近55年珠江上游流域降水演变规律

近55年珠江上游流域降水演变规律
作者：张峰雷晓辉蒋云钟白建锋
来源：《南水北调与水利科技》2012年第01期
doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01049
摘要：采用线性回归、5年滑动平均、Mann-Kendall趋势检验及小波分析等方法，对珠江上游流域1954年-2008年降水序列进行研究分析。

结果表明：近55年来，珠江上游流域年降水量总体呈不显著增加趋势；各季节降水均呈现无显著变化趋势；除1月降水增加显著外，其余各月均无明显趋势变化。

流域各站点的年、季节降水趋势基本上也无显著变化。

除年降水量在1963年发生了显著突变外，季节和大部分月降水均无显著突变发生。

年和季节降水量的相位变化时间尺度大体一致，均存在多年尺度的变化特征。

关键词：Mann-Kendall检验；Morlet小波分析；珠江；降水
中图分类号：TV121 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0049-
Analysis of Spatial and Temporal
，---，
(1.School of Environmental Science and Engineering,Donghua University,Shanghai
Abstract:The linear regression,5-year moving average,Mann-Kendall test,and wavelet analysis method were used to analyze the precipitation variations from 1954 to 2008 for the upstream of the Pearl River basin.The results showed that the annual precipitation has an insignificant trend in the recent 55 years.Seasonal and monthly precipitation also showed insignificant trends,except for January which has a significant increasing trend.The insignificant trends were also found for annual and seasonal precipitation of all the weather stations in the Pearl river basin.The annual precipitation had a significantly abrupt change in 1963 whereas there were no abrupt changes for seasonal and monthly precipitation.The annual and seasonal precipitation had the similar time scales of phase
Key words:Mann-Kendall test; Morlet wavelet analysis; Pearl river basin; precipitation
气候变化对水资源的影响已引起越来越多的关注［1-2］。

气候变化通过自然和人为两种途径对水资源产生影响，即自然转变过程是通过气候因子的变化，引起水文循环中各个要素和区域自然条件的转变，影响水资源质量和时空分布特征；人为干扰过程是人类对水资源开发利用导致区域水资源中各要素的再分配及其演变规律的变化［3］。

而降水作为水资源的来源，其变化将对流域水资源产生重大影响。

近年来，珠江流域洪涝和干旱问题并存，枯水期（10月-次年3月）咸潮入侵问题表现较为突出。

由于冬季（12月-次年2月）降水最少，在此期间，咸潮入侵问题也更为严重。

目前，咸潮入侵问题已影响到下游珠海、澳门的饮用水安全。

上游流域来水偏少是咸潮频繁上溯的主要原因之一，此外，上游来水偏少还将对流域发电、航运、生态需水及工农业生产、生活用水造成不利影响。

珠江流域主要水源补给是降水，降水的空间分布决定了径流的空间分布，
因此，对珠江流域降水演变进行分析具有重要的现实意义。

目前，对降水的演变分析主要从降水趋势和周期性两方面来展开。

常用的趋势分析方法主要有线性回归、滑动平均、累积距平、Mann-Kendall非参数检验［4］以及Spearman秩分析等；周期分析方法主要有波普分析［5］和小波分析［6］等。

本文采用线性回归、5年滑动平均、Mann-Kendall检验和小波分析等方法，根据珠江上游流域40个气象站点近55年的实测降水资料，对流域降水变化进行系统分析，以期为流域水资源开发利用以及流域水量统一调度提供科学参考。

1 资料来源与研究方法
1.1 流域概况
珠江流域水系由西江、北江、东江、珠江三角洲诸河组成，其中上游流域主要包括西江和北江，流经云南、贵州、广西和广东等省（自治区）。

西江是珠江流域主干流，全长
，集水面积万，主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江和贺江；北江是该流域第二大水系，干流全长468 km，集水面积万。

流域属于亚热带季风气候，兼受中高纬度西风带和低纬度东风带、热带天气系统影响，降水量年内分配极不均匀，降水量主要集中在汛期（4月-9月），汛期降水量一般占全年的70%～80%左右，非汛期降水量比较少，一般占全年的20%～30%。

珠江上游流域及气象站分布如图1所示。

1.2 资料来源
本研究采用的原始数据为珠江上游流域内40个气象站1954年-2008年实测逐日降水数据（图1），且来源于中国气象局，数据资料可靠。

为便于分析，将其处理为年、春季（3月-
月）、夏季（6月-8月）、秋季（9月-11月）、冬季（12月-月）以及月降水序列。

1.3 研究方法
1.3.1 趋势分析
采用线性回归和5年滑动平均对降水序列进行线性趋势分析，通过该方法，可以直观的反映降水序列是否具有递增或递减的趋势。

Mann-Kendall检验法（以下简称M-K检验）是世界气象组织推荐的一种非参数检验方法，常用来分析降水、气温、径流等气象水文要素序列的趋势显著变化，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算简便，适合于水文、气象等非正态分布的时
间序列［7］，并已得到广泛应用［8-10］。

根据给定的置信水平：对于统计量Z，若，则说明降水序列存在显著上升或下降趋势；若|，则说明降水序列不存在显著趋势变化，且当Z>0时，存在无显著上升趋势，Z
1.3.2 空间变化分析
本研究对年降水、季节降水及枯水期降水进行空间分析，通过采用距离反比法将流域每个气象站多年年平均降水量和季节平均降水量进行空间插值，以获取降水空间分布特征。

1.3.3 周期分析
小波分析具有时域和频域上同时局部化的特点，可展现降水序列的精细结构，因此被誉为数学“显微镜”［11］；小波分析应用于分析水文气象序列比较广泛，可以给出气候因子序列不同层次的变化尺度及变化时间；而水文序列变化时域存在多尺度性和局部性，既有确定性因素，又有随机干扰因素，因此，小波分析对水文气象序列分析具有很好的适用性。

此外，小波方差图反映了波动的能量随尺度的分布，通过它可以得知降水序列存在的主周期。

由于采用连续Morlet小波作为基函数进行小波变换，能够很好地对降水序列连续进行时频局部化分析［12］，因此，本研究选取Morlet小波对降水序列进行周期分析。

2 结果与分析
2.1 降水变化趋势
珠江上游流域年和季节降水线性变化趋势如图2所示，表1给出了年、季节及月降水变化率及M-K检验结果。

从年降水变化来看（图2(a)），珠江上游流域年降水量呈增加趋势，且增加率为。

由M-K检验结果可知，年降水统计量，没有通过95%的置信区间检验，说明年降水增加不显著，这与Cong、王兆礼等［13-14］研究结果相一致。

从季节降水变化趋势分析可知（图2(b)-图2(e)），春季、秋季降水呈减少趋势，且减少率分别为，其中秋季降水减少幅度较大；夏季和冬季降水呈增加趋势，且增加率分别为、。

由于冬季是降水最枯的季节，也是枯水期咸潮入侵最强的时期，因此，冬季降水的增加在一定程度上将有利于缓解咸潮的入侵；而夏季降水的增加也将导致汛期洪涝发生的几率增加。

通过M-K检验可知（表1），春、秋两季降水减少都不显著，夏、冬两季降水增加也不明显。

从月降水变化分析可知（表1），除1月、2月、3月、6月和7月降水呈增加趋势外，其余都呈减少趋势。

从12月、1月和2月对比分析可知，1月、2月降水的增加是冬季降水增加的主要原因，其中，1月降水增加对冬季降水增加的贡献最大；通过对6月、7月和8月降水对比分析可知，6月、7月降水的增加是夏季降水增加的主要贡献，其中7月贡献最大。

通过M-K检验可知，除1月份降水增加趋势显著
外，其它月份均无显著趋势。

2.2 突变点检验
图3为流域年、春季、夏季降水M-K统计量曲线UF和UB（其它季节和月份图略），图中水平虚线代表显著水平上的统计量值。

从突变点检验结果可知，年降水在20世纪60年代发生了由少到多的突变，突变开始的时间是1963年，1979年-1984年超过了显著水平线，突变显著；各季节降水均没有显著突变现象发生。

月降水序列突变点检
验结果表明，除1月、3月和10月发生显著突变外，其余月份均无显著突变发生。

2.3 降水空间变化特征
在（95%的置信度）下，对珠江上游流域40个气象站的年、季节和枯水期降水量进行空间分析。

本研究根据M-K统计量值是否通过95%的置信区间，将降水变化趋势分为显著上升（）、显著下降（Z
从空间变化趋势来看，40个气象站中，年降水量呈增加趋势的站点占65%，主要分布在北盘江、红水河、柳江、桂贺江、北江和郁江；呈减少趋势的占，有1个无变化；其中，有95%的站点表现为增加或减少趋势不显著。

春季降水量有40%的站点呈增加趋势，且主要分布在南盘江；呈减少趋势的占，主要分布在桂贺江和北江上游；有1个无变化；除有一个站点趋势显著外，其它站点变化趋势均不显著。

夏季降水量呈增加趋势的站点占65%，主要集中在红水河上游、柳江和右江；呈减少趋势的占，除个别站点趋势显著外，大部分站点呈现不显著的变化趋势。

在秋季，降水量呈增加趋势的站点占，呈减少趋势的占，流域大部分地区降水呈减少趋势。

在冬季，各站点降水量基本呈现增加趋势，其中增加趋势显著的站点主要位于最上游的北盘江。

2.4 周期分析
以时域为横坐标，频域为纵坐标绘制年降水量距平小波系数等值线图，如图5所示。

图中实线表示小波变换系数为正值，表征降水偏多；虚线表示负值，表征降水偏少。

由图可知，年降水量以2~4年、5~10年、15~30年时间尺度相位变化较明显，其中心时间尺度分别为3年、6年和13年左右。

其中以13年左右周期相位变化最为显著，年降水量存在3个偏多期，3个偏少期，经历了“多-少-多-少-多-少”6个循环交替；在1960年-1967年、1977年-1984年和1994年-2001年处于正相位，降水为偏多期；1968年-1976年、1985年-1993和2002年-2008年处于负相位，降水为偏少期；从图中还可看出，2008年以后负相位等值线未完全闭合，因此可以推测此后一段时间年降水仍将处在偏少期。

另外，2~4年时间尺度主要发生在
1985年-2008年，5~10年时间尺度变化发生在整个时域内，且丰枯变化频繁。

春季降水量以2~3年、3~8年和15~45年左右时间尺度的相位变化较明显，其中以19年左右周期相位变化最为显著，降水量存在2个偏多期和2个偏少期。

夏季降水量以2~3年、
3~8年和15~45年左右时间尺度的相位变化较明显，其中以23年左右周期相位变化最为显著，降水量存在2个偏多期和2个偏少期。

秋季降水量以2~3年、3~8年和15~50年左右时间尺度的相位变化较明显，其中以40年和14年左右的周期性相位变化十分显著；以40年左右周期变化时，降水量存在1个偏多期和2个偏少期；以14年左右周期变化时，降水量存在3个偏多期和3个偏少期；冬季降水量以2~3年、7~8年左右和20年以上时间尺度的相位变化较明显。

以40年左右的周期相位变化最明显，降水量存在1个偏多期和1个偏少期。

以8年左右的周期相位变化也较显著，主要发生在1958年-2008年。

综上分析可知，年和季节降水量的相位变化时间尺度大体一致，都表现为小时间尺度相位变化包含于大时间尺度相位变化中。

图6给出了年、季节降水量距平时间序列小波方差图。

由图可知，年降水量存在3年、6年和14年左右的主周期，春
季降水存在2年、5年和19年左右的主周期，夏季降水存在2年、6年和22年左右的主周期，秋季降水存在2年、5年、14年和40年左右的主周期，冬季降水存在2年、8年和40年左右的主周期。

3 结论
①从变化趋势来看，近55年来，珠江上游流域年降水量总体呈增加趋势，且增加率为
年，但趋势不显著。

春、夏、秋、冬四季降水也无明显变化趋势。

除1月降水增加趋势显著外，其余月均无显著变化趋势。

突变点检验结果表明，年降水量在1963年发生了由少到多的显著突变，季节降水均无显著突变发生；除1月、3月和10月发生显著突变外，其余月均无显著突变发生。

②从空间变化来看，珠江上游流域降水由于受纬度、地理位置等的影响，表现出明显的区域差异性，呈现出由东向西，由南向北递减的趋势。

流域40个气象站中，只有5%的站点年降水量变化显著，其余站点无显著变化。

对季节而言，各季节大部分站点降水均无显著变化趋
势。

③从周期分析来看，年和季节降水的相位变化时间尺度大体一致，都表现为小时间尺度包含于大时间尺度相位变化中。

年、季节和枯水期降水均存在2~3年、5~6年和年
左右的主周期，且丰枯变化明显。

④引起降水变化的原因是复杂的，珠江上游流域降水的趋势变化可能与气温、蒸发、季风、太阳黑子［15］及人类活动等因素有关，但具体的影响机理是什么，影响程度如何等问题有待进一步地研究与阐释。

参考文献（References）：
［1］ CHEN H,GUO S L,XU C Y,et al.Historical Temporal Rrends of Hydro-climatic Variables and Runoff Response to Climate Variability and Their Relevance in Water Resource Management in the Hanjiang Basin ［J］.Journal of hydrology,2007,(344):171-
［2］王录仓,张晓玉.黑河流域近期气候变化对水资源的影响分析［J］.干旱区资源与环境,2010,24(4):60-65.(WANG Lu-cang,ZHANG Xiao-yu.Effect of the Recent Climate Change on Water Resource in Heihe River Basin ［J］.Journal of Arid Land Resources and
Environment,2010,24(4):60-
［3］沈大军,刘昌明.水文水资源系统对气候变化的响应［J］.地理研究,1998,17(4):435-443.(SHEN Da-jun,LIU Chang-ming.Hydrological and Water resources Responses to Climatic Change ~ A Review ［J］.Geographical Research,1998,17(4):435-
［4］ Hamed K H.Trend Detection in Hydrologic Data:The Mann-Kendall Trend Test under the Scaling Hypothesis［J］.Journal of Hydrology,2008,(349),350-
［5］黄忠恕.波谱分析方法及其在水文气象学中的应用［M］.北京:气象出版
社,1983.(HUANG Zhong-shu.The Spectrum Analysis Method and Its Application in Hydro-Meteorology ［M］
［6］王文圣,丁晶,李跃清.水文小波分析［M］.北京:化学工业出版社,2005.(WANG Wen-sheng,DING Jing,LI Yue-qing.Hydrological Wavelet Analysis［M］.Beijing:Chemical Industry
［7］魏凤英.现代气候统计诊断预测技术［M］.北京:气象出版社,1999.(WEI Feng-
ying.Modern Climate Statistical Diagnosis Prediction Technology［M］.Beijing:China
［8］徐宗学,张楠.黄河流域近50年降水变化趋势分析［J］.地理研究,2006,25(1):27-
34.(XU Zong-xue,ZHANG Nan.Long-term trend of Precipitation in the Yellow River basin during the past 50 year ［J］.Geographical Research,2006,25(1):27-
［9］ Tao H,Gemmer M,Bai Y G,et al.Trends of streamflow in the Tarim River Basin during the past 50 years:Human impact or climate change ［J］.Journal of hydrology,2011,(400):1-
［10］邱临静,郑粉莉,尹润生.1952─2008年延河流域降水与径流的变化趋势分析［J］.水土保持学报,2011,25(3):49-53.(QIU Lin-jing,ZHENG Fen-Li,YIN Run-sheng.Trends Analysis of Precipitation and Streamflow during 1952-2008 in Yanhe River Basin ［J］.Journal of Soil and Water Conservation,2011,25(3):49-53.(in Chinese
［11］张济世,刘立昱,程中山,等.统计水文学［M］.郑州:黄河水利出版社,2006.(ZHANG Ji-shi,LIU Li-yu,CHENG Zhong-shan,et al.Statistical Hydrology ［M］.Zhengzhou:The Yellow
［12］翟劭燚,张建云,刘九夫,等.海河流域近50年降水变化多时间尺度分析［J］.海河水利,2009,(1):1-3.(ZHAI Shao-yi,ZHANG Jian-yun,LIU Jiu-fu,et al.Multiple Time-Scale Analysis of Precipitation Variation in HaiHe River Basin during Last 50 Years ［J］.2009,(1):1-
［13］ Cong Z T,Zhao J J,Yang D W,et al.Understanding the hydrological trends of river basins in China［J］.Journal of hydrology,2010,(388):350-
［14］王兆礼,陈晓宏,张灵,等.近40年来珠江流域降水量的时空演变特征［J］.水
文,2006,26(6):71-75.(WANG Zhao-li,CHEN Xiao-hong,ZHANG Ling,et al.Spatio-Temporal Change Characteristics of Precipitation in the Pearl River Basin in Recent 40 Years ［J］.Journal of China Hydrology,2006,26(6):71-
［15］王萍.珠江流域枯水期流量周期特征及影响因素分析［J］.水利学报,2007(增刊)：379-382.(WANG Ping.Analysis on the Period Characteristic of Low Flow in Pearl Viver Basin and Effect Factors ［J］.SHUILI XUEBAO(supplement),2007(Supp.),379-382.(in Chinese))
收稿日期：2011-11-10 修回日期：2011-12-13 网络出版时间:2012-02-
网络出版地址
作者简介:张峰（1985-），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事环境水文方面研究。

E-mail：
通讯作者:雷晓辉（1974-）,男，陕西澄城人，高级工程师，博士，主要从事水文水资源方
面研究。

E-mail:lxh@。