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(kù) 673100)

1 引言

在全球變暖的大背景下，氣溫變化會(huì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)、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(méi)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(duì)指導(dǎo)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)和開(kāi)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。

2 資料與方法

2.1 降水資料

怒江州北部福貢縣、貢山縣的2個(gè)氣象觀測(cè)站1961—2010年2－4月降水資料。

2.2 研究方法

采用Morlet小波實(shí)部及小波方差對(duì)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(dòng)平均法用于降雨量的總體變化趨勢(shì)分析，滑動(dòng)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(wú)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(shì)［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(méi)有傅里葉變換和其他波譜方法對(duì)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(lái)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(lái)判別信號(hào)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(guò)程，稱小波方差圖，它能反映信號(hào)的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可用來(lái)確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度，即主周期。

2.2.3 滑動(dòng)t檢驗(yàn)法 滑動(dòng) t檢驗(yàn)法是通過(guò)考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來(lái)檢驗(yàn)突變，本文中子序列長(zhǎng)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(duì)于突變事件是一種十分有效的分析方法。

3 “桃花汛”降水的小波分析特征

3.1 小波系數(shù)實(shí)部

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(lái)變化趨勢(shì)。正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏多期，負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏少期，小波系數(shù)為零對(duì)應(yīng)著突變點(diǎn);小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度變化越顯著。為清楚地說(shuō)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(duì)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(jiàn)，福貢站有23 a時(shí)間尺度的降水變化，50 a來(lái)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(zhǎng)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(jiàn)，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(zhǎng)為6 a，2003—2010年振蕩周期縮短為4 a，2009年開(kāi)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。

3.2 小波方差圖

Collineau(1993)證明小波方差圖反映了波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度a的分布，可以用來(lái)確定一個(gè)時(shí)間序列中各種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度，對(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)著11 a的時(shí)間尺度，說(shuō)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(duì)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(shuō)明，上述3個(gè)周期的波動(dòng)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(lái)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(duì)應(yīng)7 a、17 a、27 a和29 a的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)主導(dǎo)貢山站50 a來(lái)“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。

4 “桃花汛”降水突變及變化趨勢(shì)

4.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)法

圖3是怒江州北部福貢、貢山2站“桃花汛”降水量的滑動(dòng)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(wú)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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)

4.2 Mann－Kendall法

用Mann－Kendall法對(duì)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(kāi)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)。

4.3 滑動(dòng)平均法

圖5 1961—2010年“桃花汛”降水量滑動(dòng)平均變化趨勢(shì)(a:福貢;b:貢山)

對(duì)1961—2010年福貢、貢山“桃花汛”降水量序列分別取滑動(dòng)長(zhǎng)度為5a，計(jì)算其滑動(dòng)平均值，得到近50a“桃花汛”降水量的變化趨勢(shì)圖(圖5)。

由圖5a可見(jiàn)，福貢站自1965年開(kāi)始“桃花汛”降水量開(kāi)始減少，至1971年開(kāi)始增加，直到1976年;1977年開(kāi)始減少，至1988年開(kāi)始增加，直到1992年;1992年后開(kāi)始減少，至2003年開(kāi)始增加，直到2006年。經(jīng)過(guò)了3個(gè)完整的“減少—增加”變化過(guò)程，過(guò)程的平均周期約為13 a;從總的變化趨勢(shì)來(lái)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(kāi)始降水呈減少趨勢(shì)。

由圖5b可見(jiàn)，貢山站“桃花汛”降水量從1965年開(kāi)始增加，至1976年開(kāi)始減少，直到1982年;1982年開(kāi)始增加，至1992年開(kāi)始減少，直到2003年。經(jīng)歷2個(gè)完整的“增加—減少”變化過(guò)程，過(guò)程平均周期約19 a。2003年后開(kāi)始增加，到2008年開(kāi)始減少?？偟目磥?lái)，貢山“桃花汛”降水量在1976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(dòng)平均法對(duì)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。

5 結(jié)論

①怒江州北部50 a來(lái)“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(lái)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(dòng)平均分析，1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水，福貢站經(jīng)過(guò)了3個(gè)完整的“減少—增加”變化過(guò)程，2006年開(kāi)始降水呈減少趨勢(shì);貢山站則經(jīng)歷2個(gè)完整的“增加—減少”變化過(guò)程，2008年開(kāi)始降水呈減少變化趨勢(shì)。

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