基于Mann-Kendall檢驗和小波分析的南昌降水變化特征研究

林思平 高震東 王秋霜 胡耀丹 楊舒惠

摘要：近年來，氣候變化已成為國際研究的熱點問題，其中全球變暖在自然生態(tài)與社會經(jīng)濟方面都給可持續(xù)發(fā)展帶來了重要影響。為了解全球變暖以及土地利用方式轉變下南昌地區(qū)的氣候變化規(guī)律，在相關氣候要素中，選擇降水量作為衡量指標，利用Mann-Kendall趨勢檢驗和Morlet小波分析方法對其近64年降水量的年際變化趨勢以及其周期性變化特征進行研究。結果表明：（1）近64年來南昌地區(qū)降水變化不明顯，但總體年降水量呈略增加趨勢。（2）通過小波分析得出：降水量序列存在5個周期，即7年、11年、28年、50年和63年。主振蕩周期為28年，且從主振蕩周期尺度上來看，南昌在未來一段時間里將處于降水偏多階段。

關鍵詞：南昌;Mann-Kendall趨勢檢驗;小波分析;降水

20世紀以來，全球大部分地區(qū)都經(jīng)歷了不同程度的升溫[1]，加速變暖的氣候已經(jīng)引起了社會各界的高度關注。降水量是各類氣候指標中，具有定量化分析某地區(qū)氣候變化特征和趨勢的主要因素之一。近年來，相關學者和機構進行了不同類型的區(qū)域降水變化趨勢和規(guī)律研究[2，3]。這其中，不同尺度的區(qū)域降水分析和局域降水變化研究可以顯著提高地方應對中長期氣候變化和旱澇災害的能力。

南昌市位于我國江西省中部偏北，與我國最大的淡水湖泊——鄱陽湖毗鄰，是我國主要的糧食生產(chǎn)基地之一。近年來，在全球變暖的背景下，疊加南昌市土地利用方式的轉變、農(nóng)田轉為其他用地等因素，區(qū)域內(nèi)的能量平衡發(fā)生了很大程度的轉變。隨之而來的是區(qū)域氣候的變化，以及環(huán)境本底的改變。因此，本文利用Mann-Kendall趨勢檢驗和Morlet小波分析等技術，對南昌地區(qū)近64年來的降水變化趨勢進行規(guī)律分析。相關研究結果可以為南昌地區(qū)應對氣候變化，提高該地區(qū)中長期適應降水變化的能力。同時，該研究結果也可以為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應對未來旱澇災害提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省的中部偏北區(qū)域，贛江和撫河的下游沖積平原，處在鄱陽湖西南岸。東經(jīng)115°27′至116°35′，北緯28°10′至29°11′之間。南昌地區(qū)以平原為主，占國土面積的35%以上，東南地區(qū)相對平坦，西北則地勢較高。總體上，南昌及周邊水網(wǎng)密布，湖泊面積大，總水域達2200km2以上，占30%左右。南昌屬于亞熱帶季風氣候，氣候濕潤、雨熱同期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自古以來較為發(fā)達。1980年代以來，南昌市的城市化進程逐漸加速，城區(qū)面積逐年擴大，人口增速較快，由此引起了一系列的城市環(huán)境氣候問題。

2 研究方法

（1）Mann-Kendall分析法。Mann-Kendall分析法可以對各類時間尺度下的氣候要素進行變化趨勢檢驗，該方法屬于一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，因此具有較好的檢測分析效果，常被應用于氣溫和降水等序列的變化檢測中[4，5]。該方法的優(yōu)勢主要在于計算過程較為簡便，檢測的時間尺度范圍廣，不易受到異常值的控制，并且在檢測之初無須選擇某種特定的分布函數(shù)。因此，本文采用該方法檢驗南昌市近64年的降水序列，定量反映降水變化趨勢的顯著性。

（2）小波分析法。Morlet小波分析是一種具有時頻多層次分辨功能的方法，它能夠有效的獲取水文氣象序列不同時間尺度的周期性特征，并能評估序列未來一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢[6-10]。本文通過運用小波分析檢驗方法，能夠很好的獲取南昌市降水的周期性變化規(guī)律。

3 結果與分析

（1）降水量趨勢分析。通過結合國家基本氣象站數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計了南昌市1953—2016年的日降水數(shù)據(jù)，分析其降水量的年代變差系數(shù)。如圖1所示，20世紀60年代的最大降水量在研究期間最小，20世紀50年代的最大降水量在研究期間最大。由此可見，20世紀60年代可能屬于降水低谷區(qū)、20世紀50年代可能屬于一個降水豐沛區(qū)。從平均值這一屬性來看，20世紀90年代的降水平均值最大，屬于降水相對較豐富的時期。20世紀60年代的降水平均值最低，這一時間段則屬于一個降水偏少期[11]。

如圖2所示，近64年來該地區(qū)的降水變化的總體趨勢并不顯著。由5年滑動平均的計算結果來看，1960s、1980s和2000年之后的降水處于相對低值區(qū)。50年代初、70年代和90年代降水均較多?？傮w平均年降水量呈略增加趨勢。MK趨勢檢驗的Z統(tǒng)計量為1.755，在90%的可信度范圍內(nèi)，說明從長期來看，該地區(qū)的降雨量序列呈顯著的上升變化趨勢?？傮w而言，1950—1960年代、1970—1980年、2000年前后、2010年前后降水量較大，超過了近60年的平均值。而1960—1970年，以及1980—1990年屬于降水的低值區(qū)間。通過統(tǒng)計分析，南昌地區(qū)降水具有一定的變化趨勢性。

（2）降水變化周期。通過運用小波分析方法，從而得到南昌降水的周期變化特征，如圖3所示，南昌地區(qū)近64年的降水具有一定的周期變化特征。小波變換可以將降水周期變化過程中的精細結構顯示出來，一般小波實部變換實部值的低值區(qū)和高值區(qū)是周期變化，這便可以進行降水變化的周期識別。由圖2的小波變換實部時頻分布圖可以看出，在7—8年、11—12年、24—28年等時間尺度上可以較明顯的識別出來，其小波變換實部值具有高低變化的過程。同時，大部分周期變化可以通過95%的置信度檢驗。由此說明，南昌地區(qū)的降水具有一定的變化規(guī)律性。總體而言，在長時間尺度上，南昌地區(qū)降水的Morlet小波變換實部時頻分布值較高，但是大部分時間段超過檢驗的置信度區(qū)間。

小波方差圖可以反映年南昌地區(qū)降水變化趨勢的能量譜特征[5]，因此可以進行主周期和不同時間尺度的分析。小波方差分析的結果如圖4所示。

結合圖3、圖4分析得出降水量序列存在5個主周期，即7年、11年、28年、50年和63年。前三個振幅比較小，后面振幅逐漸增強，主振蕩周期為28a。從主振蕩周期上看，南昌在未來一段時間里將處于降水偏多階段。

4 結論

本文通過采用Mann-Kendall趨勢檢驗、Morlet小波分析方法分析了南昌市的降水變化特征。結果表明，64年間南昌市的降水量呈略增加趨勢，且在周期性的分析中表現(xiàn)出未來將繼續(xù)增加的趨勢?？傮w而言，南昌地區(qū)降水變化還處在一定的波動范圍之內(nèi)。未來農(nóng)業(yè)和城市發(fā)展可能會導致新的用水需求，因此從社會可持續(xù)發(fā)展的角度考慮應該進一步進行工農(nóng)業(yè)和生活用水的綜合調(diào)度與規(guī)劃。通過統(tǒng)籌不同部門的用水規(guī)劃，以此促進南昌地區(qū)的用水合理化與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

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