1953-2012年湖北省降水量时空变化及其影响因子分析

国土与自然资源研究　２０１５　Ｎｏ．５　ＴＥＲＲＩＴＯＲＹ＆ＮＡＴＵＲＡＬ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＳＴＵＤＹ　・４９・　ｓｕｍｍｅｒ　ｍｏｎｓｏ叫ｉｎｄｅｘ　ｈａｄ　ａ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎｎｕｍ　ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ　ｃｈａｎｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ；　Ｍｏｒｌｅｔ　Ｗａｖｅｌｅｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＧＩＳ；　Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ　ｔｅｓｔ；Ｇｒｅｙ　Ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　１　９５３—２０１　２年湖北省降水量　时空变化及其影响因子分析　１引言　随着社会不断发展，城市化进程的加快，了解区　域水资源变得十分重要，降水量是一种重要的气候变　李俊　，代侦勇　，刘志方２　量【”，是区域水资源的重要指标，区域降水量的空间分　（１．武汉大学资源环境科学院，４３００７２；　２．华中师范大学城市与环境科学学院，武汉４３００７９）　布和变化趋势受到许多不同因素的影响（如地形、海　摘要：基于湖北省３５个国家气象站１９５３－２０１２年的降水量数　陆位置等），呈现出很强的地域性，所以研究特定区域　据。综合采用了ＧＩｓ技术、线性预测、小波分析、Ｍａｎｎ－ｋｅｎｄａｌｌ　的降水量变化对于指导该区域人们生产生活具有重　趋势检测、灰色关联度分析方法，对湖北省年降水量时空变化　要意义。　及其影响因子进行分析。研究结果表明：时间上，总体上湖北省　研究降水量变化的学者主要有两个类别，一类是　年降水量以年均ｌｍｍ／ａ的幅度减少，在代际上主要存在１６年　从事气象专业研究工作的学者，他们主要是从数据本　和１４年的主要波动周期；空间分布上，降水量由南向北、山地　身出发，运用统计学的方法，对气象数据进行分析；另　向平原逐步递减，西南山区为降雨中心；空间上，降水量年际上　一整体微弱递减，西南区和江汉平原区递增，其余地区均递减，而　类是地理学者，他们主要借助ＧＩＳ手段，对气象数　季度变化上，符合亚热带季风气候的降水特点，冬季到春季、春　据进行空间可视化表达，通过插值等方法，得出降水　季到夏季，降水量呈现明显的递增，到夏季增幅最大，夏季到秋　量的空间分布和变化图等成果；如在降水量多尺度变　季、秋季到冬季降水量递减，到冬季降水最低；成因分析如下：　化的研究中，潘雅婧等人采用小波与Ｒ／Ｓ分析结合起　青藏高原指数、南方涛动和东亚夏季风指数对年降水量变化影　来，对汉江流域的降水量时间尺度上的变化进行深入　响非常大。　研究【２】。对于降水量空间变化的研究，王秋龙在对安徽　关键词：降水量时空变化；Ｍｏｄｅｔ小波分析；　省５０年的年的年降水量变化特征分析时采用了特征等　ＧＩＳ；Ｍａｎｎ—Ｋｅｎｄａｌｌ检验；灰色关联度　降水量线移动来反映降水量在空间上的变化【’　；另外，刘　中图分类号：Ｐ４２６．６　文献标识码：Ａ　贵花等学者对多年降水量数据进行Ｍａｎｎ—Ｋｅｎｄａｌｌ检　Ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉｌａ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　测，对降水量各月的平均趋势切斜度进行插值，表达　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　降水量的空间变化【　。地理学者侧重于采用ＧＩＳ技术　ｆｒｏｍ　１９５６　ｔｏ　２０１２　ｉｎ　Ｈｌｌｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　实现数据可视化，空间表达较ｓｕｒｆｅｒ软件更为精确美　ＬＩ　Ｊｕｎ　观，但地理学者大多采用降水量进行插值，而气象学　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，　者大多采用变化率插值，较降水量插值更为直观。　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，４３００７２，Ｃｈｉｎａ）　据此，本文从时间和空间两个角度分别对湖北省　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｏｆ　３５　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｅｏｍｌｏｇｉ－　的降水量进行研究，降水量时间变化引入了Ｍｏｌｆｅｔ小　ｃａｌ　ｓｔａｔｉｏｎｓ　ｆｒｏｍ　１９５３　ｔｏ　２０１２　ｉｎ　Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ，　波分析，降水量空间变化则引入了ＧＩＳ技术，采用降　ｓｕｃｈ　ａｓ　ＧＩＳ，Ｌｉｎｅａｒ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，Ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｍａｎｎ－ｋｅｎｄａｌｌ　ｔｅｓｔ，Ｇｒｅｙ　Ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅｒｅ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　水量季度变化的ＭＫ倾斜率插值，从而表达降水量的　ｎａａｌｙｚｅ　ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉｌａ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　空间变化特征。最后，讨论地形因素、大气环流对降水　ｆａｃｔｏｒｓ．　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ａ８￣ＯＩｌＯＷＳ；Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｍｅａｎ　ａｎｎｕａｌ　Ｐ　量变化的影响。　ｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ　ＷａＳ　ｉｎ　ａ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ＷａＳ　ｌｍｍ／ａ，　２数据与方法　ｔｈｅｒｅ　ｈａｄ　ｍａｉｎ　ｗａｖｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　１６　ｙｅａｒ　ａｎｄ　１４　ｙｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒ－　２．１资料来源　ａｔｉｏｎ；Ｓｐａｔｉｌａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｏｕｔｈ　ｔｏ　ｔｈｅ　本研究采用湖北省内３５个气象站台６ｏ年逐年降　ｎｏｒｔｈ，ｔｈｅ　ｍｏｕｎｔａｉｎｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｌａｉｎｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ　水量数据，３５个站点的经纬度数据，数据来源于国家　ｏｓｕｔｈｗｅｓｔ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒａｉｎｆａｇ　ｃｅｎｔｅｒ；Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｓｐａｔｉａｌｌｙ，　气象局气象信息中心；大气环流数据来自国家气候中　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，Ｇｌｏｂａｌ　ｗｅａｋ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ａｎｎｕａｌ，Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ　ｉｎｅｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　ａｎｄ　ＪｉｎａｇｈａｒＩ　Ｐｌａｉｎ．　ｎｌｅ　ｒｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　心气候预测研究室。另外，采用杨远东等提出的水文　ｒｅｇｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｅｃｌｉｎｉｎｇ，Ａｎｄ　ｑｕａｒｔｅｆｌｙ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｓ　ｔｈａｔ，１１ｈｅ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａ－　资料补延长系列的计算方法［４］，对缺测数据进行补全。　ｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｌｌｅ　ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ　ｍｏｎｓｏｏｎ　ｃｌｉｍａｔｅ．Ｗｉｎｔｅｒ　ｔｏ　２．２研究方法　ｓｐｒｉｎｇ，ｓｐｒｉｎｇ　ｔｏ　ｓｕｍｍｅｒ，ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，　２．２．１　Ｍｏｒｌｅｔ小波分析　ｓｕｍｍｅｒ　ｔｏ　ａｕｔｕｍｎ，ａｕｔｕｍｎ　ｔｏ　ｗｉｎｔｅｒ　ｒａｉｎｆａｌ１．Ｔｈｅ　ｌｏｗｅｓｔ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａ—　小波分析是一个强有力的统计工具，通过对各种　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｉｎｔｅｒ；Ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａ８　ｆｏＩｌｏｗＢ：ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｔｈｅ　信号进行降噪、重建、提取，从而确定不同信号的振动　Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｔｉｂｅｔ　Ｐｌａｔｅａｕ，Ｓｏｕｔｈｅｍ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅａｓｔ　Ａｓｉａｎ　周期出现在哪个时间或者频域上。在地学中，各种气　李俊等１９５３—２０１２年湖北省降水量时空变化及其影响因子分析　象因子、水文过程以及生态系统与大气之间的物质交　ｘａ＝ａｌ￣＋ｂ，ｉ＝ｌ，２，３　９　ｏ　ｏ　ｏ　９ｍ　（７）　通过分析得出，湖北省１９５２年一２０１２年之间，平　换都可以看做是随时间有周期性变化的信号，目前在　水文系统的分析中采用较多的小波函数有Ｍｏｒｌｅｔ小　均年降水量约为１１６０ｒａｍ，线性方程的系数为一０．１９４，　波、Ｍｅｘｉｃａｎ　Ｈａｔ小波、Ｈａｍ＂小波等【５］，因此小波分析适　所以降水量整体上呈现出微微减少的趋势；降水量的　用于多年降水量的变化分析。考虑到降水量变化周期　最大值出现在１９８３年，超过平均值４００ｍｍ，约等于　９６６年，约等于　间隔尺度较小，可以看作是一种连续的变化，故本文　１６００ｍｍ，降水量的最小值出现在１ａｍ一１４００ｍｍ之　选取了Ｍｏｒｌｅｔ小波来对年降水量变化进行分析，　８１０ｍｍ；近６０年的降水量集中于９００ｒ６０年来湖北省的年降水量总是处于上下波动的变　Ｍｏｒｌｅｔ小波是高斯包络下的单频率正弦函数，没有尺　间；度函数，是非正交分解，下面简要介绍一下它的计算　化中的（图１）。　方法。　图１　１９５３＿２０１２年湖北省年降水量距平变化趋势　对于任意信号ｆ（ｘ）∈Ｌ２（Ｒ），其连续小波变换如下：　Ｗ（ａ，ｂ）＝七、／ａ卜　ｆ　ｆ（ｔ）ｌｌ，×（上Ｄ＿）　ａ　（１）　Ｍｏｒｌｅｔ小波表达式为：　（ｔ）＝ｅ妇　（２）　根据Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ等的研究，定义小波系数的模部　平方为小波变换功率谱，而时间尺度ｔ。和ｔ２之间的小　波功率谱之和为波动能量，用来检查某一时间尺度内　的振荡能量变化【６．　，表达式为：　，ｔ２　１９ｓａ　ｌ９５８　ｌ９６３　１９６８　１９７３　１９７８　ｌ冒８３　１９，８８　１９９３　１９９１１　２１Ｘ）３　２００８　３．２降水量的代际变化特征　２．１代际变化特征　Ｅ（ｂ）＝Ｊ　。ｗｆ（ａ，ｂ）　（３）　３．基于ｍａｄａｂ软件，对湖北省近６０年的年降水量　其中ｔ。和ｔ　分别为起始年限，ａ为尺度因子或者　进行Ｍｏｌｆｅｔ分析，采取连续小波分析，从而研究不同　频率因子，ｂ为时间因子。　时间尺度下湖北省近５０年降水量的代际变化特征。　２．２．２　Ｍａｎｎ—Ｋｅｎｄａｌｌ趋势倾斜度　根据小波方差（图２）明显可以看出，湖北省近５０　在ＭＫ检验中，倾斜度是表示单位时间内变化　它们依次对应着　量，用以量化单调趋势［８】，气象学上常用其来来表示气　年降水量存在３个较为明显的峰值，１４年、ｌ９年、２７年的时间尺度。其中最大的峰值在２７　象要素的变化速率，具体公式如下：　年时间尺度上，说明该尺度下降水量周期振荡最强，　１３＝Ｍｅｄｉａｎ（牟　），ｊ＜ｉ　（４）　为第一主周期，ｌ４年为第二主周期，ｌ９年为第三主周　１－１　期，依次为依据来分析小波实部图（图２）。　Ｂ为正时代表上升趋势，反之代表下降趋势。　根据小波方差得到的主周期来对小波实部图（图　２．２．３灰色关联度　２）进行分析，可以明显的看出湖北省年降水量演变存　ｉｊ（ｉ）．￣ｃ（ｊｉ（）ｏ．　（５）　ｓｊ（ｉ）＝　ｃ在多时间尺度特征，总体上看年降水量变化存在着　ｃｒＤｊ）ｊ（ｉ）＋２５—３Ｏ年、１０一ｌ５年、１５—２０年三类尺度的周期变化规　其中ｃ；（ｉ）＝ＩＹｉ—ｘ　ｌ第ｉ点Ｙｉ与ｘｊ之差的绝对值；　律。其中２５—３Ｏ年尺度下存在着枯一丰交替的３次准　Ｄｊ（ｉ）一为两极最大差；Ｄｉ（ｉ　为两极最小差；ｒ为分辨　振荡；１０一ｌ５年尺度下存在丰一枯的６次准振荡；　系数，一般取０．５。　１５—２Ｏ年尺度下存在枯一丰交替的４次准振荡。而　对于６０年的降水量序列同其他系列的灰色关联　１８—３２年、２５—３０年尺度的降水量周期变化在整个时　度为：　域类的变化都较为稳定，具有全域性，是第一主周期，　而１０－１５年尺度为第二主周期，１５—２０年尺度为第三　Ｇｊ＝　Ｃ｛（ｉ）　（６）　ＩＩ　ｉ＝１　主周期。　由此可以得出，湖北省年降水量代际变化特征主　Ｇｊ越大，说明该因子与降水量关联度最高，影响　要在体现３个尺度下，根据小波方差，可以确定２７年　最大　为第一主周期，ｌ４年为第二主周期，１９年为第三主周　３　６０年来湖北省降水量时间变化特征　期，分别提取三个周期的小波实部系数，可以得出不　３．１降水量的年际变化特征　运用线性趋势法去分析湖北省１９５３年以来降水　同时间尺度下，湖北省６０年来降水量丰一枯变化特　在２７年尺度下，降水量变化的平均周期为　量的年际变化趋势；设Ｘｉ为样本量为Ｉｎ的某一年的降　征（图３）：存在３个完整的枯一丰转换期；在１４年尺　水量距平值，ｔ　表示Ｘｉ所对应的时间，建立Ｘｉ与ｔｉ为对　１６年左右，度下，降水量变化的平均周期为７年左右，存在６个　应关系的一元线性方程：　－～１