閔行區(qū)56年降水特征及小波分析

陳娟 上海市閔行區(qū)水文站

1.資料與方法

1.1 研究資料

采用歷年水文年鑒及閔行區(qū)水文站資料整編成果，重點選取轄區(qū)內(nèi)4個雨量站點作為代表站，即閘港、大治河西閘、淀浦河?xùn)|閘、北橋測站，根據(jù)1963～2018年共56年逐日降水量數(shù)據(jù)進行分析計算。

1.2 分析方法

（1）趨勢分析法。判別分析資料時間序列中的趨勢變化和傾向率。

（2）Mann-Kendall檢驗方法

對于統(tǒng)計量Z，大于0時是上升趨勢，小于0時是下降趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時，分別表示通過了信度90%，95%，99%的顯著性檢驗。

表1 閔行市年降水量M-K法統(tǒng)計量及變化

（3）小波分析。小波分析技術(shù)(wavelet analysis,WA)在傅里葉變化的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，很好地克服了傳統(tǒng)譜分析方法的缺點，它采用一種窗口大小可變、位置可動的變窗進行譜分析，從而滿足了信號時、頻局部化的要求(Fou-foula-Georgiou et al,1994;Percival et al,2000)。小波分析被廣泛應(yīng)用于信號處理、圖像壓縮、模式識別、數(shù)值分析和大氣科學(xué)等眾多的非線性科學(xué)領(lǐng)域。小波基函數(shù)具有可快速衰減至0震蕩等特性，可表示為。小波變換分為連續(xù)小波變換和離散小波變換，其中連續(xù)小波變換更適合離散信號特征的提取。本文采用morlet連續(xù)小波變換。

2.結(jié)果與分析

2.1 降水年際變化及趨勢分析

1963～2018年閔行區(qū)年降水量變化曲線和5年滑動平均曲線見圖1。從圖中可以看出，閔行區(qū)降雨量呈現(xiàn)頻繁波動、高低錯落的形態(tài)，5年滑動平均和10年滑動平均均顯示降水增加趨勢，因此總體降水量呈增加趨勢。

通過最小二乘法得出閔行區(qū)年代與降雨量的線性關(guān)系，y=6.8288x+938，R2=0.2068?？梢钥闯觯h行區(qū)年降水量曲線呈現(xiàn)上下波動形態(tài)，年際變化總體呈現(xiàn)上升趨勢，傾向率68.3mm/10a，相關(guān)系數(shù)為0.21。

表1給出了閔行區(qū)根據(jù) 1963年以來的年降水?dāng)?shù)據(jù)采用M-K法計算的統(tǒng)計量及UF和UB變化趨勢結(jié)果。從計算結(jié)果來看，閔行區(qū)1963-1972年呈現(xiàn)下降趨勢，1989-2018年呈現(xiàn)顯著上升趨勢，突變年份分別為1976、1977、1980、1981年。

2.2 降水月分布及分析

圖1 1963～2018年閔行區(qū)年降水量變化曲線和 5 年滑動平均曲線

圖2 降水量年內(nèi)分配過程

圖2為閔行區(qū)多年月降雨量。可以看出，閔行區(qū)降水量的年內(nèi)分配四季分明，不均勻性強，全年降水主要集中在3～9月，6月降水量最大，汛期（6～9）多年平均降水567.9mm，占全年平均降水的50.1%。

通過表2可以清楚看到閔行區(qū)降水的年內(nèi)分配特征：降水量最多為6月，多年平均值為174.3mm,占全年降水量的15.4%；最小為12月，多年平均值僅為41.5mm，僅貢獻了全年降水量的3.7%。1-12月變差系數(shù)在0.39-0.97之間浮動，最大為10月的0.97，說明10月雨量年際變化最大，年際分配最不均勻?？梢钥吹?0月降水最大值為2016年的306.8mm，最小為1979年的0.0mm，整月無雨；變差系數(shù)最小為4月的0.39，說明4月年際變化差異最小。

2.3 周期分析

閔行區(qū)1963～2018年年降雨量的morlet小波變化實部的時頻變化如圖3。小波系數(shù)實部等值線圖能反映年降雨量不同時間尺度的周期變化在其時間域中的分布。從圖3可以看出，在年降雨量變化過程中存在著43～47年，24～28年，5～8年3類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在43～47年時間尺度上出現(xiàn)了豐-枯交替的準震蕩；在24～28年時間尺度上存在準2次震蕩。這兩個時間尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的很穩(wěn)定，具有全域性；相比較而言，5～8年時間尺度變化周期不是很穩(wěn)定。

分析閔行區(qū)年降雨量變化的第一和第二周期小波系數(shù)，可以得出，在45年特征時間尺度上，閔行區(qū)年降雨量的平均變化周期為53年左右，約1個周期的豐-枯變化；在27年特征時間尺度上，閔行區(qū)年降雨量的平均變化周期為25.5年左右，約2個周期的豐-枯轉(zhuǎn)換期。

表2 1963～2018年閔行區(qū)月降水量和變差系數(shù)

圖3 閔行區(qū)年降水量morlet小波系數(shù)實部等值線

3.結(jié)論

通過對閔行區(qū)56年降水資料的分析研究表明：

（1）閔行區(qū)1963～2018年以來，年降水頻繁波動、高低錯落的形態(tài)，但總體呈現(xiàn)上升趨勢，其增長率約為68.3mm/10a。

（2）采用M-K檢測法，閔行區(qū)1963-1972年降水呈現(xiàn)下降趨勢，1989-2018年降水呈現(xiàn)顯著上升趨勢，突變年份分別為1976、1977、1980、1981年。

（3）從年際變化來看，年降水差變系數(shù)為0.22，年變化較均勻，56年來閔行區(qū)平均降水為1132.6mm，最大值為1999年的1663.6 mm，最小值為1978年的689.2mm，最大值為最小值的2.4倍；月降水年際變化較大，其中10月雨量年際變化最大，差變系數(shù)為0.97，年際月降水分配最不均勻。

（4）通過morlet小波變化，分析得出閔行區(qū)年降水變化存在45年的第一主周期和27年的第二主周期，分別經(jīng)歷約1個周期的豐-枯變化和約2個周期的豐-枯轉(zhuǎn)換。