近60年福建地区降水及时空演变特征研究.pdf

水文水资源水利规划与设计 年第 期:/近 年福建地区降水及时空演变特征研究杨士力 王化儒 尹双星(华北水利水电大学环境与市政工程学院 河南 郑州)摘要:基于 年福建省年降水和季节降水数据 采用线性回归、突变检验、小波等方法 分析福建省近 年年均降水变化趋势、突变特征、时空序列周期的降水特性 结果表明:近 年福建省年降水整体表现为上升趋势 倾向率为 /春、秋季年均降水整体都表现为不显著下降趋势 夏季降水呈现显著性上升趋势 冬季降水表现为不显著上升趋势 突变检验以及线性回归趋势分析结果显示 年年降水整体呈现不显著上升趋势 倾向率和趋势变化及结果一致 年降水 年为第一主周期、年为次周期 年主周期整体变现为枯 丰 枯 丰 枯循环交替周期变化 目前在正处在偏枯周期 未来在 年降水表现为减少趋势 该研究为福建省季节降水和年均降水变化趋势和空间分布提供参考依据关键词:降水量 趋势分析 突变检验 小波分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:第三次全国水资源调查评价项目(/)作者简介:杨士力(年)男 硕士研究生:通讯作者:王化儒(年)男 高级工程师:引言降水是气候变化特征中重要的气候要素 降水的时空分布特征和趋势变化对引导人们科学地实践生产具有重要意义 降水的时空分配不均匀对农业生产、防汛抗旱、人类生活等各个方面均有重要影响 在时空上过于集中 容易导致局部地区洪涝灾害频率 其格局的改变对水资源规划与管理会产生直接的影响 查显宝等系统分析了安徽省近 年降水变化趋势以及时空分布特征 降水呈现自北向南递增变化 降水日呈减少趋势 中、小降水日显著减少 大雨和暴雨的降水日呈增加趋势 邹槟骏等指出了乐山地区降水时空分布差异较大 存在两极分化的特点 降水与经纬度、海拔高度等地形影响因子显著相关 徐碧裕等指出广东地区近 年汛期和非汛期降水量可分为多种类型 降水的主要周期和周期变化特征也各不相同郑腾飞等指出了随着降水的划分等级 研究发现变化特征相同的是小雨和中雨呈现减少 其中大雨呈现上升趋势 研究降水量的时空周期演变特征探寻其潜在变化规律 是为了预测未来降水变化趋势、改善水资源管理策略和加强气象灾害预警而具有重要意义 因此 深入了解降水量变化的规律以及探究其对水资源、气候变化和生态研究的影响 对于未来的气候变化和水资源管理具有重要影响 本文以福建省为研究对象 分析 年的月降水数据资料 为季节降水和年均降水变化趋势和空间分布提供参考依据 项目概况 研究概况福建省位于我国东南沿海 东临辽阔的太平洋 兼受大陆与海洋的剧烈影响 纬度处温、热带的过渡地带 干湿与盛行风向因季节而异 是典型的亚热带季风气候 年均降水量为 其中春季、夏季、秋季、冬季 夏季降水量与春季降水量的空间分布特点是从西南向东北方向呈现递增变化 数据来源本研究选取 年福建年均降水数据数据来源于国家青藏高原科学数据中心(:/)地形数据来源于地理空间数 据 云(:/)分 辨 率 为 春、夏、秋、冬季节常规分为 月、年第 期水利规划与设计水文水资源月、月、月次年 月 并选取福建省内的 个气象站点进行特征分析 研究方法 线性回归假定一个样本时间序列为 其对应的时序值为 建立一元线性回归方程:()()式中 常数 趋势系数 随机误差项 对应的是降水量时间 若 时 说明 与 呈正相关关系 降水量随时间增长而增大 若 则突变检验的长序列的降水量在这段时间呈现增加趋势 若统计量 则表明降水量显著增加 若统计曲线在 之内发生交点 该交点对应的时刻便是突变点 若突变点超出 显著水平置信区间时 视为显著突变点 小波分析小波分析是从傅里叶变化基础上发展起来的一个数学分支 在时域和频域上都具有良好的局部性质 可以反映出气象要素时序数据在不同时间尺度下随时间变化的特征假定有时间序列()及一组有参数 构成母小波()则:()()由于()与()的卷积构成小波交换 则:()()()()式中 尺度因子 平移因子()小波系数通过(墨西哥帽函数)对福建流域的降水时间进行小波分析 其表达式为:()()(/)()为反映降水周期分布特征 即对降水序列变化起主要作用的周期 采用如下计算公式进行小波方差检验:()()()式中()小波方差()小波系数 结果分析 降水量变化趋势分析通过线性回归及滑动平均趋势变化 对福建省 年降水时间序列特征进行趋势分析 突变检验及线性分析进行拟合对比验证 如图 所示 多年年均降水量以 /的倾向率呈上升的趋势 年降水量线性趋势整体呈现出波动上升 从 滑 动 平 均 和 线 性 回 归 结 果 表 明:年、年呈现下降 年降水整体呈 现 增 加 趋 势 春 季 多 年 平 均 降 水 量 以/的倾向率缓慢下降 年、年春季降水呈现下降 波动较为平缓春季降水整体呈现下降 夏季多年平均降水量整体呈现显著增加趋势 降水量以 /倾向率显著上升 年降水量出现缓慢的下降 年出现明显上升 秋季以 /倾向率缓慢下降 冬季以/倾向率缓慢上升 秋季呈现明显波动下降的为 年、年、年 整 体 表 明 秋 季 年降水趋势波动性较为明显 年降水波动较为平缓呈现将趋势 冬季 年的降水量呈现明显的下降 其余年份的降水波动呈现出缓慢增加趋势 降水量特征突变分析通过 突变检验分析福建多年降水量 以及多年 中的 值空间变化趋势 如图 所示从图()中年降水量统计值 曲线在 年、年小于 且没有超过 在这段时间内呈现不显著下降 由图()、()春、夏季多年平均降水量突变趋势分析可知:春季年和夏季年、水文水资源水利规划与设计 年第 期图 福建省多年平均和季节降水量趋势分析 年 统计值大于 其中春季降水量没有超过 说明这段时间降水呈现不显著上升 从春季 的统计值趋势波动浮动分析整体呈现缓慢下降趋势 夏季 年超过 临界线水平 说明 年夏季降水在 显著水平上显著性上升 夏季年均降水量呈现显著性上升趋势从图 空间趋势分布分析 多年平均降水量趋势分布在长汀、连城以西区域 呈现不显著下降在 年、年的 值都大于 没有超过 说明在此段时间序列呈现不显著上升 年均降水 值分布在明溪、建宁、光泽、蒲城等由北向东北以及大田、永定、邵安、漳浦、厦门等的地方由南向东北 主要呈现不显著上升趋势 整体年均降水量整体呈现增加趋势春、夏季降水量 值空间分布上趋势变化为福建北部光泽、武夷山、浦城、政和、松溪等区域下降趋势最大 值为 整体呈现由南向北呈现不显著下降趋势 福建东北部由光泽、建阳、古田、福州、福清等区域向蒲城、寿宁、柘荣、福鼎等区域呈现出显著性上升趋势 值为 夏季空间分布呈现出由西南向东北显著性变化趋势 这与回归相关分析和 的趋势分析结果一致秋季降水量和冬季降水量相比 秋季降水量呈现出缓慢下降趋势 冬季呈现出缓慢上升趋势 其中 秋 季 年、年 和 冬 季 年、年 的统计值都小于 说明这段时期降水量呈现下降趋势 秋季 年有 个突变点 其中 年发生突变后 年 秋 季 降 水 量 超 过 临界线水平 说明这段时间降水量呈现显著性下降趋势 年秋季降水量统计量大部分为小于 整体呈现下降趋势 冬季 年、年 统计值大于 降水量没有超过 说明这段时间降水呈现不显著上升趋势 结论与上述线性回归相关系数结果一样由秋季和冬季 的 值空间趋势分布可知秋季降水量由北部光泽、武夷山、邵武向东部宁德、连 江、福 州、长 乐 等 值 为 呈现不显著下降趋势 东南部由崇武、晋江、南安向西部武平、长汀、连城等呈现不显著下降趋势 冬季降水量时空分布 值为 年第 期水利规划与设计水文水资源 由福建南部从邵安、云霄、漳浦、平和等向东北武夷山、蒲城、政和、周宁、福安、霞浦等为不显著上升趋势图 福建省多年平均和季节降水量 趋势突变分析 降水量时空周期特征采用 小波分析 通过小波实部等值线图和小波方差趋势图进行特征分析 分析了近 年以来的福建省年均降水量、春、夏、秋、冬季降水的周期性变化 小波变换系数的实部反映了不同时间尺度下小波域内数据的波动特征实部的正负取值交替反映了时间域内降水序列丰枯特征 小波方差则为小波系数的平方值在时间域上的积分 可以确定降水序列存在的多级主周期图 福建省年均降水量 值分布图由图()、()可知 在近 年时间尺度中年降水量的时间尺度序列在、周期变化特征 年降水量呈现正负震荡交替变化 年降水量小波方差图有 个周期方差峰值 其中 为第一主周期 该周期波动震荡最为显著、分别为年均降水量第二、三、四主周期 第一主周期分析 时间震荡周期 在 年、年表现为枯水年 而 年、年表现为丰水年由图()、()可知 春季降水量的时间周期序列变化为 、春季降水量小波方差图有 个周期方差峰值 其中 为第一主周期 该周期波动震荡最为显著、分别为年均降水量第二、三、四主周期 时间震荡周期 在 年、年表现为枯水年 而 年、年表现为丰水年 、的年际变化尺度具有全域性 丰枯交替频繁由图()、()可知 夏季降水量主要周期变化为 、夏季降水量小波分析方差图有 个峰值 分别为、其中主要峰值为、为第一主周期 为第二主周期 其余为次周期 第一主周期 时间震荡周期 在 年呈现为枯水年 而、年呈现为丰水年 夏季最为明显的周期为、的时间尺度的周期特征变水文水资源水利规划与设计 年第 期图 福建省年均和季节降水量周期性分析图 年第 期水利规划与设计水文水资源化 其中、时间震荡周期为全域性由图()、()可知 秋季降水量主要周期变化为 、秋季降水量小波分析方差图有 个峰值 分别为、其中主要峰值为、为第一主周期 为第二主周期 其余为次周期 其中第一主周期 时间震荡周期 在 年、年、年、年呈现为枯水年 而 年、年、年、年呈现为丰水年 秋季最为明显的周期为 的时间尺度的周期特征变化 其中、时间震荡周期为全域性由图()、()可知 冬季降水量有 个峰值分别为、其中震荡明显的主要峰值为 其中 为第一主周期 其余为次周期 第一主周期 时间震荡周期 在 年、年、年呈现为枯水 年 而、年呈现为丰水年 冬季最为明显的周期为 的时间尺度的周期特征变化 其中、时间震荡周期为全域性 从小波实部分析丰水年占比年均冬季降水量较大 说明冬季降水量整体呈现上升趋势福建省年降水量由小波实部数据可知 年年均降水量呈现着上升趋势 这与我们线性回归以及 突变趋势分析结果都呈现相同的趋势 进而论证了年降水年季节降水量变化特征 结论 年年均降水量从 滑动平均和线性回归拟合可知 降水量以/的倾向率呈现不显著上升趋势 春、秋季降水量的倾向率分别为、/其中春季降水相比秋季降水下降趋势更为明显 其中 年有明显的突变 呈现显著性下降 年侧呈显著性上升阶段 夏季降水量整体呈现显著性上升 冬季无明显突变点 冬季降水量呈现不显著上升年均降水量空间分布由西向东南呈现增加趋势 春季和秋季年均降水空间分布分别呈现为由南向北 其中秋季较大部分呈现由北向东部下降趋势 夏季和冬季分别呈现为由西向东北和南部向东北增加趋势 年福建省年均降水量和春、夏、秋、冬季的第一主周期分别为、春季和秋季正准备由丰水期向枯水期周期交替 夏季和冬季正处在枯水期 年均降水在第一周期呈现为枯 丰 枯 丰 枯周期变化 分析可知未来几年降水量进入枯水年周期参考文献 房巧敏 龚道溢 毛睿.中国近 年来冬半年日降水变化特征分析.地理科学 ():.赵耀 李超 王栋 等.抚仙湖流域蒸发与降水的变化趋势及原因分析.山东农业科学 ():.郑炎辉 陈晓宏 何艳虎 等.珠江流域降水集中度时空变化特征及成因分析.水文 ():.(/):.查显宝 王双涛 罗平 等.降水时空分布及变化特征分析:以安徽省为例.灌溉排水学报 ():.邹槟骏 吕晓莉 王筱 等.乐山地区短时强降水时空分布及变化特征研究.高原山地气象研究 ():.徐碧裕 叶朗明 胡丽华 等.年广东汛期降水 分型特征.广东气象 ():.郑腾飞 刘显通 万齐林 等.近 年广东省分级降水的时空分布特征及其变化趋势的研究.热带气象学报 ():.贺伟 布仁仓 熊在平 等.年东北地区气温和降水变化趋势.生态学报 ():.周秀华 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陡坡泄水普遍为民众接受参考文献 张敏秋 杨文明 张君伟 等.龙湾河流域景观河道设计新思路.水利规划与设计():.胡滨滨.以水生态文明理念引领城市河流景观规划设计.水利规划与设计():.郭晓玮.科学的植物配置是塑造中小河流生态景观的重要途径.水利建设与管理():.王凌 罗述金.城市湿地景观的生态设计.中国园林():.李团胜 石铁矛 肖笃宁.大城市区域的景观生态规划理论与方法.地理学与国土研究():.李国棋.声景研究和声景设计.清华大学.孙春红.城市公园声景的评价与设计.西南大学.(上接第 页)王立辉 钟昊林 余志明 等.年闽江下游径流量变化特征分析.福州大学学报(自然科学版)():.邵晓梅 许月卿 严昌荣.黄河流域降水序列变化的小波分析.北京大学学报(自然科学版)():.邹良超 肖尚斌 倪林 等.济南、威海成山头近 冬季平均 气 温 的 小 波 分 析 .海 洋 科 学 ():.冷雪 庞亮 姜欣彤 等.年青海省黄河流域降水变化特征分析及预测.中国海洋大学学报(自然科学版)():.(上接第 页)参考文献 :.给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程.罗加谦 张崇祥.回填式高水头压力钢管设计实践与研究.水力发电():.石长征 伍鹤皋 袁文娜.柔性回填钢管的设计方法与实例分析水电站压力管道:第八届全国水电站压力管道学术会议论文集 北京:中国水利水电出版社:.伍鹤皋 于金弘 石长征 等.水利水电行业回填钢管设计若干问题探讨.人民长江 ():./.水利水电工程压力钢管设计规范.段正刚 刘俊华 姜有志.基于 的回填钢管结构计算及程序设计.云南水力发电 ():.张发茂 甘志军.水利工程回填管计算方法探讨.水电与新能源 ():.伍鹤皋 于金弘 石长征 等.基于正交试验法的埋地钢管参数敏感性分析.长江科学院院报 ():.陈万波 张智敏 于金弘.输水工程埋地钢管变形影响因素及可靠度研究.水电与新能源 ():.徐春峰 党丽娟.埋地输水钢管管道结构设计.四川水泥():.杨晓蕾 李萌 陈峰 等.埋地压力输水钢管最大环向应力计算探讨.水利水电技术(中英文)():.