吳政秋，龐 波，徐 翃，陳 鈺

1.福建省氣候中心，福建福州 350028；2.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福建福州 350028；3.福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350213

福建省位于我國東南沿海，地形復(fù)雜，海陸差異明顯，受不同天氣系統(tǒng)的影響，降水氣候時空演變也存在明顯差異[1]。尤其是主汛期（4—9月）期間，降水強(qiáng)度大、降水量集中，持續(xù)時間長且局地性強(qiáng)，4月初入汛后，持續(xù)的強(qiáng)降水引發(fā)福建省局部地區(qū)山體滑坡、泥石流、等嚴(yán)重次生災(zāi)害，甚至極端強(qiáng)降水可引發(fā)人員傷亡和嚴(yán)重的財產(chǎn)損失[2]。正確認(rèn)識福建省氣候降水時空演變及其周期性離不開合理的氣象統(tǒng)計應(yīng)用方法，如何采用合理的氣象統(tǒng)計方法預(yù)報氣候降水一直是氣象業(yè)務(wù)部門關(guān)注的重點[3]。在全球變暖的背景下，氣候降水的時空演變會受不同天氣系統(tǒng)所支配[4]；此外，復(fù)雜山地或海岸平原等地形配合季風(fēng)進(jìn)退和局地對流等因素，會對區(qū)域性降水產(chǎn)生直接影響。眾多學(xué)者在研究我國降水氣候時空演變特征時，多采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解法(EOF)、非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法、曼-肯德爾法(M-K檢驗)、小波分析法等氣候統(tǒng)計方法，得到了豐碩的研究成果。用這類科學(xué)的氣候統(tǒng)計方法研究氣候降水，比簡單地對站點降水做平均處理更加能捕獲降水空間的細(xì)節(jié)特征及其隨時間演變的趨勢。選取福建省1990—2020年主汛期（4—9月）逐小時站點降水資料，采用EOF分析法、M-K檢驗法、Morlet小波分析法對福建省主汛期降水氣候時空演變及其周期變化特征進(jìn)行研究，以期捕獲沿海和內(nèi)陸的氣候降水細(xì)節(jié)時空特征，為氣象業(yè)務(wù)部門提供有力的參考依據(jù)，進(jìn)一步提高氣象相關(guān)部門的防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)能力。

1 資料來源與研究方法

選取福建?。?3.50°N28.50°N、115.50°E120.50°E）范圍內(nèi)1990—2020年66個國家自動氣象觀測站主汛期4—9月逐小時站點降水資料。采用基于EOF經(jīng)驗正交函數(shù)分解法、M-K顯著性突變檢驗、Morlet小波分析法分析福建省近30年主汛期降水氣候時空演變特征及周期性；利用Cressman插值法將福建省66個氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)逐步訂正插值至800×800的網(wǎng)格中，以減小計算過程中離散點到目標(biāo)點的誤差，研究了福建省近30年主汛期降水氣候時空演變及周期性變化特征。

2 福建省主汛期降水量時空演變特征和M-K顯著性突變檢驗

2.1 福建省主汛期年平均降水量的EOF分解演變特征

福建省主汛期氣候降水空間差異較大，可采用經(jīng)驗分解EOF分解法研究福建省降水時空演變特征。EOF分解前3個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為52%、18%和6%，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)76%，前3個特征向量的空間型基本可反映全省主要降水信息，具有一定的可行性和代表性。圖1展示了福建省1990—2020年主汛期降水EOF分解空間型和對應(yīng)時間系數(shù)趨勢。

圖1 福建省1990—2020年主汛期4—9月平均降水量EOF前3個模態(tài)空間分布特征及相應(yīng)的時間系數(shù)

EOF分解第一模態(tài)空間型（圖1a）可見，福建省近30年主汛期降水為一致的正位相分布，說明沿海岸和山地空間型均隨第一模態(tài)時間起伏變化呈相同變化，正位相最大值主要位于政和—周寧—寧德—羅源以東地區(qū)，全省主汛期氣候降水年際變化主要集中在福建東部；

將EOF分解的第一模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)序列進(jìn)行9點平滑（圖1b）反映出東部主汛期氣候降水隨時間年際變化總體波動較強(qiáng)，2000年和2004年時間系數(shù)達(dá)最大值，2004—2013年時間系數(shù)（負(fù)值）反映出東部汛期氣候降水在該時段內(nèi)低于歷史降水平均水平。

EOF分解第二模態(tài)空間型（圖1c）表現(xiàn)出福建省東南沿岸和復(fù)雜山地明顯的反位相，說明東南沿岸與內(nèi)陸地區(qū)主汛期降水變化相反，結(jié)合EOF分解第二模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)（圖1d）來看，1995年前、2000—2010年末、福建省東南沿岸和中南部地區(qū)主汛期氣候降水相對較多，內(nèi)陸山區(qū)主相對較少，其余年份沿海岸主汛期降水較少，內(nèi)陸山區(qū)降水較多。

EOF分解第三模態(tài)空間型（圖1e）反映福建省主汛期氣候降水中部和東部為正位相，南部和北部呈負(fù)位相，由分解的時間系數(shù)（圖1f）可知，2004年以后，中部和東部主汛期氣候降水偏多，而在此之前，主汛期氣候降水低于歷史平均水平，而南部和北部則在2004年以前降水偏多，2004年以后降水增多，其他年份反則代之。

2.2 福建省主汛期年平均降水量的M-K顯著性突變檢驗

為進(jìn)一步研究福建省近30年主汛期平均降水的趨勢與突變，對EOF分解的前3個模態(tài)相對應(yīng)的時間系數(shù)進(jìn)行M-K突變檢驗。EOF第一模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)的M-K檢驗趨勢可知，UF統(tǒng)計量在近30年間均＜0，表明近30年東部主汛期降水呈減少趨勢，UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量的交點在1990年，并且在1991年UF值超過臨界值（a=1.96），說明1991年前后，東部主汛期降水出現(xiàn)明顯突變，除此年份外，其余時間在30年間并未發(fā)生明顯突變點。

EOF第二模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)的M-K檢驗趨勢可知，UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量在2018年以前均＜0，且在1991年UF和UB出現(xiàn)交點，位于臨界值范圍，且UF在1991—1999年超出顯著性閾值范圍，說明在2008年以前，內(nèi)陸山區(qū)主汛期降水明顯減少，且在1991—1999年出現(xiàn)明顯突變；在2018年開始之后，F(xiàn)統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量分別為UB＞0、UF＜0，且兩者均在2019年末超過顯著性閾值，說明福建省近30年內(nèi)陸地區(qū)2019年開始主汛期降水明顯減少，沿海岸地區(qū)與內(nèi)陸山區(qū)變化情況則相反。

EOF第三模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)的M-K檢驗趨勢可知，在2008年以前，福建省近30年主汛期降水未發(fā)生明顯突變，在2008年以后，UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量出現(xiàn)多個交叉點，且均位于臨界值范圍內(nèi)（a=±1.96），2019年UB統(tǒng)計量超過顯著性閾值且趨勢開始下降，說明福建省中東部在2019年后降水減少，而北部地區(qū)降水在2019年后相對增加。

2.3 福建省主汛期年平均降水量的Morlet小波分析及功率譜檢驗

為進(jìn)一步討論福建省1990—2020年主汛期降水變化周期，對EOF前3個模態(tài)的時間系數(shù)分別進(jìn)行Moriet小波變換，并繪制小波系數(shù)圖與全局功率譜檢驗圖。第一模態(tài)（圖2a）時間系數(shù)的小波系數(shù)主要在1990—2020年存在多個時間尺度的周期變化，且在1998—2016年存在明顯的2～3年的降水正位相周期與1～2年的負(fù)位相周期，具有明顯的正負(fù)位相交替時間節(jié)點。

圖2 福建省1990—2020年主汛期4—9月平均降水量EOF前3個模態(tài)時間系數(shù)的Moriet小波分析和功率譜檢驗

從第一模態(tài)全局功率譜（圖2b）總體來看，其功率譜存在3～4年的主周期。由第二模態(tài)小波系數(shù)圖（圖2c）發(fā)現(xiàn)1～2年的主周期上明顯正負(fù)位相交替，由其全局功率譜（圖2d）診斷出其存在明顯的2年變化周期。第三模態(tài)（圖2e）時間系數(shù)的小波系數(shù)在1990—2020年存在明顯1～2年的由負(fù)轉(zhuǎn)正位相周期，其全局功率譜（圖2f）顯示第三模態(tài)總體存在半年的變化周期。整體而言，全局功率譜分析與小波分析結(jié)果相近[5-11]。

3 結(jié)論與討論

（1）福建省近30年主汛期降水時空變化較大，EOF分析前3個模態(tài)表征主要有沿岸和復(fù)雜山地正位相、沿海岸與復(fù)雜山地反位相、中部和東部為正位相，南部和北部反位相3種空間型，且東部主汛期降水隨時間的年際變化波動較強(qiáng)，2000年和2004年時間系數(shù)達(dá)到最大值，2004—2013年東部主汛期降水量值小于歷史均值。

（2）福建省主汛期年平均降水量的M-K顯著性突變檢驗分析前3個模態(tài)主要有“沿岸及復(fù)雜山地正位相”“沿海岸與復(fù)雜山地反位相”“中部和東部為正位相，南部和北部反位相”3種時空演變特征，整個區(qū)域在1990—2020年存在1～2年的多個時間尺度的準(zhǔn)周期變化，東部主汛期降水在2008年之前逐漸減少后呈明顯增加趨勢，且在2018年前后發(fā)生突變，可以看出福建省降水氣候時空演變具有極強(qiáng)的波動性，地形因素的影響較為明顯。

（3）小波分析及其功率譜結(jié)果顯示福建省近30年主汛期降水的3個模態(tài)分別有“2～3年正位相與1～2年的負(fù)位相”“1～2年主周期正負(fù)位相交替”“1～2年由負(fù)轉(zhuǎn)正位相”的周期特點，且全局功率譜分析與小波分析結(jié)果相近。