宋揚 熊俊松 翟勝強 馮三飛 李安淇 常亞奇

摘要：為研究四川盆地東部達州市城區(qū)年際及各季降水的變化趨勢、突變時間及降水周期變化，利用5 a滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗法及小波分析法，分析了1961～2020年達州市城區(qū)逐月降雨資料。結果表明：① 60 a來達州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢，降水傾向率為2.10 mm/（10 a），年降水劃分為3個階段，第一階段降水呈弱下降趨勢，第二階段降雨呈明顯下降趨勢，第三階段降水呈波動上升；春、秋和冬季降水呈下降趨勢，夏季降水呈上升趨勢。② 年、各季降水無明顯突變點，春、夏、秋季降水UF曲線超過顯著水平界線，降水下降或上升趨勢明顯。③ 年際和各季降水均存在較大尺度上的周期變化，第一主周期在25 a左右，存在降水的豐枯交替變化，其他時間尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

關鍵詞：降水變化； Mann-Kendall檢驗法； 小波分析法； 達州市； 四川省

中圖法分類號：P426.6

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.002

文章編號：1006-0081（2023）07-0015-06

0 引 言

水循環(huán)過程中，降水是最基本的環(huán)節(jié)，也是水量平衡中最基本的參數(shù)，開展水資源評價、生態(tài)環(huán)保、水資源規(guī)劃等方面的研究，降水為不可或缺的因子。在對氣候變化的研究中，降水在年際、年內(nèi)的變化分布特征與區(qū)域水資源、洪澇災害等方面具有重要聯(lián)系。因此，研究降水變化特征對分析氣候變化、水資源計算等具有重要意義，特別對于中國西南地區(qū)，降水的變化直接影響區(qū)內(nèi)水資源量及自然災害的變化［1-3］。

四川盆地東部區(qū)域主要為東部盆地丘陵及平行嶺谷交匯地帶，屬亞熱帶濕潤季風氣候類型，區(qū)域性氣候差異大，導致水資源時空分布不均，區(qū)域性水資源問題突出等問題［4］。不少學者對四川盆地降水變化特征做了大量研究，周長艷等［4］利用盆地133個氣象站降水資料分析了四川省降水的變化特征及影響；邵遠坤等［5］利用四川盆地1958～2000年降水資料對年降水及暴雨發(fā)生頻率進行了研究；陳文秀等［6］根據(jù)旱澇及氣象觀測資料對20世紀四川盆地降水進行了分析。關于四川盆地的降水特征已有大量研究，但針對盆地東部城區(qū)降水特征的研究較少，如何更深入認識盆地東部城區(qū)降水變化規(guī)律，進而為區(qū)域水資源保護及規(guī)劃、地質災害防治提供理論基礎，仍需要進一步研究。因此，本文利用四川盆地東部城市達州市城區(qū)60 a降水資料，采用滑動平均法、Mann-Kendall檢驗法及小波分析法，對達州市城區(qū)1961～2020年降水序列進行分析，為全面分析其降水變化特征及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處四川盆地東部，達州市中部，地貌屬川東平行嶺谷，多為低山和丘陵谷地，屬亞熱帶濕潤季風氣候，受地形影響，區(qū)域氣候差異較大，四季分明，多年平均降水量1 224.92 mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在5～10月，7月最多，近年來多出現(xiàn)暴雨天氣，導致部分區(qū)域洪澇災害及地質災害頻發(fā)。

2 研究資料

以達州氣象站1961～2020年逐年、逐月降水資料為基礎，對收集的資料進行分析研究，其四季的劃分為3～5月春季，6～8月夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

3 研究方法

3.1 滑動平均法

滑動平均法是沿全長N個數(shù)據(jù)，不斷逐個滑動地取m個相鄰數(shù)據(jù)做直接的算術平均［6-7］，計算公式為

yk=12k+1∑ki=－kxt+i（1）

式中：yk可取2，3，當k=2，為五點滑動平均法，當k=3時，為七點滑動平均法。本文采用五點滑動平均法對四川盆地東部城市達州市城區(qū)60 a降水資料進行分析。

3.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法常被用來分析氣象和水文序列的突變位置，該方法不要求樣本遵循一定的分布，不受異常值的干擾，為一種非參數(shù)檢驗法［8］。對序列進行分析計算，可分析得到序列變化趨勢，并指出其突變區(qū)域。當UF＞0時，表明該統(tǒng)計序列呈上升趨勢，反之，則為下降趨勢；當UF超越臨界值時，表示在0.05水平上上升或下降趨勢顯著；當UF和UB曲線相交，且交點在臨界線之內(nèi)，則交點對應的時刻為該序列突變的時刻。

3.3 小波分析

通過小波分析得出小波變換結果，其結果能夠揭示降水序列中的變化尺度，并且能顯示序列周期變化的時間點，反映序列在不同時間尺度上的變化趨勢［9-10］。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)來表示或逼近某一信號或函數(shù)，小波函數(shù)具有震蕩性，屬于能夠快速衰減到零的一類函數(shù)。篩選合適的小波函數(shù)，對時間序列進行分析變換，得到小波變換系數(shù)［11-12］。對于一個特定的小波函數(shù)φ（t），小波變換為

wf（a，b）=a－1/2∫∞－∞f（t）×φ（t－ba）db（2）

式中：wf（a，b）為小波變換系數(shù)；a為尺度因子；b為時間因子；f（t）為時間序列；φ（t）為小波函數(shù)。

通過小波分析得到小波的實部系數(shù)來繪制小波系數(shù)實部等值線圖，小波系數(shù)實部等值線圖能反映時間序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而判斷序列在不同時間尺度上的變化趨勢［2］。

4 結果分析

4.1 年降水特征分析

4.1.1 年降水趨勢分析

通過1961～2020年達州市城區(qū)年際降水變化曲線（圖1）可知，60 a達州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢，降水傾向率為2.10 mm/（10 a），其最大降水量為1 675.6 mm（1983年），最小降水量為850.7 mm（1966年）。

采用5 a滑動法分析達州市城區(qū)60 a降雨資料（圖1），年降水劃分為3個階段：第一階段為20世紀60～70年代中期，降雨呈弱下降趨勢，第二階段為20世紀80～90年代中期，降雨呈明顯下降趨勢，第三階段為21世紀初期，降雨呈波動上升，上升階段比下降階段降水增加12.38 mm，總體來看60 a來四川盆地東部城區(qū)年降水量波動幅度穩(wěn)定，21世紀降水呈上升趨勢。

4.1.2 年降水突變及周期分析

通過Mann-Kendall檢驗法對達州市城區(qū)60 a降雨序列進行突變檢驗，由圖2（a）可知，達州市城區(qū)降雨序列復雜多變，突變特征不明顯；整體上達州市城區(qū)降雨量呈弱上升趨勢，20世紀60～70年代微弱下降，20世紀80～90年代降雨量下降明顯，21世紀初呈波動上升趨勢；UF曲線未超過顯著性水平0.05臨界線，表明達州市城區(qū)降水沒有明顯的增多和減少趨勢。

通過小波分析對達州市城區(qū)60 a的降水序列進行周期特征分析（圖2），由圖2（b）可知達州市城區(qū)60 a降水量在25，13，6～10 a的時間尺度上存在周期性。降水變化的第一主周期為25 a；13 a和6～10 a為第二、三主周期。在13 a周期上，降水周期變化主要集中在20世紀60～90年代，其余時間周期性不明顯；在6～10 a時間尺度上周期性相對穩(wěn)定，顯示出降水的短周期變化，達州市城區(qū)60 a年降水量經(jīng)過少-多-少-多的變化規(guī)律。

4.2 各季降水特征分析

4.2.1 各季降水線性趨勢分析

達州市處于四川盆地東部丘陵地帶和平行嶺谷帶交匯地區(qū)，為中國南北氣候的分界線，由于地形復雜，區(qū)域性差異較大，使得降水在季節(jié)上變化明顯。由圖3（a）春季降水曲線變化看出，春季降水整體呈下降趨勢，降水傾向率為-7.18 mm/（10 a）；最大降水量發(fā)生在1963年，達到506 mm；最小降水量發(fā)生在1998年，為200 mm，相差306 mm；從5 a滑動平均曲線看出，春季降水在21世紀之前呈波動下降趨勢，年均降水為305.8 mm，至21世紀初，降水呈波動上升趨勢，基本與20世紀年均降水一致。由圖3（b）夏季降水曲線看出，夏季降水波動幅度較大，總體呈上升趨勢，降水傾向率為8.6 mm/（10 a），最大、最小降雨量相差497 mm，表明夏季出現(xiàn)明顯的降水增大或減少現(xiàn)象，這也與達州市城區(qū)出現(xiàn)旱澇災害一致（2004年為特大洪水年［7］）。從5 a滑動平均曲線看出，夏季降水在20世紀80年代前后出現(xiàn)較大幅度變化，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。由圖3（c）秋季降水曲線看出，秋季降水變化幅度與夏季降水變化幅度呈現(xiàn)一致，均表現(xiàn)為大幅度變化，最大、最小降水量相差327 mm，降水傾向率為-7.37 mm/（10 a）。20世紀60～90年代秋季降水呈下降趨勢，20世紀90年代至21世紀初降水呈上升趨勢。從5 a滑動平均曲線看出，秋季降水呈先減少后增加的趨勢，以20世紀末為分界，20世紀降水呈下降趨勢，21世紀降水呈上升趨勢，整體上秋季降水表現(xiàn)為先下降后波動上升的趨勢。由圖3（d）冬季降水曲線看出，60 a冬季年均降水量為53.5 mm，最大降水量為114 mm（1989年），最小降水量為16 mm（1998年），相差98 mm，整體上冬季降水出現(xiàn)一定的波動性，但波動幅度較小，降水表現(xiàn)為微弱下降趨勢。從5 a滑動平均曲線看出，冬季降水表現(xiàn)為上升或下降交替出現(xiàn)，表明冬季降水出現(xiàn)明顯的豐枯季節(jié)。

4.2.2 各季降水M-K突變分析

由圖4（a）看出達州市春季降水序列無明顯突變點，降水表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，且UF曲線超過顯著性水平0.05臨界線，表明降水下降趨勢明顯，在20世紀之前表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，20世紀之后表現(xiàn)為上升趨勢，與圖3（a）降水趨勢分布一致。由圖4（b）看出，夏季降水序列相交于多個交點，表明夏季降水無明顯突變點，且整體表現(xiàn)上升趨勢，UF曲線超過0.05臨界線，表明降水有明顯的上升趨勢，尤其是20世紀80年代，該階段為降水量出現(xiàn)顯著增加，最大降雨量出現(xiàn)在該階段（1983年）。80年代后期，夏季降水變化幅度不大，呈現(xiàn)出上升或下降交替出現(xiàn)，整體上，夏季降水呈上升趨勢。由圖4（c）看出，秋季降水在1985年以前為上升趨勢，波動幅度穩(wěn)定，之后降水持續(xù)下降，至2012年后出現(xiàn)微弱上升趨勢，UF曲線超過顯著水平0.05臨界線，表明秋季降水下降明顯，且在20世紀90年代至21世紀初呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，2010年之后，降水上升；兩條曲線相交于1985年，說明秋季降水在1985年出現(xiàn)突變，突變前降水表現(xiàn)為上升趨勢，突變后降水表現(xiàn)為下降趨勢。

由圖4（d）看出，冬季降水序列出現(xiàn)多個交點，表明冬季降水無顯著突變點，在臨界曲線內(nèi)，UF曲線出現(xiàn)先上升后下降，再上升的趨勢，降水出現(xiàn)明顯的豐枯交替。

4.2.3 不同季節(jié)周期分析

圖5為達州市城區(qū)各季降水周期分布圖。由圖5（a）可知達州市城區(qū)春季降水存在28，20，7～10 a的顯著周期變化。小波方差計算可知，28 a周期振蕩最強，為春季降水的第一主周期；7～10，20 a分別為春季降水的第二、第三主周期；由圖5（b）看出，夏季降水序列存在24，14和5～8 a的顯著周期變化，24 a為第一主周期，表現(xiàn)為顯著的3次豐枯交替，在14 a時間尺度上表現(xiàn)為20世紀明顯的4次周期變化，呈現(xiàn)多次豐枯交替，在其他時間尺度上豐枯交替不顯著；由圖5（c）看出，秋季降水序列存在明顯的周期性，在25，15 a和8 a時間尺度上周期性顯著，25 a為第一主周期，15 a為第二主周期，在不同時間尺度上，秋季降水均存在多次的豐枯交替，尤其在25 a時間尺度上，出現(xiàn)明顯的4次豐枯交替，而在8 a時間尺度上，豐枯交替僅出現(xiàn)在20世紀80年代之前；由圖5（d）看出，冬季降水在20 a和5～8 a時間尺度上存在顯著的周期變化，其中20 a周期震蕩最強，為冬季降水的第一主周期，出現(xiàn)明顯的豐枯交替，在5～8 a時間尺度上，周期震蕩較弱，無明顯的豐枯交替出現(xiàn)。

綜上可知，60 a來四川盆地東部城市達州市城區(qū)降水呈弱上升趨勢，各年代降水變化幅度不大，春、秋和冬季降水呈弱下降趨勢，夏季降水呈弱上升趨勢，這也導致近年來達州市夏季出現(xiàn)降水增多，出現(xiàn)特大洪水年，2004，2005和2007年均是強降水頻發(fā)，出現(xiàn)特大洪水［3］，其原因主要是在全球氣候變暖背景下，在地理位置及地形地貌及人類活動的共同影響下，季節(jié)降水出現(xiàn)增多或減少。

5 結 論

通過對四川盆地東部城市達州市城區(qū)60 a降水資料進行分析得出，60 a達州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢，降水傾向率為2.10 mm/（10 a），年降水劃分為3個階段，第一階段為20世紀60～70年代中期降雨呈弱下降趨勢，第二階段為20世紀80～90年代中期降雨呈明顯下降趨勢，第三階段為21世紀初期呈波動上升，上升階段比下降階段降水增加12.38 mm，總體來看，60 a來四川盆地東部城區(qū)年降水量波動幅度穩(wěn)定，21世紀降水呈上升趨勢。春、秋和冬季降水呈下降趨勢，降水傾向率分別為-7.18 mm/（10 a），-7.37 mm/（10 a）和-1.13 mm/（10 a），夏季降水呈上升趨勢，降水傾向率為8.6 mm/（10 a）；達州市城區(qū)年際降水及各季降水序列突變特征不明顯，但其在年代上降水前后差別較大；年際和各季降水均存在較大尺度上的周期變化，第一主周期在25 a左右，存在降水的豐枯交替變化，其他時間尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

基于上述分析，達州市城區(qū)降水受氣候、大氣環(huán)流等因素影響外，還受地形地貌的影響，其機理變化復雜。在對四川盆地東部區(qū)域降水特征研究的基礎上，應進一步深入研究降水形成及影響因素。

參考文獻：

［1］ 黃建平，季明霞，劉玉芝，等.干旱半干旱區(qū)氣候變化研究綜述［J］.氣候變化研究進展，2013，9（1）：9-13.

［2］ 宋揚，周維博，馬亞鑫，等.50年來灞河流域降水變化特征分析［J］.長江科學院院報，2017，34（7）：12-18.

［3］ 廖光明，延軍平，胡娜娜，等.四川盆地東部近50年降水與旱澇時間序列分析［J］.長江流域資源與環(huán)境，2012，9（21）：1160-1166.

［4］ 周長艷，岑思弦，李躍清，等.四川省近50年降水的變化特征及影響［J］.地理學報，2011，5（66）：619-630.

［5］ 邵遠坤，沈桐立，游泳，等.四川盆地近40年來的降水特征分析［J］.西南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2005，6（27）：749-752.

［6］ 陳文秀，郝克俊.20世紀四川盆地降水變化特征分析［J］.四川氣象，2001（1）：37-39.

［7］ 羅貴東，達州市近50年氣候變化特征分析［J］.高原山地氣象研究，2008，3（28）：72-75.

［8］ 張卉，程永明，江淵.山西省近49年降水量變化特征及趨勢分析［J］.中國農(nóng)學通報，2014，30（8）：197-204.

［9］ 劉新春，楊金龍，楊青.三工河流域40年來氣溫、降水變化特征分析［J］.水土保持研究，2005，12（6）：55-57.

［10］ 潘雅婧，王仰麟，彭建，等.基于小波與R/S方法的漢江中下游流域降水量時間序列分析［J］.地理研究，2012，31（5）：812-814.

［11］ 于慧，仲躋文，李強，等.基于小波分析的長江南京段分級水位研究［J］.水利水電快報，2021，42（12）：38-43.

［12］ 高盼星，陳振華，劉群.變化環(huán)境下湖南省極值降雨頻率時空分布研究［J］.人民長江，2021，52（2）：78-84.

（編輯：江 文）