袁利平,王 惠,楊 燕,張常松,和余燕
(云南省怒江州氣象局,云南 六庫 673100)
在全球變暖的大背景下,氣溫變化會引起全球水分循環(huán)變化,這不僅影響水資源的重新分配,還將影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此,研究區(qū)域降水的變化規(guī)律,對了解氣候變化特征、合理利用自然降水、防御旱澇等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
有關(guān)降水變化的研究主要集中于降水的時(shí)空變化特征。如利用統(tǒng)計(jì)方法如小波分析,研究降水的時(shí)間變化周期[1-2],楊再禹[3]應(yīng)用 Morlet小波分析方法分析了三穗縣1958—2006年的年平均氣溫和年降水量的變化,覃衛(wèi)堅(jiān)等[4]分析了桂東北、桂東南和桂西地區(qū)40多年春季降水的變化。結(jié)果表明:不同地區(qū),同一地區(qū)不同時(shí)間尺度的降水資料具有不同的時(shí)間變化周期。
怒江州地處滇西北橫斷山脈縱谷地帶,境內(nèi)高山與峽谷并列,地形復(fù)雜,立體氣候突出,區(qū)域氣候差異顯著。尤其是怒江州北部福貢、貢山兩縣,一年之中有2個(gè)雨季,分別是2-4月的“桃花汛”和6-10月的主汛期[5]。“桃花汛”的特點(diǎn)是雨量大、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣,強(qiáng)降水及其引發(fā)的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害常常沖毀民房、淹沒農(nóng)田、毀壞公路,中斷通信,給地方經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p失。因此,分析和掌握怒江“桃花汛”降水的變化特征,對指導(dǎo)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)和開發(fā)利用云水資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文使用小波分析方法分析“桃花汛”降水的多時(shí)間尺度變化特征,并從氣候突變的角度探討“桃花汛”的降水變化規(guī)律。
怒江州北部福貢縣、貢山縣的2個(gè)氣象觀測站1961—2010年2-4月降水資料。
采用Morlet小波實(shí)部及小波方差對怒江州北部近50 a“桃花汛”降雨周期性變化規(guī)律進(jìn)行研究,滑動平均法用于降雨量的總體變化趨勢分析,滑動t檢驗(yàn)法和Mann-Kendall法用于分析“桃花汛”降雨量的突變特征。
2.2.1 小波分析 氣候數(shù)據(jù)時(shí)間序列通常表現(xiàn)為雜亂無章,但是其含有多種不同時(shí)間尺度的變化。利用小波變換調(diào)節(jié)、放大的功能可以了解序列在各層次的變化趨勢[6]。小波分析在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)。它在分析時(shí)域和頻域時(shí)并沒有傅里葉變換和其他波譜方法對時(shí)間序列穩(wěn)定性要求那么嚴(yán)[7]。Morlet小波是復(fù)數(shù)小波,可以用來進(jìn)行周期分析,其實(shí)部和虛部相差π/2,消除了實(shí)數(shù)形式小波變換系數(shù)的振蕩。小波實(shí)部可以用來判別信號不同時(shí)空尺度的結(jié)構(gòu)及其突變點(diǎn)的位置[8]。
2.2.2 小波方差 將小波系數(shù)的平方值在b域上積分,就可得到小波方差,小波方差隨時(shí)間尺度a的變化過程,稱小波方差圖,它能反映信號的能量隨尺度a的分布。因此,小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度,即主周期。
2.2.3 滑動t檢驗(yàn)法 滑動 t檢驗(yàn)法是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變,本文中子序列長度為5 a,取0.05的顯著水平。
2.2.4 Mann-Kendall法 Mann-Kendall突變分析方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾[9-10]。Mann -Kendall分析對于突變事件是一種十分有效的分析方法。
小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布,進(jìn)而能判斷在不同的時(shí)間尺度上,降水的未來變化趨勢。正的小波系數(shù)對應(yīng)于偏多期,負(fù)的小波系數(shù)對應(yīng)于偏少期,小波系數(shù)為零對應(yīng)著突變點(diǎn);小波系數(shù)絕對值越大,表明該時(shí)間尺度變化越顯著。為清楚地說明小波系數(shù)實(shí)部等值線圖在降水時(shí)間尺度分析中的作用,我們對繪出的圖作進(jìn)一步修飾,用虛線代表負(fù)小波系數(shù),用細(xì)實(shí)線代表正小波系數(shù),用粗實(shí)線代表零線,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間(年份),縱坐標(biāo)為時(shí)間尺度,這樣就得到1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水距平的Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖1)。
圖1 “桃花汛”降水距平Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線(a:福貢;b:貢山)
由圖1a可見,福貢站有23 a時(shí)間尺度的降水變化,50 a來主要經(jīng)歷了5個(gè)時(shí)期的交替變換:1965年以前為偏多期,1966—1973年為偏少期,1974—1981年為偏多期,1982—1989年為偏少期,1990—1996年為偏多期。而1997年后周期縮短為19 a,1997—2003年為偏少期,2004—2009年為偏多期,2010年后降水正向偏少的時(shí)期轉(zhuǎn)變。期間還有11 a左右的周期性變化:1999年以前該周期振蕩強(qiáng)烈,1999—2010年有所減弱。1992年以前還有5 a的振蕩周期,1992—2002年,振蕩周期拉長到 6 a,2003—2010年振蕩周期又縮短為4 a。按照15 a以下的時(shí)間尺度變化,近年福貢處于降水偏少期;按照15 a以上的時(shí)間尺度變化,福貢“桃花汛”降水也正向偏少的時(shí)期轉(zhuǎn)變。
由圖1b可見,貢山站“桃花汛”降水1970—2005年出現(xiàn)了27a時(shí)間尺度的振蕩;1995年以前有11 a時(shí)間尺度的振蕩;5 a左右的周期性變化貫穿整個(gè)50 a:1983年以前振蕩周期為5 a,1983—2002年周期拉長為6 a,2003—2010年振蕩周期縮短為4 a,2009年開始貢山處于降水偏少期。而17 a時(shí)間尺度的振蕩在1961—2010年一直穩(wěn)定存在,2009年后向降水偏少期轉(zhuǎn)變。
Collineau(1993)證明小波方差圖反映了波動能量隨時(shí)間尺度a的分布,可以用來確定一個(gè)時(shí)間序列中各種尺度擾動的相對強(qiáng)度,對應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時(shí)間尺度,所以通過小波方差圖確定一個(gè)時(shí)間序列中存在的主周期。圖2a是福貢站1961—2010年“桃花汛”降水的小波方差變化圖,它有3個(gè)較為明顯的峰值,分別是5 a、11 a和23 a的時(shí)間尺度。其中最大峰值對應(yīng)著11 a的時(shí)間尺度,說明11 a左右的周期振蕩最強(qiáng),為福貢“桃花汛”降水變化的第1主周期;23 a時(shí)間尺度對應(yīng)著第2峰值,為第2主周期,5 a左右的時(shí)間尺度為第3主周期。這說明,上述3個(gè)周期的波動主導(dǎo)福貢站50 a“桃花汛”降水的變化特征。這與小波系數(shù)實(shí)部等值線圖表現(xiàn)出來的特征時(shí)間尺度相同。
圖2 小波方差圖(a:福貢;b:貢山)
貢山站“桃花汛”降水的小波方差變化(圖2b)中,有4個(gè)峰值,它們分別對應(yīng)7 a、17 a、27 a和29 a的時(shí)間尺度。其中,最大峰值對應(yīng)著17 a的時(shí)間尺度,即17a左右的周期振蕩最強(qiáng),為貢山“桃花汛”降水變化的第1主周期;7 a時(shí)間尺度對應(yīng)著第2峰值,為降水變化的第2主周期;第3、第4峰值分別對應(yīng)著29 a和27 a的時(shí)間尺度,它們依次為第3和第4主周期。這4個(gè)周期的波動主導(dǎo)貢山站50 a來“桃花汛”降水的變化特征。這與小波系數(shù)實(shí)部等值線圖反映的特征時(shí)間尺度相似。
圖3是怒江州北部福貢、貢山2站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化圖。不難看出,1960 s中后期、1970 s末至1980 s初、1980 s末期、1990 s末至2000 s初怒江州北部“桃花汛”降水量呈減少變化;而在1970 s、1980 s前中期、1990 s和2003年后“桃花汛”降水量呈增加變化。福貢、貢山兩站都無均值突變發(fā)生。由圖3還可看出,貢山站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化與小波系數(shù)實(shí)部圖中17 a左右時(shí)間尺度的振蕩一致;而福貢站“桃花汛”降水量的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化與小波系數(shù)實(shí)部圖中17 a左右時(shí)間尺度的振蕩基本一致。
圖3 福貢、貢山“桃花汛”降水量滑動t統(tǒng)計(jì)量變化
圖4 1961—2010年“桃花汛“降水量Mann-Kendall突變判別曲線圖(a:福貢;b:貢山)
用Mann-Kendall法對福貢、貢山1961—2010年“桃花汛”降水進(jìn)行突變檢驗(yàn)(取0.05的顯著水平),繪制UFk、UBk曲線(圖4)。圖4a顯示,在臨界線之間福貢站的UFk、UBk兩條曲線的交點(diǎn),也就是發(fā)生突變的時(shí)間分別是 1962、1963、1965、2001、2002年和2006年;超出臨界線的范圍,也就是發(fā)生突變的時(shí)間段分別為1970—1971年、1972—1977年、1978—1983年、1985—1987年。圖4b則顯示,在臨界線之間貢山站的UFk、UBk兩條曲線的交點(diǎn),即突變開始時(shí)間分別是1967、2009年和2010年;超出臨界線的范圍,即發(fā)生突變的時(shí)間段分別是1989—1990年、1992—1993年、1994—1998年。顯然,福貢、貢山2站如此頻繁的突變是不正常的,需要去掉其中的雜點(diǎn)或偽突變點(diǎn)。
圖5 1961—2010年“桃花汛”降水量滑動平均變化趨勢(a:福貢;b:貢山)
對1961—2010年福貢、貢山“桃花汛”降水量序列分別取滑動長度為5a,計(jì)算其滑動平均值,得到近50a“桃花汛”降水量的變化趨勢圖(圖5)。
由圖5a可見,福貢站自1965年開始“桃花汛”降水量開始減少,至1971年開始增加,直到1976年;1977年開始減少,至1988年開始增加,直到1992年;1992年后開始減少,至2003年開始增加,直到2006年。經(jīng)過了3個(gè)完整的“減少—增加”變化過程,過程的平均周期約為13 a;從總的變化趨勢來看,福貢“桃花汛”降水在1971年、1976—1977年、1988年、1992年和2003年發(fā)生了轉(zhuǎn)變,2006年開始降水呈減少趨勢。
由圖5b可見,貢山站“桃花汛”降水量從1965年開始增加,至1976年開始減少,直到1982年;1982年開始增加,至1992年開始減少,直到2003年。經(jīng)歷2個(gè)完整的“增加—減少”變化過程,過程平均周期約19 a。2003年后開始增加,到2008年開始減少??偟目磥恚暽健疤一ㄑ础苯邓吭?976年、1982年、1992年、2003年和2008年發(fā)生轉(zhuǎn)變。根據(jù)以上Mann-Kendall法、滑動平均法對2個(gè)站點(diǎn)的分析,怒江州北部“桃花汛”降水變化的突變點(diǎn)很可能出現(xiàn)在1976年、1992年和2003年。
①怒江州北部50 a來“桃花汛”降水包含有多個(gè)時(shí)間尺度的周期變化。福貢站存在23 a、19 a、11 a和5 a左右的周期,其中11 a是第1主周期,23 a和5 a分別為第2、第3主周期;目前福貢站“桃花汛”降水量處于少雨期。貢山站“桃花汛”降水量存在27 a、17 a、11 a和5 a左右的周期,其中17 a為第1主周期,27 a和5 a分別為第2、第3主周期;目前貢山站“桃花汛”降水量處于少雨期。
②50 a來怒江州北部“桃花汛”降水變化的突變點(diǎn)很可能出現(xiàn)在1976年、1992年和2003年。
③根據(jù)滑動平均分析,1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水,福貢站經(jīng)過了3個(gè)完整的“減少—增加”變化過程,2006年開始降水呈減少趨勢;貢山站則經(jīng)歷2個(gè)完整的“增加—減少”變化過程,2008年開始降水呈減少變化趨勢。
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