宋揚(yáng) 熊俊松 翟勝?gòu)?qiáng) 馮三飛 李安淇 常亞奇

摘要：為研究四川盆地東部達(dá)州市城區(qū)年際及各季降水的變化趨勢(shì)、突變時(shí)間及降水周期變化，利用5 a滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法及小波分析法，分析了1961～2020年達(dá)州市城區(qū)逐月降雨資料。結(jié)果表明：① 60 a來達(dá)州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢(shì)，降水傾向率為2.10 mm/（10 a），年降水劃分為3個(gè)階段，第一階段降水呈弱下降趨勢(shì)，第二階段降雨呈明顯下降趨勢(shì)，第三階段降水呈波動(dòng)上升；春、秋和冬季降水呈下降趨勢(shì)，夏季降水呈上升趨勢(shì)。② 年、各季降水無明顯突變點(diǎn)，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(shì)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(shí)間尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

關(guān)鍵詞：降水變化； Mann-Kendall檢驗(yàn)法； 小波分析法； 達(dá)州市； 四川省

中圖法分類號(hào)：P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.002

文章編號(hào)：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(píng)價(jià)、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(duì)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(zāi)害等方面具有重要聯(lián)系。因此，研究降水變化特征對(duì)分析氣候變化、水資源計(jì)算等具有重要意義，特別對(duì)于中國(guó)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(zāi)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(rùn)季風(fēng)氣候類型，區(qū)域性氣候差異大，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布不均，區(qū)域性水資源問題突出等問題［4］。不少學(xué)者對(duì)四川盆地降水變化特征做了大量研究，周長(zhǎng)艷等［4］利用盆地133個(gè)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(yuǎn)坤等［5］利用四川盆地1958～2000年降水資料對(duì)年降水及暴雨發(fā)生頻率進(jìn)行了研究；陳文秀等［6］根據(jù)旱澇及氣象觀測(cè)資料對(duì)20世紀(jì)四川盆地降水進(jìn)行了分析。關(guān)于四川盆地的降水特征已有大量研究，但針對(duì)盆地東部城區(qū)降水特征的研究較少，如何更深入認(rèn)識(shí)盆地東部城區(qū)降水變化規(guī)律，進(jìn)而為區(qū)域水資源保護(hù)及規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論基礎(chǔ)，仍需要進(jìn)一步研究。因此，本文利用四川盆地東部城市達(dá)州市城區(qū)60 a降水資料，采用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法及小波分析法，對(duì)達(dá)州市城區(qū)1961～2020年降水序列進(jìn)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(hù)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(dá)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(rùn)季風(fēng)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(dǎo)致部分區(qū)域洪澇災(zāi)害及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。

2 研究資料

以達(dá)州氣象站1961～2020年逐年、逐月降水資料為基礎(chǔ)，對(duì)收集的資料進(jìn)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(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是沿全長(zhǎng)N個(gè)數(shù)據(jù)，不斷逐個(gè)滑動(dòng)地取m個(gè)相鄰數(shù)據(jù)做直接的算術(shù)平均［6-7］，計(jì)算公式為

yk=12k+1∑ki=－kxt+i（1）

式中：yk可取2，3，當(dāng)k=2，為五點(diǎn)滑動(dòng)平均法，當(dāng)k=3時(shí)，為七點(diǎn)滑動(dòng)平均法。本文采用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法對(duì)四川盆地東部城市達(dá)州市城區(qū)60 a降水資料進(jìn)行分析。

3.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)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(yàn)法［8］。對(duì)序列進(jìn)行分析計(jì)算，可分析得到序列變化趨勢(shì)，并指出其突變區(qū)域。當(dāng)UF＞0時(shí)，表明該統(tǒng)計(jì)序列呈上升趨勢(shì)，反之，則為下降趨勢(shì)；當(dāng)UF超越臨界值時(shí)，表示在0.05水平上上升或下降趨勢(shì)顯著；當(dāng)UF和UB曲線相交，且交點(diǎn)在臨界線之內(nèi)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為該序列突變的時(shí)刻。

3.3 小波分析

通過小波分析得出小波變換結(jié)果，其結(jié)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(shí)間點(diǎn)，反映序列在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)［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(hào)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(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析變換，得到小波變換系數(shù)［11-12］。對(duì)于一個(gè)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(shí)間因子；f（t）為時(shí)間序列；φ（t）為小波函數(shù)。

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

4 結(jié)果分析

4.1 年降水特征分析

4.1.1 年降水趨勢(shì)分析

通過1961～2020年達(dá)州市城區(qū)年際降水變化曲線（圖1）可知，60 a達(dá)州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢(shì)，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(dòng)法分析達(dá)州市城區(qū)60 a降雨資料（圖1），年降水劃分為3個(gè)階段：第一階段為20世紀(jì)60～70年代中期，降雨呈弱下降趨勢(shì)，第二階段為20世紀(jì)80～90年代中期，降雨呈明顯下降趨勢(shì)，第三階段為21世紀(jì)初期，降雨呈波動(dòng)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(dòng)幅度穩(wěn)定，21世紀(jì)降水呈上升趨勢(shì)。

4.1.2 年降水突變及周期分析

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

通過小波分析對(duì)達(dá)州市城區(qū)60 a的降水序列進(jìn)行周期特征分析（圖2），由圖2（b）可知達(dá)州市城區(qū)60 a降水量在25，13，6～10 a的時(shí)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(jì)60～90年代，其余時(shí)間周期性不明顯；在6～10 a時(shí)間尺度上周期性相對(duì)穩(wěn)定，顯示出降水的短周期變化，達(dá)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(shì)分析

達(dá)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(guó)南北氣候的分界線，由于地形復(fù)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(shì)，降水傾向率為-7.18 mm/（10 a）；最大降水量發(fā)生在1963年，達(dá)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(dòng)平均曲線看出，春季降水在21世紀(jì)之前呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，年均降水為305.8 mm，至21世紀(jì)初，降水呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，基本與20世紀(jì)年均降水一致。由圖3（b）夏季降水曲線看出，夏季降水波動(dòng)幅度較大，總體呈上升趨勢(shì)，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(dá)州市城區(qū)出現(xiàn)旱澇災(zāi)害一致（2004年為特大洪水年［7］）。從5 a滑動(dòng)平均曲線看出，夏季降水在20世紀(jì)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(shì)。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(jì)60～90年代秋季降水呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初降水呈上升趨勢(shì)。從5 a滑動(dòng)平均曲線看出，秋季降水呈先減少后增加的趨勢(shì)，以20世紀(jì)末為分界，20世紀(jì)降水呈下降趨勢(shì)，21世紀(jì)降水呈上升趨勢(shì)，整體上秋季降水表現(xiàn)為先下降后波動(dòng)上升的趨勢(shì)。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(dòng)性，但波動(dòng)幅度較小，降水表現(xiàn)為微弱下降趨勢(shì)。從5 a滑動(dòng)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(dá)州市春季降水序列無明顯突變點(diǎn)，降水表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，且UF曲線超過顯著性水平0.05臨界線，表明降水下降趨勢(shì)明顯，在20世紀(jì)之前表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，20世紀(jì)之后表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，與圖3（a）降水趨勢(shì)分布一致。由圖4（b）看出，夏季降水序列相交于多個(gè)交點(diǎn)，表明夏季降水無明顯突變點(diǎn)，且整體表現(xiàn)上升趨勢(shì)，UF曲線超過0.05臨界線，表明降水有明顯的上升趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)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(shì)。由圖4（c）看出，秋季降水在1985年以前為上升趨勢(shì)，波動(dòng)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(shì)，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(jì)90年代至21世紀(jì)初呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，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(shì)，突變后降水表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

由圖4（d）看出，冬季降水序列出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，表明冬季降水無顯著突變點(diǎn)，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(shì)，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(dá)州市城區(qū)各季降水周期分布圖。由圖5（a）可知達(dá)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(jì)算可知，28 a周期振蕩最強(qiáng)，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(shí)間尺度上表現(xiàn)為20世紀(jì)明顯的4次周期變化，呈現(xiàn)多次豐枯交替，在其他時(shí)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(shí)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(shí)間尺度上，秋季降水均存在多次的豐枯交替，尤其在25 a時(shí)間尺度上，出現(xiàn)明顯的4次豐枯交替，而在8 a時(shí)間尺度上，豐枯交替僅出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代之前；由圖5（d）看出，冬季降水在20 a和5～8 a時(shí)間尺度上存在顯著的周期變化，其中20 a周期震蕩最強(qiáng)，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(shí)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(dá)州市城區(qū)降水呈弱上升趨勢(shì)，各年代降水變化幅度不大，春、秋和冬季降水呈弱下降趨勢(shì)，夏季降水呈弱上升趨勢(shì)，這也導(dǎo)致近年來達(dá)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(qiáng)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(dòng)的共同影響下，季節(jié)降水出現(xiàn)增多或減少。

5 結(jié) 論

通過對(duì)四川盆地東部城市達(dá)州市城區(qū)60 a降水資料進(jìn)行分析得出，60 a達(dá)州市城區(qū)降水量呈弱上升趨勢(shì)，降水傾向率為2.10 mm/（10 a），年降水劃分為3個(gè)階段，第一階段為20世紀(jì)60～70年代中期降雨呈弱下降趨勢(shì)，第二階段為20世紀(jì)80～90年代中期降雨呈明顯下降趨勢(shì)，第三階段為21世紀(jì)初期呈波動(dòng)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(dòng)幅度穩(wěn)定，21世紀(jì)降水呈上升趨勢(shì)。春、秋和冬季降水呈下降趨勢(shì)，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(shì)，降水傾向率為8.6 mm/（10 a）；達(dá)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(shí)間尺度上，降水周期多集中在5～15 a。

基于上述分析，達(dá)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(jī)理變化復(fù)雜。在對(duì)四川盆地東部區(qū)域降水特征研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步深入研究降水形成及影響因素。

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（編輯：江 文）