孫桂凱，杜 媞，楊愛萍，劉思怡，莫崇勛

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)90年代以來，廣西年均直接經(jīng)濟(jì)損失年均高達(dá)174.1億元，死亡人數(shù)年均多達(dá)百人，并且此類數(shù)據(jù)仍在增長(zhǎng)，對(duì)廣西人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了重大的威脅[1- 4]。因此，變化環(huán)境下降水問題的研究，是許多學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)[5]。如孫桂凱等[6]通過改進(jìn)的百分位法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法及Morlet小波分析法對(duì)廣西極端降水進(jìn)行分析，得到廣西極端降水處于增強(qiáng)的狀態(tài)。黃強(qiáng)等[7]提出了水文變異綜合診斷，以求更加精準(zhǔn)地分析水文要素的變化。趙恩來等[8]采用線性回歸法、距平分析法等方法，得出駐馬店市各季節(jié)降水存在明顯突變。覃衛(wèi)堅(jiān)等[9]對(duì)廣西降水的集中度與集中期進(jìn)行了分析。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前對(duì)于廣西的降水主要進(jìn)行突變分析，而研究降水的變異性較少[10]。故，本文擬采用水文變異綜合診斷法對(duì)廣西的降水時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，為有關(guān)部門應(yīng)對(duì)變化環(huán)境下的防災(zāi)減災(zāi)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文基于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，選取了廣西22個(gè)站點(diǎn)(見圖1)1956年～2018年共63 a的數(shù)據(jù)，并對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)。

圖1 廣西氣象站站點(diǎn)與地形

1.2 研究方法

基于廣西63 a的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，從以下3個(gè)方面對(duì)廣西年降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究：①空間上，主要利用泰森多邊形法計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的平均年降水量，并通過反距離權(quán)重法和經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)對(duì)廣西的年降水量進(jìn)行研究。②時(shí)間上，先利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)變異進(jìn)行檢驗(yàn)，再結(jié)合Lee-Heghinan檢驗(yàn)法、有序聚類法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法等6種方法[11]進(jìn)行變異綜合診斷，使變異點(diǎn)更具有可信度；同時(shí)利用小波分析，分析不同時(shí)間尺度下廣西降水的變化規(guī)律。③變化趨勢(shì)上，利用R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)，來預(yù)測(cè)廣西降水未來的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西降水空間分布

廣西近63 a的年降水空間分布如圖2所示。從圖2可知，廣西地區(qū)各年平均總降水量均在1 000 mm以上，最高年降水量可達(dá)2 163 mm。廣西年降水在空間上基本呈現(xiàn)從西南向東北先減少再增加的趨勢(shì)。年降水高值區(qū)位于桂南的東興、欽州和潿洲島區(qū)域；次高值區(qū)為桂東北地區(qū)，此區(qū)域受地形影響降水量偏多；降水低值區(qū)位于桂西和桂中區(qū)域。

圖2 廣西年降水空間分布

2.2 廣西年降水的EOF分析

為了更加客觀地分析廣西年降水的空間分布特征，對(duì)處理過的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)分析，得到各特征向量貢獻(xiàn)率見表1，對(duì)特征向量進(jìn)行空間插值得到圖3(均已通過顯著性檢驗(yàn))。

表1 廣西降水EOF各特征向量貢獻(xiàn)率 %

由表1可知，前三個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)71.9%，能較準(zhǔn)確地表示廣西年降水空間分布規(guī)律。

第一特征向量如圖3a所示。其中，廣西區(qū)域的值全為正值，方差貢獻(xiàn)率為41%，最能代表廣西63 a年降水的空間分布。由圖3a可得，全廣西年降水變化呈現(xiàn)整體一致性特點(diǎn)，主要是由于大尺度天氣系統(tǒng)引起的，表現(xiàn)為全廣西旱或者澇的形式；高值區(qū)出現(xiàn)在桂東北以柳州市第一特征向量為中心，最高值達(dá)到0.787，說明該地區(qū)的年降水變化率最大，對(duì)旱澇反應(yīng)最為敏感。

第二特征向量如圖3b所示，其方差貢獻(xiàn)率為22.7%，具有一定地代表性。廣西范圍內(nèi)的值均在0.34以下。僅在桂東北以柳州市為中心的地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值，其余地區(qū)為正值。高值區(qū)出現(xiàn)在以都安市為中心的桂中地區(qū)，該地區(qū)變化率最大，其余地區(qū)變化率較緩。第二特征向量下整體體現(xiàn)為局部旱(澇)型。

第三特征向量如圖3c所示，其方差貢獻(xiàn)率為8.6%。廣西北部均是負(fù)值，南部均為正值。在桂中地區(qū)出現(xiàn)高值區(qū)，且該地的變化率也為最快，表明本特征向量下主要呈現(xiàn)南北反向型(南澇北旱或南旱北澇)。

圖3 EOF前3個(gè)模態(tài)的空間分布

2.3 廣西降水時(shí)間變化

2.3.1 廣西降水變異性

由于采用單一的趨勢(shì)及變異檢測(cè)方法存在一定的局限性；故，本文先采用Mann-Kendall對(duì)降水的變異性進(jìn)行檢驗(yàn)，再采用Lee-Heghinan、有序聚類法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)等6種方法對(duì)廣西降水的變異性進(jìn)行綜合診斷，將其中權(quán)重最高的點(diǎn)定為變異點(diǎn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)法的結(jié)果表明(見圖4)，在全球變暖的背景下，廣西年降水量發(fā)生了明顯的變異。由Mann-Kendall得到的可能變異年份為1957年、1968年、1970年、1972年、1974年、1980年、1981年和2017年。

圖4 Mann-Kendall變異檢測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步保證變異檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本文同時(shí)采用其他6種方法進(jìn)行了檢測(cè)(見表2)。根據(jù)表2中綜合診斷出的結(jié)果可得2012年評(píng)分之和為4分，綜合權(quán)重約為0.57，故最終變異點(diǎn)為2012年。

表2 廣西降水變異結(jié)果

2.3.2 廣西降水多尺度周期性

為了進(jìn)一步研究廣西年降水量在多時(shí)間尺度上的周期性分析，本文采用Morlet小波分析法進(jìn)行分析，得到降水的小波分析圖、小波方差圖和小波實(shí)部變化圖(見圖5)。其中，小波實(shí)部變化選取控制年降水變化的第二、三周期來分析。由圖5a可以看出廣西年降水存在3類明顯的時(shí)間尺度變化，分別是4～7 a、8～12 a和22～26 a；其中22～27 a時(shí)間尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)得最為穩(wěn)定，其振蕩周期約為24 a。從圖5b可得3個(gè)明顯的峰值，依次為6、10、24 a，其中24 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第一峰值，故24 a為第一主周期，該時(shí)間尺度震蕩最為強(qiáng)烈；10 a和6 a分別為第二主周期和第三主周期。由圖5c可以知道，10 a時(shí)間尺度的小波變換實(shí)部曲線在分析段內(nèi)存在著良好的連續(xù)性，分析時(shí)段內(nèi)存在著八個(gè)半的豐枯交替周期，2020年預(yù)期仍為枯；24 a時(shí)間尺度的小波變換實(shí)部變化曲線較為穩(wěn)定，存在著3個(gè)半的豐枯交替周期，2020年預(yù)測(cè)為偏豐期，2022年～2034年為偏枯期。由上述分析可得，不同時(shí)間尺度下的年平均降水豐枯交替變化不同，以第一主周期為主，以第二、三主周期為輔，控制著廣西全區(qū)年平均降水的變化。

圖5 廣西年降水小波周期分析結(jié)果

2.4 廣西降水未來變化趨勢(shì)研究

為分析廣西地區(qū)年降水量的未來變化趨勢(shì)，采用R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)，結(jié)果見圖6。

圖6 廣西年降水R/S分析結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，廣西地區(qū)年降水的Hurst指數(shù)為0.633 8，大于0.5，表明時(shí)間序列為持續(xù)性序列，即未來廣西地區(qū)的年平均降水繼續(xù)與過去的63 a保持增加趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

(1)降水在空間上主要呈現(xiàn)從西南沿海向桂東北地區(qū)先減小后增加的特點(diǎn)。

(2)變異檢測(cè)的結(jié)果顯示廣西年降水在2012年發(fā)生變異；同時(shí)，Morlet小波分析的結(jié)果表明，存在著6、10 a和24 a 3個(gè)較為明顯的時(shí)間尺度。

(3)由R/S的分析結(jié)果可得，廣西年降水的Hurst指數(shù)為0.633 8，表明未來廣西降水仍保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，應(yīng)做好相應(yīng)的降水檢測(cè)與災(zāi)害預(yù)警。