得研究區(qū)域的月、年面降水量?；洊|地區(qū)降雨主要集中在4—10月，占全年降水的80%左右，因此把粵東地區(qū)的汛期定為4—10月，其他月份為非汛期。

圖1 站點(diǎn)分布示意

2.2 研究方法

2.2.1趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)變化分析采用線性回歸、累積距平的分析方法。累積距平是一種常用的可直觀判斷變化趨勢(shì)的方法[13]。對(duì)于降水序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

(1)

(2)

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。

2.2.2突變分析法

突變性分析選用世界氣象組織(WMO)推薦的Mann-Kendall突變分析法[6-11]，該方法對(duì)于處理非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)具有很好的適用性，但使用該檢驗(yàn)法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)順序統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)曲線UF和逆序統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)曲線UB在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候要判斷哪個(gè)為真正的突變點(diǎn)就很難，甚至有時(shí)會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)不能簡(jiǎn)單的把交點(diǎn)就當(dāng)做為突變點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)再采用其它檢驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)是把序列中的兩段子序列均值有無(wú)顯著差異看為來(lái)自兩個(gè)總體均值有無(wú)顯著差異的問(wèn)題來(lái)檢驗(yàn)。如果兩段子序列的均值差異超過(guò)了一定的顯著水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生[13]。

2.2.3周期分析法

本文采用Morlet小波分析法研究降水量的多時(shí)間尺度周期變化，其小波系數(shù)為：

(3)

式中：

a——尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；

b——時(shí)間因子，反映時(shí)間上的平移。

Wf(a,b)隨參數(shù)a和b變化，作出以b為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)的關(guān)于Wf(a,b)的二維等值線圖，稱為小波變換系數(shù)圖，用于分析時(shí)間序列不同時(shí)間尺度周期變化及其在時(shí)間域中的分布，從而判斷降水序列多時(shí)間尺度演變特征和突變特征[14]。

2.2.4空間分析法

采用時(shí)態(tài)GIS法對(duì)降水量進(jìn)行空間分析，時(shí)態(tài)GIS或四維GIS就是在GIS中考慮時(shí)間變化的概念，在原有的三維GIS基礎(chǔ)上加入時(shí)間變量而構(gòu)成的四維GIS(簡(jiǎn)稱TGIS)。時(shí)態(tài)GIS可以存儲(chǔ)、管理組織區(qū)域中地理實(shí)體對(duì)象隨時(shí)空的發(fā)展過(guò)程；可以通過(guò)將過(guò)去的回溯和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的比較，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)；將新舊數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成一種有效的具有時(shí)間存儲(chǔ)特性的更新機(jī)制；還能從數(shù)據(jù)的邏輯上、數(shù)據(jù)源、時(shí)空分辨率和數(shù)據(jù)精度上檢查新舊數(shù)據(jù)的一致性[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量序列變化的時(shí)間分析

3.1.1降水量趨勢(shì)性分析

根據(jù)粵東地區(qū)降水量得到該區(qū)域降水量的逐年變化及逐年累積距平變化(見圖2)，年際變化上，圖2a中紅色虛線為年降水量與時(shí)間序列的線性擬合，相關(guān)系數(shù)為R12=0.005 7，沒(méi)有通過(guò)95%的信度檢驗(yàn)，表明粵東地區(qū)年降水量呈微弱的減少變化，其線性傾向率為-2.248 mm/a；由年降水量過(guò)程可以看出粵東地區(qū)年降水量年際波動(dòng)明顯,1983年、1996年、2006年、2013年和2016年出現(xiàn)明顯降雨峰值，1989年、2004年、2009年和2021年出現(xiàn)明顯的降雨低谷，其中最大年降水為2 730.4 mm(2006年)，最小年降水為1 318 mm(2009年)。由逐年累積距平變化曲線(圖2 a中綠色虛線)可看出，近42 a來(lái)粵東地區(qū)年降水量經(jīng)歷了8個(gè)主要變化，分別為：1980—1987年、1997—2001年、2004—2008年、2012—2016年降水量呈增加趨勢(shì)；1988—1996年(1989—1996年間有小幅度振動(dòng))、2002—2003年、2009—2011年、2017—2021年降水量呈減少趨勢(shì)。

a 年降水

汛期和非汛期降水量均總體呈下降趨勢(shì)，線性傾向率分別為-0.022 2 mm/a、-2.225 8 mm/a。由逐年累積距平變化線可以看出，汛期降水量主要經(jīng)歷5個(gè)主要變化過(guò)程，分別是1980—1992年、2009—2012年、2019—2021年降水量呈減少趨勢(shì)，1993—2008年、2013—2018年降水量呈增加趨勢(shì)；秋季降水量主要經(jīng)歷5個(gè)主要變化過(guò)程，分別是1980—1985年、1989—2008年、2018—2021年降水量呈減少趨勢(shì)，1986—1988年、2009—2017年降水量呈增加趨勢(shì)；非汛期降水豐、枯交替頻繁經(jīng)歷了7個(gè)主要變化，分別為：1980—1987年、1992—1998年、2016年降水量呈增加趨勢(shì)；1988—1991年、1999—2015年、1999—2015年、2017—2021年降水量呈減少趨勢(shì)。

3.1.2降水量突變性分析

氣候變化、人類活動(dòng)的影響都會(huì)引起水文時(shí)間序列的突變，而趨勢(shì)分析只能發(fā)發(fā)現(xiàn)整個(gè)水文數(shù)據(jù)最時(shí)間的整體變化趨勢(shì)，不能反映序列內(nèi)部的特征變化，因此本文采用M-K方法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法分析降水量時(shí)間序列的突變性。

粵東地區(qū)年降水量整體有下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯，UF和UB曲線在2009年、2011年和2019年前后相交(見圖3a)，3個(gè)時(shí)間點(diǎn)均可能為突變點(diǎn)。采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)一步確認(rèn)降水量突變點(diǎn)(見圖3b)，滑動(dòng)T檢驗(yàn)值|T|=2.4>T(0.05/2)=1.64，說(shuō)明降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，結(jié)合2種突變檢驗(yàn)方法可判斷粵東地區(qū)近42 a年降水量2019年為突變年。

汛期降水呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)顯著性不強(qiáng)，汛期降水UF和UB曲線在1988年、1990年、2019年左右均發(fā)生相交(見圖4a)，采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法進(jìn)一步確認(rèn)降水量突變點(diǎn)(見圖4b)，滑動(dòng)T檢驗(yàn)值|T|=2.21>T(0.05/2)=1.64說(shuō)明汛期降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，因此可得出汛期降水和年降水量一樣，2019年為突變年。非汛期降水UF和UB曲線在1995年、1997年、1998年、2011和2020年均有交點(diǎn)(見圖5a)，滑動(dòng)T檢驗(yàn)(見圖5b)的檢驗(yàn)值|T|=1.58

a M-K突變檢驗(yàn)

a M-K突變檢驗(yàn)

a M-K突變檢驗(yàn)

3.1.3降水量周期性分析

圖6a繪制了年降水量距平序列Morlet小波變換實(shí)部的時(shí)頻變化，實(shí)線部分表示小波系數(shù)實(shí)部值大于0，即正位相，表示處于降水偏多的豐水期，虛線表示小波系數(shù)實(shí)部值小于0，即負(fù)位相，表示處于降水偏少的枯水期，粗實(shí)線為0值，降水發(fā)生突變。圖6中清晰地顯示了年降水量時(shí)間尺度變化、突變點(diǎn)分布及其位相結(jié)構(gòu)。在21～32 a時(shí)間尺度上，尺度中心為24 a，年降水量經(jīng)歷了6個(gè)豐、枯交替循環(huán)特征和6個(gè)震蕩中心，震蕩中心依次為1970年代末期、1980年代末期、1990年代末期、2000年代后期、2010年代中期和2020年代初期，現(xiàn)階段年降水量政處于偏枯期；在10～19 a時(shí)間尺度上，尺度中心為15 a，該尺度的周期震蕩信號(hào)最明顯，經(jīng)歷了8個(gè)豐、枯交替循環(huán)特征和9個(gè)震蕩中心，表現(xiàn)為枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯，該時(shí)間尺度上表明2021年后仍少降雨期；在6～9 a時(shí)間尺度上，尺度中心為8 a，該尺度上也表明現(xiàn)處于少雨期。圖3b小波方差圖中可以看出有4個(gè)極大值，分別為4 a、8 a、15 a、24 a時(shí)間尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在年降雨上主周期為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a。

汛期降水量小波分析見圖7，從圖7a中可以看出多重時(shí)間周期尺度相互嵌套的現(xiàn)象，小尺度的交替變化隱藏嵌套在大尺度結(jié)構(gòu)中。

a 小波系數(shù)實(shí)部

a 小波系數(shù)實(shí)部

可以看出汛期降水量存在21～32 a、11～19 a、6～10 a和2～5 a的時(shí)間尺度震蕩變化，尺度中心分別為25 a、15 a、9 a和4 a，其中11～19 a的振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，經(jīng)歷了8個(gè)豐、枯交替循環(huán)特征和9個(gè)震蕩中心，其震蕩中心分別為1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2017年和2021年左右。在21～32a時(shí)間尺度上，汛期降雨經(jīng)歷了5個(gè)正負(fù)交替震蕩和6個(gè)震蕩中心。該尺度周期震蕩變化在整個(gè)研究期間內(nèi)都對(duì)短周期震蕩產(chǎn)生影響。從粵東地區(qū)近幾年汛期降雨變化來(lái)看，21 a尺度以上、11～19 a和6～10 a時(shí)間尺度上均為偏枯期。從圖7b中可以看出有4個(gè)極大值，分別為4 a、9 a、15 a、24 a時(shí)間尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在汛期降水上主周期為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a。由圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，汛期降水與年降水在時(shí)域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制著年降水。

非汛期降水量小波分析見圖8，可以看出非汛期降水量存在23～32 a、11～20 a、6～10 a和4～6 a的時(shí)間尺度震蕩變化，尺度中心分別為28 a、16 a、7 a和5 a，其中11～20 a的振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，經(jīng)歷了8個(gè)豐、枯交替循環(huán)特征和9個(gè)震蕩中心，其震蕩中心分別為1980年、1984年、1989年、1994年、1999年、2006年、2011年、2017年和2022年左右。在21～32 a時(shí)間尺度上，汛期降雨經(jīng)歷了5個(gè)正負(fù)交替震蕩和5個(gè)震蕩中心。該尺度周期震蕩變化在整個(gè)研究期間內(nèi)都對(duì)短周期震蕩產(chǎn)生影響。從粵東地區(qū)近幾年汛期降雨變化來(lái)看，所有的時(shí)間尺度上均為偏枯期。從圖8b中可以看出有5個(gè)極大值，分別為3 a、5 a、7 a、16 a、28 a時(shí)間尺度，其中16 a峰值最大，7 a峰值次之。因此，在非汛期降水上主周期為16 a，次周期為3 a、5 a、7 a和28 a。

a 年降水

a 小波系數(shù)實(shí)部

3.2 降水量序列變化的空間分析

3.2.1降水量空間分析

采用普通克里金插值方法分別對(duì)粵東區(qū)域的年平均降水量、汛期降水量和非汛期降水量進(jìn)行空間插值分析，得到分布圖(見圖9)，由圖9可以看出粵東地區(qū)年平均降水量和汛期降水量呈現(xiàn)北多南少，西北部主要山地丘陵地帶降雨量最為豐富，東北部次之，南部和東南部沿海地帶的平原地帶雨量最少，并且可以明顯看出從北至南雨量呈現(xiàn)階梯型減少，以及粵東區(qū)域3個(gè)明顯的暴雨中心點(diǎn)，即汕尾北部蓮花山一帶、揭陽(yáng)普寧西部、揭西縣和潮州北部山區(qū)地帶。而非汛期降水分布則表現(xiàn)為東北部降雨最為明顯，西北部次之，沿海部分降雨最少。

3.2.2時(shí)段多年平均降水量空間分析

依據(jù)粵東地區(qū)年降水量小波周期分析結(jié)果，選取震蕩最強(qiáng)的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)，將42 a資料劃分為1980—1982年(枯水年)、1983—1987年(豐水年)、1988—1993年(枯水年)、1994—1998年(豐水年)、1999—2004年(枯水年)、2005—2008年(豐水年)、2009—2012年(枯水年)、2013—2018年(豐水年)、2019—2021(枯水年)年9個(gè)豐枯交替的多年降水量，采用時(shí)態(tài)GIS獲得各時(shí)間段內(nèi)的降水空間分布特征(見圖10)。由圖10分析可知：① 2005—2008年時(shí)段多年平均降雨最大，平均面雨量為2 332.3mm；2019—2021年時(shí)段多年平均降雨量最小，平均面雨量為1 650.7 mm；② 不論是豐水還是枯水年，整個(gè)粵東地區(qū)降雨空間分布特征均相似，均為北多南少，即北部山地丘陵地帶降雨多，沿海地帶降雨少，與3.2.1小節(jié)中年降水量的空間分布一致，沒(méi)有明顯隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同和豐枯變化而產(chǎn)生降水空間分布變化。

圖10 時(shí)段多年平均降水量空間分析

4 結(jié)語(yǔ)

以70個(gè)雨量站點(diǎn)近42 a降水資料為基礎(chǔ)，采用線性趨勢(shì)、累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)T突變檢驗(yàn)、小波分析和時(shí)態(tài)GIS等方法，對(duì)粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水特性分別進(jìn)行分析，主要結(jié)論有：

1) 粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水均呈微弱的減少變化，其線性傾向率分別為-2.248 mm/a、-0.0222 mm/a和-2.2258 mm/a。為消除周期變化影響，對(duì)序列數(shù)據(jù)分別進(jìn)行累積距平處理，結(jié)果表明近42 a來(lái)粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水量呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。

2) 時(shí)間突變上，近42 a來(lái)粵東地區(qū)年降水和汛期降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，2019年為突變年，并呈現(xiàn)出偏多向偏少變化。非汛期降水無(wú)明顯的突變年。

3) 通過(guò)周期性分析，粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水序列均存在4類較為明顯的時(shí)間尺度周期震蕩變化，其中年降水和汛期降水的主周期均為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a，表明汛期降水與年降水在時(shí)域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制著年降水。非汛期降水序列的主周期為 16 a，次周期為3 a、5 a、7 a和28 a。年降水、汛期降水和非汛期均處于偏枯期

4) 空間分布上，粵東地區(qū)年降水量和汛期降水量呈現(xiàn)北多南少，西北部主要山地丘陵地帶降雨量最為豐富，東北部次之，南部和東南部沿海地帶的平原地帶雨量最少，并且可以明顯看出從北至南雨量呈現(xiàn)階梯型減少，而非汛期降水分布則表現(xiàn)為東北部降雨最為明顯，西北部次之，沿海部分降雨最少。不管是豐水還是枯水年，整個(gè)粵東地區(qū)降雨空間分布特征均相似，均為北多南少，即北部山地丘陵地帶降雨多，沿海地帶降雨少，沒(méi)有明顯隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同和豐枯變化而產(chǎn)生降水空間分布變化。