清遠市1970—2019年降水序列變化特征分析

劉旋旋

(廣東省水文局清遠水文分局，廣東 清遠 511500)

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源[1]，而大氣降水作為水循環(huán)中最重要一環(huán)，是影響流域徑流和水資源可利用量變化的重要因素。雖然全國平均降水量在近百年和近60年均未見顯著的趨勢性變化，但1970年后發(fā)生了明顯的年代際變化[2]。隨著氣候變化和人類活動的加劇，區(qū)域性的降水過程和特點可能已發(fā)生明顯變化，因此研究降水變化特征對區(qū)域水資源利用與管理有著重要意義。

清遠市位于北江中下游，境內(nèi)河網(wǎng)水系發(fā)達，集水面積較大。區(qū)域降水不僅影響著清遠市的農(nóng)林業(yè)發(fā)展，也影響著珠三角地區(qū)水資源配置與利用。并且清遠市多為山區(qū)性河流，降水易發(fā)生中小流域洪水，造成山洪災(zāi)害[3]。因此，對清遠區(qū)域的降水特征變化研究顯得十分必要。目前，針對清遠地區(qū)降水過程的個例特征研究較多，但是降水時間序列變化特征方面的研究成果并不多見，曾志平[4]研究結(jié)果表明，清遠連州、陽山一帶的強降水呈現(xiàn)增加趨勢，并且降水更加集中；周小云等[5]研究指出，21世紀(jì)以來清遠市暴雨日數(shù)明顯偏多，大暴雨及以上則相反；羅律等[6]研究表明，清遠地區(qū)年暴雨量與暴雨日數(shù)呈現(xiàn)小幅增加趨勢，自北向南年暴雨量、暴雨日數(shù)、暴雨強度等相關(guān)指標(biāo)呈遞減趨勢。本文采用多種分析方法，對清遠市1970—2019年降水序列進行分析研究，以期為區(qū)域水資源管理利用以及保障社會生產(chǎn)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

清遠市(23°26′～25°11′N、111°55′～113°′55E)位于廣東省中北部和北江中下游，作為廣東省陸地面積最大的地級市，其土地總面積為19 152 km2，約占全省陸地總面積的10.6%。清遠市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在18.9℃～22.0℃[7]，降水資源豐富且多集中在汛期，其平均年降水量在1 631.4～2 149.3 mm，年平均降水日(日降水量≥0.1 mm)為160～173 d。轄區(qū)內(nèi)水資源豐富，河流眾多，主要是北江水系，其集雨面積約占全市集雨面積的 94.7%，轄區(qū)內(nèi)有74條河流的集雨面積大于100 km2，其中北江、連江、潖江、滃江、濱江、煙嶺河、青蓮水等河流集水面積超過了1 000 km2。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

站點選取為清遠市6個不同市縣的代表水文站點，分別為清城區(qū)清遠站、佛岡縣大廟峽站、清新區(qū)珠坑站、英德市英德站、陽山縣陽山站以及連州市連縣站，站點分布見圖 1。以各站點1970—2019年降水?dāng)?shù)據(jù)資料(數(shù)據(jù)資料來自廣東省水文局)作為研究對象，采用多種水文分析方法識別清遠市各市縣站點年降水趨勢特征、突變情況以及周期特征。

圖1 研究站點分布

2.2 分析方法

2.2.1趨勢分析

本文采用五點滑動平均、線性回歸以及Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法對降水?dāng)?shù)據(jù)序列進行趨勢分析。對于Mann-Kendall非參數(shù)檢驗，以清遠站年降水序列為例，假定其年降水序列x1,x2,…,xn為相互獨立且隨機變量同分布的樣本，構(gòu)造統(tǒng)計量S[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中 1≤j

假設(shè)清遠站年降水序列無趨勢，在給定顯著水平α后，如果|Z|≥Z1-1/α，則拒絕原假設(shè)，即清遠站年降水序列存在顯著趨勢，統(tǒng)計量Z>0表示增加趨勢，統(tǒng)計量Z<0表示下降趨勢。

2.2.2突變分析

Mann-Kendall檢驗法用于突變檢驗，仍以清遠站年降水序列x1,x2,…,xn為例，構(gòu)造統(tǒng)計量dk[9]：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中mi——xi>xj(1≤j≤i≤n)的累計數(shù)；E(dk)、D(dk)——dk的均值和方差。

將dk標(biāo)準(zhǔn)化得到UFk(UF1=0)。將x1,x2,…,xn反向排列，重復(fù)上面過程，得到統(tǒng)計量UBk=-UFk′，k′=n,n-1，…,1。若UFk、UBk2條曲線在顯著水平臨界線之間相交，那么交點對應(yīng)時間則為可能發(fā)生突變的時間。

2.2.3周期分析

對數(shù)據(jù)序列的時間周期分析采用Morlet小波分析，對數(shù)據(jù)序列做連續(xù)小波變換，其小波函數(shù)及連續(xù)小波變換如下[10]：

(9)

(10)

式中Wf(a,b)——小波變化系數(shù)；a——尺度因子；b——平移因子。

在時間域上對Wf(a,b)的平方值進行積分計算，即可得到小波方差，小波方差可以很好地反映降水序列能量波動隨尺度a的分布情況。

(11)

式中 Var(a)——小波方差。

將小波方差與時間尺度a之間的對應(yīng)關(guān)系稱為小波方差圖，可以通過小波方差圖中的數(shù)據(jù)峰值來確定降水序列的主要時間尺度，即主周期[11]。

3 結(jié)果分析

3.1 年降水趨勢分析

通過M-K趨勢檢驗，得到各站點年降水量的統(tǒng)計量Z，見表1。通過表 1可知，清遠站與珠坑站Z值小于0，另外4個站點Z值大于0，表明從1970—2019年，清遠站與珠坑站年降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢，大廟峽站、英德站、陽山站以及連縣站呈現(xiàn)增加趨勢。取顯著水平α=5%,|Z|

表1 1970—2019年6個站點M-K趨勢檢驗結(jié)果

根據(jù)圖2，清遠站年降水量1980—1990年明顯減少，1990—2005年先增加后小幅減少，2005年以后表現(xiàn)為弱的增加趨勢；大廟峽站年降水量1975—1990年整體呈現(xiàn)弱的減少趨勢，但年際之間波動較大，而2005年后有顯著的增加趨勢，2015年后有減少趨勢呈現(xiàn)；珠坑站年降水量在1970—1990年與1990—2005年都呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，2005年后有明顯增加趨勢；英德站1975—1990年呈現(xiàn)下降趨勢，1990—2005年表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，2005年后上升趨勢明顯，2015年后有減少趨勢；陽山站1975—1990年呈現(xiàn)下降趨勢，1990—2010年表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，2010年后上升趨勢顯著；連縣站1975—1990年呈現(xiàn)下降趨勢，1990—2005年呈現(xiàn)先上升后弱勢下降，2005年后整體上升趨勢明顯。綜合各站點的整體趨勢變化可得，研究站點的年降水量在1970—1975年表現(xiàn)為增加趨勢，1975—1990年間呈現(xiàn)程度不同的減少趨勢，1990—2005年大致呈現(xiàn)增加后減少的趨勢，2005—2015年表現(xiàn)為明顯的增加趨勢。各站點近50年的年降水序列中，存在3個峰值，分別在20世紀(jì)70年代中期、90年代中期以及21世紀(jì)10年代中期，即峰值間隔約20 a，而段長春[12]研究表明太陽活動與夏季中高層大氣環(huán)流變化聯(lián)系緊密，并且存在明顯的年代際變化特征，太陽流量特征時間尺度分別約為11、22 a。因此清遠市降水序列趨勢變化可能與太陽活動以及大氣環(huán)流風(fēng)場相關(guān)。基于以上的降水趨勢分析，判段2015年后清遠地區(qū)年降水大致呈現(xiàn)減少趨勢。

b)大廟峽站

c)珠坑站

d)英德站

e)陽山站

f)連縣站

3.2 年降水量突變分析

通過對6個代表站點年降水序列進行突變檢驗，其統(tǒng)計量UF和UB結(jié)果見圖 3，其中橫坐標(biāo)表示年份，縱坐標(biāo)表示UF、UB統(tǒng)計量。

b)大廟峽站

c)珠坑站

d)英德站

e)陽山站

f)連縣站

結(jié)合圖 2中各站點年降水量的趨勢變化和圖 3中各站點UF和UB統(tǒng)計量在置信區(qū)間內(nèi)的交點情況分析，判斷各站點年降水序列發(fā)生突變的大致年份見表 2。其中清遠站在1975年后年降水量為減少趨勢，判斷在1975左右發(fā)生下降突變；大廟峽站與連縣站在2013—2019年間出現(xiàn)多個交點，結(jié)合這兩個站點年降水量在2015年前后的趨勢變化分析，判斷大廟峽站與連縣站在2015年左右發(fā)生下降突變；珠坑站在1982年左右發(fā)生下降突變；英德站在1975年左右發(fā)生下降突變，2018年左右可能發(fā)生第二次突變；陽山站分別在1973和2015年左右發(fā)生下降突變。

表2 各站點突變發(fā)生時間

3.3 年降水量周期性分析

Morlet小波為復(fù)數(shù)小波，其實部反映了不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和位相信息[13]。應(yīng)用Matlab和Surfer軟件繪制6個代表站點的小波系數(shù)實部等值線圖(圖 4)，該圖能夠反映不同時間尺度下降水時間序列的周期變化及其分布情況，以此分析降水序列在不同時間尺度下的變化特征[14]。其中橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為時間尺度年；圖中實線部分表示小波系數(shù)實部值大于0(粗線為0值)，即正位相，表示降水偏多的豐水期，虛線表示小波系數(shù)實部值小于0，即負位相，表示站點處于降水偏少的枯水期。

通過年降水序列Morlet小波變換實部的時頻變化圖(圖 4)，可以清楚的看出各站點降水序列的時間尺度變化、突變點分布及其位相結(jié)構(gòu)特征[15]。整體來說，各站點年降水序列存在3類較明顯的時間尺度周期變化規(guī)律。清遠站分別為17～25、8～15、3～7 a，其中在17～25 a和8～15 a尺度上分別出現(xiàn)了正負相位交替的準(zhǔn)4次和6次震蕩，而3～7 a尺度的周期變化，在1975年以后表現(xiàn)的相對穩(wěn)定；大廟峽站分別為20～30、12～19、4～10 a，其中20～30 a和12～19 a尺度上分別出現(xiàn)了枯、豐交替的準(zhǔn)3次和準(zhǔn)5次震蕩，而且過程表現(xiàn)穩(wěn)定，具有全局性；珠坑站分別為23～29、17～22、5～10 a，其中23～29 a和17～22 a尺度上出現(xiàn)枯、豐交替的準(zhǔn)3次和準(zhǔn)4次震蕩；英德站分別為18～24、10～17、4～8 a，其中18～24 a和10～17 a尺度上分別出現(xiàn)了枯、豐交替的準(zhǔn)4次和5次震蕩，而4～8 a尺度的周期變化，在1980年以后表現(xiàn)的相對穩(wěn)定；陽山站分別為18～25、12～17、4～8 a，其中在18～25 a和12～17 a尺度上分別出現(xiàn)了準(zhǔn)4次和5次震蕩；連縣站分別為23～28、12～18、4～8 a，其中23～28 a和12～18 a尺度上分別出現(xiàn)了枯、豐交替的準(zhǔn)3次和5次震蕩。

b)大廟峽站

c)珠坑站

d)英德站

e)陽山站

f)連縣站

小波方差圖反映了降水時間序列的波動能量和時間尺度a之間的對應(yīng)關(guān)系，并以此確定原降水序列的主周期[16]。將清遠市的6個代表站點的小波方差圖繪制出來，見圖 5。基于各站點小波方差圖的數(shù)據(jù)峰值可知，清遠市6個代表水文站點大致存在3～4個峰值，即3～4個主周期，各個站點具體的時間尺度峰值見表 3。

圖5 各站點小波方差

通過表 3可知，清遠站、珠坑站以及連縣站有4個主周期，其第一主周期分別對應(yīng)著22、22、15 a的時間尺度，第二主周期分別對應(yīng)著12、9、7 a的時間尺度，第四主周期分別對應(yīng)著3、3、11 a的時間尺度；大廟峽站、英德站以及陽山站只有3個主周期，其第一主周期分別對應(yīng)著28、15、15 a的時間尺度，第二主周期則對應(yīng)著7、22、22 a的時間尺度，第三主周期分別對應(yīng)著15、7、7 a的時間尺度。通過對該6個站點時間尺度周期的整體分析，清遠地區(qū)年降水序列的第一、第二主周期一般在22 a左右或者15 a左右，這與趨勢分析結(jié)論大致吻合，而第三、第四主周期一般在3 a或7 a左右。

表3 6個站點時間尺度峰值 單位：a

4 結(jié)論

基于清遠市6個代表站點1970—2019年降水資料，采用線性回歸方程法、5年滑動平均法、Mann-Kendall檢驗法以及Morlet小波分析法等多種分析方法，研究了清遠市各市縣年降水趨勢變化、突變情況以及周期特征。研究結(jié)果如下。

a)清遠站與珠坑站年降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢，而大廟峽站、英德站、陽山站以及連縣站呈現(xiàn)增加趨勢，但整體增加或者減少的趨勢不顯著。綜合各站點整體趨勢特征，清遠市各市縣代表站點的年降水量在1975—1990年呈現(xiàn)程度不同的減少趨勢，1990—2005年大致呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，2005—2015年呈現(xiàn)明顯增加趨勢。

a)清遠站

a)清遠站

a)清遠站

b)各站點發(fā)生的突變均為下降突變，清遠站和英德站突變發(fā)生在1975年左右；大廟峽站和連縣站突變發(fā)生在2015年左右；珠坑站突變發(fā)生在1982年左右，陽山站發(fā)生了2次突變，分別在1973年左右以及2015年左右。

c)通過周期分析，清遠市各市縣代表站點的降水序列存在3類較明顯的尺度周期變化規(guī)律，并且有著較為明顯的豐枯交替特征。各站點降水主周期有3～4個，清遠地區(qū)年降水序列的第一、第二主周期一般在22 a左右或者15 a左右，而第三、第四主周期一般在3 a左右或者7 a左右。

d)結(jié)合各站點年降水序列變化特征分析，清遠市各站點大約每隔20 a會出現(xiàn)一個年降水量峰值，即存在一個豐枯交替約20 a年的周期，2015年可能是一個下降突變點，即在2015年后年降水由增加變?yōu)闇p少，目前清遠地區(qū)處于降水偏少期。