曾廣建

(廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041)

降水是水文大循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，是地球上陸地內(nèi)各種水體的直接或者間接的補(bǔ)給源，因此，降水量及降水特征對各種水體的水文特征和水文規(guī)律具有決定性影響，研究降水的時(shí)空變化特征對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利開發(fā)、江河防洪和工程管理等方面有著重要意義[1-2]。有大量學(xué)者對廣東省及各地級市的降水變化特征開展了深入研究：李湘嬌利用廣東省307個雨量站1956—2008年降水量資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得出廣東省降水量情勢朝著不利的方向演變發(fā)展[3]；史君慧對廣東省區(qū)域年降水量進(jìn)行時(shí)空特征分析，得出在時(shí)間維度上，粵中區(qū)域降水具有明顯的增長趨勢，其他區(qū)域處于波動狀態(tài)；空間維度上，呈現(xiàn)中部多雨，東西少雨，南多北少的分布特征[4]；徐林春以廣東省112個雨量站1981—2010年的逐月降水資料為樣本，對廣東省月降雨量的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出不同特征月的降水量空間分布存在明顯差異，汛期降雨強(qiáng)度增大，非汛期減少[5]；謝毅文分析了廣東省汛期及非汛期最大日降水量時(shí)空特征分析，得出廣東省前后汛期月最大日降雨量平均值呈現(xiàn)不顯著增長趨勢[6]；鄭杰元分析了廣州市近年降雨時(shí)空變化規(guī)律，得出市區(qū)降雨量逐年增加，暴雨中心由市郊向市中心轉(zhuǎn)移，降雨時(shí)段更為集中[7]；林凱榮依據(jù)1960—2009年深圳市9個雨量站逐月資料分析了深圳市近50 a降雨時(shí)空變化分析，得出全市降雨量呈不顯著增加趨勢，趨勢變化突變點(diǎn)在1973年前后[8]；劉旋旋分析了清遠(yuǎn)市1970—2019年降水序列變化特征，得出清遠(yuǎn)市降水變化趨勢不顯著，各站點(diǎn)降水序列有明顯豐枯交替特征[9]；凌良新利用潮州1957—2007年逐日降水資料，統(tǒng)計(jì)分析了潮州市降水量和暴雨日數(shù)的時(shí)間變化特征，得出潮州年降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢，前汛期降水量對全年雨量的貢獻(xiàn)逐漸下降，后汛期則相反；汛期開始月份及汛期降水強(qiáng)弱的年際變化明顯，汛期結(jié)束月份年際變化不顯著[10]；林巧美研究了揭陽市近50 a來降水的時(shí)空分布特征，得到揭陽市降水量年際波動明顯，旱澇出現(xiàn)較為頻繁，普寧和揭西處在蓮花山脈的南側(cè),由于迎風(fēng)坡對氣流的抬升作用，成為多雨中心[11]。

綜上可見，目前針對整個粵東地區(qū)降水量變化特征這方面的研究尚少，本次研究通過對粵東地區(qū)70個雨量站1980—2021年月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行探索分析，研究其降水變化特征，以期為粵東地區(qū)水資源變化特征研究、水資源管理、防洪防旱、農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

粵東地區(qū)北靠蓮花山脈、南瀕南海，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°～117°，北緯22°40′～24°，地勢以西北高東南低走勢，總趨勢為中低山→丘陵→臺地平原→南海逐次遞減。行政區(qū)域幾經(jīng)分合，目前包括汕頭市、潮州市、揭陽市、汕尾市、深汕合作區(qū)，總面積為15 516萬km2。屬東南亞季風(fēng)區(qū)，雨熱同季，是全國光、熱和水資源較豐富的地區(qū)，雨量充沛，年降水為1 300～2 400 mm，多年平均氣溫為21℃～22℃，降雨主要集中在4—10月，占比為全年的80%以上，最高占比達(dá)95%。受地形影響粵東地區(qū)雨量北多南少、西北部和東北部主要山地丘陵地帶降雨豐富，成為粵東地區(qū)降水量最多的地方[12]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中所用資料為粵東地區(qū)70個廣東省水文局參編雨量站點(diǎn)1980—2021年的逐月降水資料，站點(diǎn)空間分布較均勻、時(shí)間序列較長、數(shù)據(jù)完整可靠(各站點(diǎn)分布見圖1)，通過整編計(jì)算得到各站年降水總量，利用泰森多邊形法求得研究區(qū)域的月、年面降水量?；洊|地區(qū)降雨主要集中在4—10月，占全年降水的80%左右，因此把粵東地區(qū)的汛期定為4—10月，其他月份為非汛期。

圖1 站點(diǎn)分布示意

2.2 研究方法

2.2.1趨勢分析法

趨勢變化分析采用線性回歸、累積距平的分析方法。累積距平是一種常用的可直觀判斷變化趨勢的方法[13]。對于降水序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

(1)

(2)

將n個時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢分析。

2.2.2突變分析法

突變性分析選用世界氣象組織(WMO)推薦的Mann-Kendall突變分析法[6-11]，該方法對于處理非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)具有很好的適用性，但使用該檢驗(yàn)法有時(shí)會出現(xiàn)順序統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)曲線UF和逆序統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)曲線UB在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多個交點(diǎn)，這個時(shí)候要判斷哪個為真正的突變點(diǎn)就很難，甚至有時(shí)會得出錯誤的結(jié)論。因此，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)不能簡單的把交點(diǎn)就當(dāng)做為突變點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)再采用其它檢驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。滑動t檢驗(yàn)是把序列中的兩段子序列均值有無顯著差異看為來自兩個總體均值有無顯著差異的問題來檢驗(yàn)。如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生[13]。

2.2.3周期分析法

本文采用Morlet小波分析法研究降水量的多時(shí)間尺度周期變化，其小波系數(shù)為：

(3)

式中：

a——尺度因子，反映小波的周期長度；

b——時(shí)間因子，反映時(shí)間上的平移。

Wf(a,b)隨參數(shù)a和b變化，作出以b為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)的關(guān)于Wf(a,b)的二維等值線圖，稱為小波變換系數(shù)圖，用于分析時(shí)間序列不同時(shí)間尺度周期變化及其在時(shí)間域中的分布，從而判斷降水序列多時(shí)間尺度演變特征和突變特征[14]。

2.2.4空間分析法

采用時(shí)態(tài)GIS法對降水量進(jìn)行空間分析，時(shí)態(tài)GIS或四維GIS就是在GIS中考慮時(shí)間變化的概念，在原有的三維GIS基礎(chǔ)上加入時(shí)間變量而構(gòu)成的四維GIS(簡稱TGIS)。時(shí)態(tài)GIS可以存儲、管理組織區(qū)域中地理實(shí)體對象隨時(shí)空的發(fā)展過程；可以通過將過去的回溯和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的比較，來預(yù)測未來的發(fā)展態(tài)勢；將新舊數(shù)據(jù)都存儲到具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫中，形成一種有效的具有時(shí)間存儲特性的更新機(jī)制；還能從數(shù)據(jù)的邏輯上、數(shù)據(jù)源、時(shí)空分辨率和數(shù)據(jù)精度上檢查新舊數(shù)據(jù)的一致性[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量序列變化的時(shí)間分析

3.1.1降水量趨勢性分析

根據(jù)粵東地區(qū)降水量得到該區(qū)域降水量的逐年變化及逐年累積距平變化(見圖2)，年際變化上，圖2a中紅色虛線為年降水量與時(shí)間序列的線性擬合，相關(guān)系數(shù)為R12=0.005 7，沒有通過95%的信度檢驗(yàn)，表明粵東地區(qū)年降水量呈微弱的減少變化，其線性傾向率為-2.248 mm/a；由年降水量過程可以看出粵東地區(qū)年降水量年際波動明顯,1983年、1996年、2006年、2013年和2016年出現(xiàn)明顯降雨峰值，1989年、2004年、2009年和2021年出現(xiàn)明顯的降雨低谷，其中最大年降水為2 730.4 mm(2006年)，最小年降水為1 318 mm(2009年)。由逐年累積距平變化曲線(圖2 a中綠色虛線)可看出，近42 a來粵東地區(qū)年降水量經(jīng)歷了8個主要變化，分別為：1980—1987年、1997—2001年、2004—2008年、2012—2016年降水量呈增加趨勢；1988—1996年(1989—1996年間有小幅度振動)、2002—2003年、2009—2011年、2017—2021年降水量呈減少趨勢。

a 年降水

汛期和非汛期降水量均總體呈下降趨勢，線性傾向率分別為-0.022 2 mm/a、-2.225 8 mm/a。由逐年累積距平變化線可以看出，汛期降水量主要經(jīng)歷5個主要變化過程，分別是1980—1992年、2009—2012年、2019—2021年降水量呈減少趨勢，1993—2008年、2013—2018年降水量呈增加趨勢；秋季降水量主要經(jīng)歷5個主要變化過程，分別是1980—1985年、1989—2008年、2018—2021年降水量呈減少趨勢，1986—1988年、2009—2017年降水量呈增加趨勢；非汛期降水豐、枯交替頻繁經(jīng)歷了7個主要變化，分別為：1980—1987年、1992—1998年、2016年降水量呈增加趨勢；1988—1991年、1999—2015年、1999—2015年、2017—2021年降水量呈減少趨勢。

3.1.2降水量突變性分析

氣候變化、人類活動的影響都會引起水文時(shí)間序列的突變，而趨勢分析只能發(fā)發(fā)現(xiàn)整個水文數(shù)據(jù)最時(shí)間的整體變化趨勢，不能反映序列內(nèi)部的特征變化，因此本文采用M-K方法和滑動T檢驗(yàn)法分析降水量時(shí)間序列的突變性。

粵東地區(qū)年降水量整體有下降趨勢，但趨勢不明顯，UF和UB曲線在2009年、2011年和2019年前后相交(見圖3a)，3個時(shí)間點(diǎn)均可能為突變點(diǎn)。采用滑動T檢驗(yàn)法進(jìn)一步確認(rèn)降水量突變點(diǎn)(見圖3b)，滑動T檢驗(yàn)值|T|=2.4>T(0.05/2)=1.64，說明降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，結(jié)合2種突變檢驗(yàn)方法可判斷粵東地區(qū)近42 a年降水量2019年為突變年。

汛期降水呈現(xiàn)波動下降趨勢，趨勢顯著性不強(qiáng)，汛期降水UF和UB曲線在1988年、1990年、2019年左右均發(fā)生相交(見圖4a)，采用滑動t檢驗(yàn)法進(jìn)一步確認(rèn)降水量突變點(diǎn)(見圖4b)，滑動T檢驗(yàn)值|T|=2.21>T(0.05/2)=1.64說明汛期降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，因此可得出汛期降水和年降水量一樣，2019年為突變年。非汛期降水UF和UB曲線在1995年、1997年、1998年、2011和2020年均有交點(diǎn)(見圖5a)，滑動T檢驗(yàn)(見圖5b)的檢驗(yàn)值|T|=1.58

a M-K突變檢驗(yàn)

a M-K突變檢驗(yàn)

a M-K突變檢驗(yàn)

3.1.3降水量周期性分析

圖6a繪制了年降水量距平序列Morlet小波變換實(shí)部的時(shí)頻變化，實(shí)線部分表示小波系數(shù)實(shí)部值大于0，即正位相，表示處于降水偏多的豐水期，虛線表示小波系數(shù)實(shí)部值小于0，即負(fù)位相，表示處于降水偏少的枯水期，粗實(shí)線為0值，降水發(fā)生突變。圖6中清晰地顯示了年降水量時(shí)間尺度變化、突變點(diǎn)分布及其位相結(jié)構(gòu)。在21～32 a時(shí)間尺度上，尺度中心為24 a，年降水量經(jīng)歷了6個豐、枯交替循環(huán)特征和6個震蕩中心，震蕩中心依次為1970年代末期、1980年代末期、1990年代末期、2000年代后期、2010年代中期和2020年代初期，現(xiàn)階段年降水量政處于偏枯期；在10～19 a時(shí)間尺度上，尺度中心為15 a，該尺度的周期震蕩信號最明顯，經(jīng)歷了8個豐、枯交替循環(huán)特征和9個震蕩中心，表現(xiàn)為枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯，該時(shí)間尺度上表明2021年后仍少降雨期；在6～9 a時(shí)間尺度上，尺度中心為8 a，該尺度上也表明現(xiàn)處于少雨期。圖3b小波方差圖中可以看出有4個極大值，分別為4 a、8 a、15 a、24 a時(shí)間尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在年降雨上主周期為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a。

汛期降水量小波分析見圖7，從圖7a中可以看出多重時(shí)間周期尺度相互嵌套的現(xiàn)象，小尺度的交替變化隱藏嵌套在大尺度結(jié)構(gòu)中。

a 小波系數(shù)實(shí)部

a 小波系數(shù)實(shí)部

可以看出汛期降水量存在21～32 a、11～19 a、6～10 a和2～5 a的時(shí)間尺度震蕩變化，尺度中心分別為25 a、15 a、9 a和4 a，其中11～19 a的振動信號最強(qiáng)，經(jīng)歷了8個豐、枯交替循環(huán)特征和9個震蕩中心，其震蕩中心分別為1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2017年和2021年左右。在21～32a時(shí)間尺度上，汛期降雨經(jīng)歷了5個正負(fù)交替震蕩和6個震蕩中心。該尺度周期震蕩變化在整個研究期間內(nèi)都對短周期震蕩產(chǎn)生影響。從粵東地區(qū)近幾年汛期降雨變化來看，21 a尺度以上、11～19 a和6～10 a時(shí)間尺度上均為偏枯期。從圖7b中可以看出有4個極大值，分別為4 a、9 a、15 a、24 a時(shí)間尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在汛期降水上主周期為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a。由圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，汛期降水與年降水在時(shí)域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制著年降水。

非汛期降水量小波分析見圖8，可以看出非汛期降水量存在23～32 a、11～20 a、6～10 a和4～6 a的時(shí)間尺度震蕩變化，尺度中心分別為28 a、16 a、7 a和5 a，其中11～20 a的振動信號最強(qiáng)，經(jīng)歷了8個豐、枯交替循環(huán)特征和9個震蕩中心，其震蕩中心分別為1980年、1984年、1989年、1994年、1999年、2006年、2011年、2017年和2022年左右。在21～32 a時(shí)間尺度上，汛期降雨經(jīng)歷了5個正負(fù)交替震蕩和5個震蕩中心。該尺度周期震蕩變化在整個研究期間內(nèi)都對短周期震蕩產(chǎn)生影響。從粵東地區(qū)近幾年汛期降雨變化來看，所有的時(shí)間尺度上均為偏枯期。從圖8b中可以看出有5個極大值，分別為3 a、5 a、7 a、16 a、28 a時(shí)間尺度，其中16 a峰值最大，7 a峰值次之。因此，在非汛期降水上主周期為16 a，次周期為3 a、5 a、7 a和28 a。

a 年降水

a 小波系數(shù)實(shí)部

3.2 降水量序列變化的空間分析

3.2.1降水量空間分析

采用普通克里金插值方法分別對粵東區(qū)域的年平均降水量、汛期降水量和非汛期降水量進(jìn)行空間插值分析，得到分布圖(見圖9)，由圖9可以看出粵東地區(qū)年平均降水量和汛期降水量呈現(xiàn)北多南少，西北部主要山地丘陵地帶降雨量最為豐富，東北部次之，南部和東南部沿海地帶的平原地帶雨量最少，并且可以明顯看出從北至南雨量呈現(xiàn)階梯型減少，以及粵東區(qū)域3個明顯的暴雨中心點(diǎn)，即汕尾北部蓮花山一帶、揭陽普寧西部、揭西縣和潮州北部山區(qū)地帶。而非汛期降水分布則表現(xiàn)為東北部降雨最為明顯，西北部次之，沿海部分降雨最少。

3.2.2時(shí)段多年平均降水量空間分析

依據(jù)粵東地區(qū)年降水量小波周期分析結(jié)果，選取震蕩最強(qiáng)的時(shí)間尺度對應(yīng)的突變點(diǎn)，將42 a資料劃分為1980—1982年(枯水年)、1983—1987年(豐水年)、1988—1993年(枯水年)、1994—1998年(豐水年)、1999—2004年(枯水年)、2005—2008年(豐水年)、2009—2012年(枯水年)、2013—2018年(豐水年)、2019—2021(枯水年)年9個豐枯交替的多年降水量，采用時(shí)態(tài)GIS獲得各時(shí)間段內(nèi)的降水空間分布特征(見圖10)。由圖10分析可知：① 2005—2008年時(shí)段多年平均降雨最大，平均面雨量為2 332.3mm；2019—2021年時(shí)段多年平均降雨量最小，平均面雨量為1 650.7 mm；② 不論是豐水還是枯水年，整個粵東地區(qū)降雨空間分布特征均相似，均為北多南少，即北部山地丘陵地帶降雨多，沿海地帶降雨少，與3.2.1小節(jié)中年降水量的空間分布一致，沒有明顯隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同和豐枯變化而產(chǎn)生降水空間分布變化。

圖10 時(shí)段多年平均降水量空間分析

4 結(jié)語

以70個雨量站點(diǎn)近42 a降水資料為基礎(chǔ)，采用線性趨勢、累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、滑動T突變檢驗(yàn)、小波分析和時(shí)態(tài)GIS等方法，對粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水特性分別進(jìn)行分析，主要結(jié)論有：

1) 粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水均呈微弱的減少變化，其線性傾向率分別為-2.248 mm/a、-0.0222 mm/a和-2.2258 mm/a。為消除周期變化影響，對序列數(shù)據(jù)分別進(jìn)行累積距平處理，結(jié)果表明近42 a來粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水量呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

2) 時(shí)間突變上，近42 a來粵東地區(qū)年降水和汛期降水系列在2019年前后發(fā)生顯著跳躍，2019年為突變年，并呈現(xiàn)出偏多向偏少變化。非汛期降水無明顯的突變年。

3) 通過周期性分析，粵東地區(qū)年降水、汛期降水和非汛期降水序列均存在4類較為明顯的時(shí)間尺度周期震蕩變化，其中年降水和汛期降水的主周期均為15 a，次周期為4 a、8 a和24 a，表明汛期降水與年降水在時(shí)域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制著年降水。非汛期降水序列的主周期為 16 a，次周期為3 a、5 a、7 a和28 a。年降水、汛期降水和非汛期均處于偏枯期

4) 空間分布上，粵東地區(qū)年降水量和汛期降水量呈現(xiàn)北多南少，西北部主要山地丘陵地帶降雨量最為豐富，東北部次之，南部和東南部沿海地帶的平原地帶雨量最少，并且可以明顯看出從北至南雨量呈現(xiàn)階梯型減少，而非汛期降水分布則表現(xiàn)為東北部降雨最為明顯，西北部次之，沿海部分降雨最少。不管是豐水還是枯水年，整個粵東地區(qū)降雨空間分布特征均相似，均為北多南少，即北部山地丘陵地帶降雨多，沿海地帶降雨少，沒有明顯隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同和豐枯變化而產(chǎn)生降水空間分布變化。