基于Mann-Kendall 方法的閩江流域降水趨勢分析

陳奔月

（福建省核工業二九四大隊,福建 福州 350001）

1 引言

閩江是福建省最大的河流,歷史上閩江流域經歷了數次洪澇災害。近30 多年來,受氣候變化和經濟社會人類活動影響,降水規律受到影響,城市洪澇災害風險增加。降水是導致洪澇災害的主要原因之一,降水變化趨勢分析也是水文分析的重要組成部分。

學者們已對閩江流域氣候、水文要素變化做了相關研究。張章新[1]利用閩江流域實測資料,研究該流域的降水、蒸發、徑流、泥沙等要素的年份年際及地區分布規律。張星等[2]利用閩江流域11個站點1961年～2005年氣溫、降水及日照數據,分析各要素的時空分布特征和變化趨勢。陳瑩等[3-4]通過分析閩江流域1960 年～2006 年逐月徑流、降水等資料,研究徑流與降水變化的關系。已有研究對降水資料的統計方法較為單一,且側重分析降水與徑流的關系,因此進一步探討閩江流域降水趨勢有重要的研究意義。

由世界氣象組織推薦的Mann-Kendall 方法是非參數檢驗方法,由H.B.Mann 和M.G.Kendall 提出[5],該方法所檢驗的樣本不需要遵從特定的分布,特大、特小值也不會對檢驗結果產生影響,因此該方法可以確定某自然過程是否具有確定的變化趨勢。水文數據屬于非正態分布,Mann-Kendall 方法對于水文數據有很強的實用性,已經被廣泛運用到許多降水規律分析中[6-8]。本文結合閩江流域1965年～2020年降水數據,利用Mann-kendall 方法對其降水規律進行分析。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域概況

閩江流域總面積60992 km2,屬于亞熱帶海洋季風氣候,雨量充足,全年降水量主要集中在汛期（4 月～9 月）,其中4 月～6 月主要是梅雨,通常出現持續性降水的現象,7 月～9 月主要是由臺風產生的大暴雨。

2.2 數據概況

本文選取均勻分布于閩江流域的21 個站點（見表1）所觀測的逐日降水數據進行規律分析。所有數據起止時間為1965 年1 月1 日至2020 年12 月31 日,其中汛期為每年4 月至9 月,非汛期為每年10 月至次年3 月。

表1 本文所選取的閩江流域代表站點

3 分析方法

本文采用Mann-Kendall 趨勢非線性檢驗方法對閩江流域逐日降水系列進行分析。

設一組獨立、隨機分布的時間序列為（x1,x2,…,xn）,定義檢驗統計變量如下：

其中：

當時間序列長度大于10 時：

若Z＞0,表明該時間序列呈現增加趨勢,若Z＜0,表明該時間序列呈現下降趨勢。

4 結果與討論

4.1 降水量年內分配規律分析

閩江流域每年4 月～6 月主要是鋒面雨,范圍廣,雨期長,7 月～9 月主要是臺風雨,雨強大,閩江下游受其影響較大。從表2 可以看出,閩江流域1965 年～2020 年平均降水量約為1653 mm,有明顯的時間規律和區域分布特點。汛期降水量占全年降水量的70%左右,降水在空間上由上游至下游,從西北至東南呈減少趨勢。

表2 閩江流域代表站1965 年～2020 年平均降水量年內分配統計表 單位：mm

4.2 年尺度降水變化規律分析

根據閩江流域21 個站點1965 年～2020 年逐日降水數據,采用Mann-Kendall 檢驗方法對年尺度降水變化趨勢進行分析,檢驗統計值見表3,其中Z 為Mann-Kendall 檢驗值,p為實際顯著性水平。通過表3 可以看出,代表站的Mann-Kendall 檢驗值均大于0,說明這些站點的降水量隨年份呈增加趨勢。如圖1 所示,通過線性回歸方式對武夷山站、樟湖坂站、永泰站、竹岐站的年降水量進行擬合,呈平緩上升趨勢。

圖1 部分站點年降水量變化趨勢

表3 閩江流域代表站年尺度降水變化趨勢檢驗統計值

4.3 汛期及非汛期尺度降水變化規律分析

閩江流域屬于亞熱帶海洋季風氣候,降水在干季和濕季的差異性大。本文根據閩江流域特征,將每年4 月～9 月劃分為汛期,10 月～次年3 月為非汛期。閩江流域代表站點在1965 年～2020 年汛期、非汛期期間的降水變化趨勢檢驗結果見表4、表5。

表4 閩江流域站點汛期尺度降水變化趨勢檢驗統計值

表5 閩江流域站點非汛期尺度降水變化趨勢檢驗統計值

在表4 中,閩江流域大部分站點的汛期降水量Mann-Kendall 檢驗值大于0,只有松溪、七里街、尤溪站的Mann-Kendall 檢驗值小于或等于0,對這三個站點做線性回歸分析。如圖2 所示,尤溪站呈微弱下降趨勢,松溪站、七里街呈上升趨勢。由此可見,閩江流域1965 年～2020 年汛期降水量總體趨勢是增加的。

圖2 部分站點汛期降水量變化趨勢

1965 年～2020 年間,建寧（溪口）、沙縣（石橋）、大田站在非汛期時段Mann-Kendall 檢驗值雖為負數（表5）,但這三個站點的多年非汛期時段降水量具有線性增長趨勢（圖3）。永安站的Mann-Kendall 檢驗值小于0,但其在非汛期降水量下降不明顯。因此,閩江流域多年非汛期降雨量呈上升趨勢。

圖3 部分站點非汛期降水量變化趨勢

4.4 汛期日尺度降水變化規律分析

閩江流域汛期降水具有歷時短、雨強大的特點,歷年來,閩江經歷了數次洪澇災害,防洪安全成為關注的重點。從表6 可以看出,閩江流域大多數站點的Mann-Kendall 檢驗值大于零,這說明汛期日平均雨強有增加趨勢,對閩江流域的城市防洪帶來不利影響。

表6 閩江流域站點汛期日尺度降水變化趨勢檢驗統計值

5 結語

（1）閩江流域1965 年～2020 年平均降水量約為1653 mm,有明顯的時間規律和區域分布特點。汛期降水量占全年降水量的70%左右,降水在空間上呈現由上游至下游,從西北至東南減少的趨勢。

（2）1965 年～2020 年間,閩江流域全年降水量呈上升趨勢,但趨勢不顯著。汛期及非汛期期間內,多數站點的降水量呈現遞增變化,少數站點表現為弱減少。

（3）閩江流域汛期有雨日的日平均雨強有增加趨勢,提高了洪水風險,增加了防洪難度。