基于Mann-Kendall检验和小波分析的南昌降水变化特征研究

    林思平 高震东 王秋霜 胡耀丹 杨舒惠

    

    

    

    摘要：近年来，气候变化已成为国际研究的热点问题，其中全球变暖在自然生态与社会经济方面都给可持续发展带来了重要影响。为了解全球变暖以及土地利用方式转变下南昌地区的气候变化规律，在相关气候要素中，选择降水量作为衡量指标，利用Mann-Kendall趋势检验和Morlet小波分析方法对其近64年降水量的年际变化趋势以及其周期性变化特征进行研究。结果表明：（1）近64年来南昌地区降水变化不明显，但总体年降水量呈略增加趋势。（2）通过小波分析得出：降水量序列存在5个周期，即7年、11年、28年、50年和63年。主振荡周期为28年，且从主振荡周期尺度上来看，南昌在未来一段时间里将处于降水偏多阶段。

    关键词：南昌;Mann-Kendall趋势检验;小波分析;降水

    20世纪以来，全球大部分地区都经历了不同程度的升温[1]，加速变暖的气候已经引起了社会各界的高度关注。降水量是各类气候指标中，具有定量化分析某地区气候变化特征和趋势的主要因素之一。近年来，相关学者和机构进行了不同类型的区域降水变化趋势和规律研究[2，3]。这其中，不同尺度的区域降水分析和局域降水变化研究可以显著提高地方应对中长期气候变化和旱涝灾害的能力。

    南昌市位于我国江西省中部偏北，与我国最大的淡水湖泊——鄱阳湖毗邻，是我国主要的粮食生产基地之一。近年来，在全球变暖的背景下，叠加南昌市土地利用方式的转变、农田转为其他用地等因素，区域内的能量平衡发生了很大程度的转变。随之而来的是区域气候的变化，以及环境本底的改变。因此，本文利用Mann-Kendall趋势检验和Morlet小波分析等技术，对南昌地区近64年来的降水变化趋势进行规律分析。相关研究结果可以为南昌地区应对气候变化，提高该地区中长期适应降水变化的能力。同时，该研究结果也可以为区域农业生产应对未来旱涝灾害提供基础数据。

    1 研究区概况

    南昌市位于江西省的中部偏北区域，赣江和抚河的下游冲积平原，处在鄱阳湖西南岸。东经115°27′至116°35′，北纬28°10′至29°11′之间。南昌地区以平原为主，占国土面积的35%以上，东南地区相对平坦，西北则地势较高。总体上，南昌及周边水网密布，湖泊面积大，总水域达2200km2以上，占30%左右。南昌属于亚热带季风气候，气候湿润、雨热同期，农业生产自古以来较为发达。1980年代以来，南昌市的城市化进程逐渐加速，城区面积逐年扩大，人口增速较快，由此引起了一系列的城市环境气候问题。

    2 研究方法

    （1）Mann-Kendall分析法。Mann-Kendall分析法可以对各类时间尺度下的气候要素进行变化趋势检验，该方法属于一种非参数统计检验方法，因此具有较好的检测分析效果，常被应用于气温和降水等序列的变化检测中[4，5]。该方法的优势主要在于计算过程较为简便，检测的时间尺度范围广，不易受到异常值的控制，并且在检测之初无须选择某种特定的分布函数。因此，本文采用该方法检验南昌市近64年的降水序列，定量反映降水变化趋势的显著性。

    （2）小波分析法。Morlet小波分析是一种具有时频多层次分辨功能的方法，它能够有效的获取水文气象序列不同时间尺度的周期性特征，并能评估序列未来一段时间内的发展趋势[6-10]。本文通过运用小波分析检验方法，能够很好的获取南昌市降水的周期性变化规律。

    3 结果与分析

    （1）降水量趋势分析。通过结合国家基本气象站数据信息，统计了南昌市1953—2016年的日降水数据，分析其降水量的年代变差系数。如图1所示，20世纪60年代的最大降水量在研究期间最小，20世纪50年代的最大降水量在研究期间最大。由此可见，20世纪60年代可能属于降水低谷区、20世纪50年代可能属于一个降水丰沛区。从平均值这一属性来看，20世纪90年代的降水平均值最大，属于降水相对较丰富的时期。20世纪60年代的降水平均值最低，这一时间段则属于一个降水偏少期[11]。

    如图2所示，近64年来该地区的降水变化的总体趋势并不显著。由5年滑动平均的计算结果来看，1960s、1980s和2000年之后的降水处于相对低值区。50年代初、70年代和90年代降水均较多。总体平均年降水量呈略增加趋势。MK趋势检验的Z统计量为1.755，在90%的可信度范围内，说明从长期来看，该地区的降雨量序列呈显著的上升变化趋势。总体而言，1950—1960年代、1970—1980年、2000年前后、2010年前后降水量较大，超过了近60年的平均值。而1960—1970年，以及1980—1990年属于降水的低值区间。通过统计分析，南昌地区降水具有一定的变化趋势性。

    （2）降水变化周期。通过运用小波分析方法，从而得到南昌降水的周期变化特征，如图3所示，南昌地区近64年的降水具有一定的周期变化特征。小波变换可以将降水周期变化过程中的精细结构显示出来，一般小波实部变换实部值的低值区和高值区是周期变化，这便可以进行降水变化的周期识别。由图2的小波变换实部时频分布图可以看出，在7—8年、11—12年、24—28年等时间尺度上可以较明显的识别出来，其小波變换实部值具有高低变化的过程。同时，大部分周期变化可以通过95%的置信度检验。由此说明，南昌地区的降水具有一定的变化规律性。总体而言，在长时间尺度上，南昌地区降水的Morlet小波变换实部时频分布值较高，但是大部分时间段超过检验的置信度区间。

    小波方差图可以反映年南昌地区降水变化趋势的能量谱特征[5]，因此可以进行主周期和不同时间尺度的分析。小波方差分析的结果如图4所示。

    结合图3、图4分析得出降水量序列存在5个主周期，即7年、11年、28年、50年和63年。前三个振幅比较小，后面振幅逐渐增强，主振荡周期为28a。从主振荡周期上看，南昌在未来一段时间里将处于降水偏多阶段。

    4 结论

    本文通过采用Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析方法分析了南昌市的降水变化特征。结果表明，64年间南昌市的降水量呈略增加趋势，且在周期性的分析中表现出未来将继续增加的趋势。总体而言，南昌地区降水变化还处在一定的波动范围之内。未来农业和城市发展可能会导致新的用水需求，因此从社会可持续发展的角度考虑应该进一步进行工农业和生活用水的综合调度与规划。通过统筹不同部门的用水规划，以此促进南昌地区的用水合理化与社会经济协调发展。

    参考文献：

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