基于Mann-Kendall 韶關汛期降水變化趨勢及突變分析

李曹明，鄭 勇，黃啟鋒，黃觀榮

（1.仁化縣氣象局，廣東 仁化 512300；2.海珠區氣象局，廣東 廣州 510000；3.韶關市氣象局，廣東 韶關 512000）

當前，全球變暖已成定局，全球的升溫一定程度上導致我國極端氣候事件發生頻率增加，旱澇現象日趨嚴重.近年來，汛期時期極端降水天氣頻發導致嚴重洪澇、城鄉積澇，泥石流等災害引發人們廣泛關注，眾多學者也對不同地區不同汛期時段降水時空趨勢變化和突變特征已進行研究.唐凱等應用氣候傾向率法和Mann-Kendall 檢驗法對潮州市1980—2019 年降水變化特征分析發現潮州地區汛期（4—9 月）降水量在2012 年發生突變，前后汛期降水特征不同，前汛期（4—6 月）增加趨勢明顯，后汛期（7—9 月）表現為不明顯下降趨勢［1］；楊向權等則在Mann-Kendall 檢驗法基礎上研究發現2000 年以來海南省降水量發生3次突變，分別在2002 年，2006 年和2007 年［2］；李靜睿就汛期極端降水事件做了統計和突變分析，結果表明陜西省汛期（5—9 月）極端降水事件整體呈增長趨勢，局部變化差異大［3］.由此可知，汛期降水變化特征研究利用Mann-kendall 檢驗法能很好反映氣候降水突變特征，特別是針對長期氣候分析效果顯著.

韶關地處廣東省北部，南嶺山脈南麓，屬中亞熱帶濕潤性季風氣候［4］.韶關年汛期跨度時間長，且又分前汛期和后汛期，前汛期降水持續性長，強降水中心地區受暴雨災害襲擊頻率高，易導致內澇、山洪等次生災害；后汛期降水由東風波等熱帶天氣系統產生的降水，尤其是臺風帶來的降水，造成的局地災害比較大［5-6］.筆者基于Mann-Kendall 檢驗法及前人研究韶關地區降水特征基礎上對韶關市近40 年的年降水量、汛期氣候降水變化趨勢及突變情況進行分析，旨在了解韶關市降水變化特征，為有效應對汛期降水提供參考.

1 資料和方法

1.1 數據資料

筆者所用資料來自韶關市氣象局氣象資料數據庫，為韶關8 個國家自動氣象站1980—2019 年逐日降水數據集.根據業務規定，韶關入汛時間是依據廣東從3 月1 日起，全省累計50%或以上監測站出現日降水量≥38 mm 的時間，為便于研究，按照華南常年汛期時間為4 月1 日至9 月30 日，前汛期時間為4 月1日至6 月30 日，后汛期時間為7 月1 日至9 月30 日的劃分標準進行分析［7］.

1.2 研究方法

非參數Mann-Kendall 檢驗法廣泛應用于分析降水、氣溫、徑流等要素［8］.時間事件序列趨勢分析不要求樣本規律遵從一定分布，且檢驗結果基本不受少數異常值的干擾.筆者統計是近40 年獨立、同分布降水數據序列（x1，x2，…，xn）.對一個給定的時間序列，共有n個樣本量，構造一個序列Sk，即：

UFk為標準正態分布.給定顯著性水平a=0.05，且|UFi|＞Ua/2，說明該時間序列xi存在顯著的趨勢變化.按逆序列重復以上過程，計算另一個統計量UBi，即：

若UFi≥0 表示氣候量xi 呈上升趨勢，反之呈下降趨勢.若UFi和UBi曲線相交，且交點在上下兩條臨界線（即±1.96）之間，則交點即為該氣候量xi的突發起始點.若UFi和UBi沒有交點或他們有交點但交點在臨界線之外或有交點并且交點在兩條臨界線之間，但在交點線后UFi和UBi都出現大于臨界值得情況，那么說明氣候量xi突變趨勢不明顯.

筆者將在Mann-Kendall 檢驗法基礎上再通過滑動T 檢驗對突變點進行進一步驗證，剔除干擾值.同時，應用氣候傾向率的方法分析韶關市逐年降水量、前后汛期變化趨勢及貢獻率等.應用線性分析、數理統計等方法分析前后汛期降水日數和暴雨日數變化特征.

圖1 1980—2019 年韶關年降水量逐年變化特征

2 結果分析

2.1 年降水量氣候變化和空間分布特征

從1980—2019 年8 個國家氣象觀測站日降水量累計平均得出韶關年降水量逐年變化特征（見圖1）可知，韶關年降水量在1 200～2 300 mm間，兩極分化明顯，年降水量在2 000 mm 以 上 有1984 年，1995 年，1997 年，2017 年，年降水量在1 300 mm 以下有1992 年，2004 年，2005 年，2010 年；結合1980—2019 年韶關前后汛期、非汛期年降水量占年降水量貢獻百分比逐年變化特征（見圖2）來看，年降水量以20.4 mm/10a 逐年微弱增多，各降水時期降水貢獻率呈波動式變化，2004 年后前汛期有上升趨勢，后汛期和非汛期有減弱趨勢，除個別年份外，前汛期降水貢獻率最高，占全年降水量30%～60%，最多前汛期降水量高達1 200 mm 以上，其次是非汛期，后汛期降水貢獻率占比最低.

圖2 1980—2019 年韶關前后汛期降水、非汛期降水貢獻率情況

由1980—2019 年韶關年汛期年平均降水量、前后汛期年平均降水量空間分布特征（見圖3）可以發現，韶關汛期年平均降水量呈南多北少，最大值出現在新豐，年均降水量在1 480 mm 以上，最小值出現在南雄，年均降水量在1 060 mm 以下（見圖3（a））；前汛期分布特征與汛期有明顯相似，各地區前汛期年平均降水量占汛期的60%～70%（見圖3（b））；后汛期呈東部多，中部少，各地區年平均降水量僅占汛期的30%～40%（見圖3（c））.

圖3 1980—2019 年韶關汛期、前后汛期年平均降水量空間分布特征

綜上所述，韶關是以前汛期（4—6 月）為主降水時期的氣候特點，降水量逐年微弱增多.近年來前汛期降水增多，其他時期降水減少引起時空配置不均現象的結果與劉占明《韶關降水年內非均勻性特征分析》中韶關市大部分區域降水集中期多年平均值在6 月上旬，降水集中度、集中期均表現為上升趨勢結論相似［9］.

2.2 汛期降水量氣候變化特征

2.2.1 汛期降水日數和暴雨日數統計分析

在南海季風爆發前后華南前汛期韶關降水具有顯著的空間差異，降水日數和強度與天氣尺度（低渦、鋒面、切變線）動力抬升密切相關，系統過程累計雨量大，極端降水多發，易引發地質災害；后汛期則主要跟副熱帶高壓位置以及登陸我國東南沿海地區的熱帶氣旋頻數有關，多雷雨大風天氣［10-13］.為更好詮釋韶關汛期降水量年際變化特點，表1 對各個國家站前后汛期降水日數和暴雨以上降水日數做了統計，其中當日降水量≥0.1 mm 為降水日，反之，則為無降水日；當日降水量≥0.1 mm 且降水量≥50.0 mm 為暴雨以上降水日，反之，則為非暴雨以上降水日.結合韶關氣象國家觀測站分布圖（見圖1），前汛期韶關降水日數在51～59 d 之間，降水日數最多在南部的新豐，最少在西北部的南雄；北部地區表現為減少趨勢，其中仁化減少趨勢最明顯，以0.91 d/10a 速率減少，其次是樂昌，中南部以南除曲江外均表現為增加趨勢，始興增加趨勢最明顯，以0.82 d/10a 的速率增加，其余地區相對較慢；暴雨日數則是由南到北逐漸減少的規律分布特征，最多出現在新豐4.3 d，小于華南暴雨氣候平均值6.4 d，中部地區和樂昌暴雨日數變化率為正，乳源增加速率最快，為0.82 d/10a，翁源減少速率最快，為0.46 d/10a，僅中部地區大于華南的0.18 d/10a 暴雨日數增長速率［12，14］.相較于前汛期，各地區后汛期降水日數少12 d 左右，各地區除乳源、始興外降水日數變化都為負值，變化幅度較小，乳源以0.63 d/10a 速率增加，曲江以0.65 d/10a 速率減少；暴雨日數較前汛期少1～2 d 左右，變化較為不明顯.

表1 韶關8 個國家站多年前后汛期年降水日數、年暴雨以上降水日數及其變化率

2.2.2 汛期降水量變化趨勢突變檢驗

李紅梅指出目前對于存在多年的尺度波動序列檢驗中，Mann-kendall 突變檢驗方法尚存在一些困難，檢驗結果中對應兩序列的交叉點不一定能說明存在躍變的局限性［15］.故應用Mann-Kendall 方法對1980—2019 年汛期降水量、前汛期降水量與后汛期降水量時間序列做突變檢驗后再進行滑動t 檢驗，進一步篩選掉干擾值分析結果（見圖4）：在40 年里，汛期降水量、前后汛期降水量大部分年份未通過a=0.05 置信度檢驗，僅汛期1989—1993 年，后汛期1989 年、1992 年的UF曲線超過了顯著線，說明這3 個數據量整體是不顯著變化的.汛期UF和UB在顯著水平線a=0.05 內表現為先降低后上升趨勢，2000—2010 年有7個交點、2016—2019 年有2 個交點，對比滑動t 檢驗（MTT 檢驗法）可得，在1992—1994 年超過顯著性水平線b=2.10，但此區間并沒有交點，即汛期降水量無突變點.

與汛期降水量變化有所不同，前汛期整體趨勢是先下降，中期明顯上升，后期明顯下降趨勢.在顯著水平線內UF和UB 交點較少，共5 個，出現在2004—2008 年，2016 年，在滑動t 檢驗中（圖略），2004—2006 年有通過檢驗點，可認為在2005 年是前汛期降水量突變點.后汛期降水量與前汛期降水量趨勢相反，UF 和UB 交點在t 檢驗區域內在2003—2004 年出現交點，即后汛期降水量出現的突變點是2003 年.

圖4 1980—2019 年韶關降水量Mann-kendall 曲線圖

3 結論

韶關常年總降水量中前汛期（4—6 月）是全年降水集中期，占全年降水量30%～60%，其次是非汛期，后汛期降水貢獻率占比最低.年降水量呈氣候性不顯著上升趨勢，2004 年后前汛期有上升趨勢，后汛期和非汛期有減弱趨勢.說明該地區年降水分布不均現象變得明顯.韶關前后汛期降雨日數、暴雨日數北少南多，中部有上升趨勢，北部和南部有降低趨勢；且相比于后汛期，前汛期降水日數多12 d 左右，暴雨以上日數降水則多1～2 d，趨勢變化幅度較強.韶關汛期降水量、前汛期降水量與后汛期降水量的氣候年際變化不顯著，突變檢驗僅前汛期在2005 年出現突變，后汛期在2004 年出現突變.