怒江州北部近50 a“桃花汛”降水变化特征

袁利平，王 惠，杨 燕，张常松，和余燕

(云南省怒江州气象局，云南 六库 673100)

1 引言

在全球变暖的大背景下，气温变化会引起全球水分循环变化，这不仅影响水资源的重新分配，还将影响工农业生产和社会经济的可持续发展。因此，研究区域降水的变化规律，对了解气候变化特征、合理利用自然降水、防御旱涝等具有重要的现实意义。

有关降水变化的研究主要集中于降水的时空变化特征。如利用统计方法如小波分析，研究降水的时间变化周期［1－2］，杨再禹［3］应用 Morlet小波分析方法分析了三穗县1958—2006年的年平均气温和年降水量的变化，覃卫坚等［4］分析了桂东北、桂东南和桂西地区40多年春季降水的变化。结果表明:不同地区，同一地区不同时间尺度的降水资料具有不同的时间变化周期。

怒江州地处滇西北横断山脉纵谷地带，境内高山与峡谷并列，地形复杂，立体气候突出，区域气候差异显著。尤其是怒江州北部福贡、贡山两县，一年之中有2个雨季，分别是2－4月的“桃花汛”和6－10月的主汛期［5］。“桃花汛”的特点是雨量大、持续时间长、影响范围广，强降水及其引发的滑坡、泥石流等次生灾害常常冲毁民房、淹没农田、毁坏公路，中断通信，给地方经济和人民生命财产安全造成严重损失。因此，分析和掌握怒江“桃花汛”降水的变化特征，对指导工农业生产、防灾减灾和开发利用云水资源具有重要的现实意义。本文使用小波分析方法分析“桃花汛”降水的多时间尺度变化特征，并从气候突变的角度探讨“桃花汛”的降水变化规律。

2 资料与方法

2.1 降水资料

怒江州北部福贡县、贡山县的2个气象观测站1961—2010年2－4月降水资料。

2.2 研究方法

采用Morlet小波实部及小波方差对怒江州北部近50 a“桃花汛”降雨周期性变化规律进行研究，滑动平均法用于降雨量的总体变化趋势分析，滑动t检验法和Mann－Kendall法用于分析“桃花汛”降雨量的突变特征。

2.2.1 小波分析 气候数据时间序列通常表现为杂乱无章，但是其含有多种不同时间尺度的变化。利用小波变换调节、放大的功能可以了解序列在各层次的变化趋势［6］。小波分析在时域和频域同时具有良好的局部性质。它在分析时域和频域时并没有傅里叶变换和其他波谱方法对时间序列稳定性要求那么严［7］。Morlet小波是复数小波，可以用来进行周期分析，其实部和虚部相差π/2，消除了实数形式小波变换系数的振荡。小波实部可以用来判别信号不同时空尺度的结构及其突变点的位置［8］。

2.2.2 小波方差 将小波系数的平方值在b域上积分，就可得到小波方差，小波方差随时间尺度a的变化过程，称小波方差图，它能反映信号的能量随尺度a的分布。因此，小波方差图可用来确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度，即主周期。

2.2.3 滑动t检验法 滑动 t检验法是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变，本文中子序列长度为5 a，取0.05的显著水平。

2.2.4 Mann－Kendall法 Mann－Kendall突变分析方法是一种非参数统计检验方法，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［9－10］。Mann －Kendall分析对于突变事件是一种十分有效的分析方法。

3 “桃花汛”降水的小波分析特征

3.1 小波系数实部

小波系数实部等值线图能反映不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而能判断在不同的时间尺度上，降水的未来变化趋势。正的小波系数对应于偏多期，负的小波系数对应于偏少期，小波系数为零对应着突变点;小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著。为清楚地说明小波系数实部等值线图在降水时间尺度分析中的作用，我们对绘出的图作进一步修饰，用虚线代表负小波系数，用细实线代表正小波系数，用粗实线代表零线，图中横坐标为时间(年份)，纵坐标为时间尺度，这样就得到1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水距平的Morlet小波系数实部等值线图(图1)。

图1 “桃花汛”降水距平Morlet小波系数实部等值线(a:福贡;b:贡山)

由图1a可见，福贡站有23 a时间尺度的降水变化，50 a来主要经历了5个时期的交替变换:1965年以前为偏多期，1966—1973年为偏少期，1974—1981年为偏多期，1982—1989年为偏少期，1990—1996年为偏多期。而1997年后周期缩短为19 a，1997—2003年为偏少期，2004—2009年为偏多期，2010年后降水正向偏少的时期转变。期间还有11 a左右的周期性变化:1999年以前该周期振荡强烈，1999—2010年有所减弱。1992年以前还有5 a的振荡周期，1992—2002年，振荡周期拉长到 6 a，2003—2010年振荡周期又缩短为4 a。按照15 a以下的时间尺度变化，近年福贡处于降水偏少期;按照15 a以上的时间尺度变化，福贡“桃花汛”降水也正向偏少的时期转变。

由图1b可见，贡山站“桃花汛”降水1970—2005年出现了27a时间尺度的振荡;1995年以前有11 a时间尺度的振荡;5 a左右的周期性变化贯穿整个50 a:1983年以前振荡周期为5 a，1983—2002年周期拉长为6 a，2003—2010年振荡周期缩短为4 a，2009年开始贡山处于降水偏少期。而17 a时间尺度的振荡在1961—2010年一直稳定存在，2009年后向降水偏少期转变。

3.2 小波方差图

Collineau(1993)证明小波方差图反映了波动能量随时间尺度a的分布，可以用来确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度，所以通过小波方差图确定一个时间序列中存在的主周期。图2a是福贡站1961—2010年“桃花汛”降水的小波方差变化图，它有3个较为明显的峰值，分别是5 a、11 a和23 a的时间尺度。其中最大峰值对应着11 a的时间尺度，说明11 a左右的周期振荡最强，为福贡“桃花汛”降水变化的第1主周期;23 a时间尺度对应着第2峰值，为第2主周期，5 a左右的时间尺度为第3主周期。这说明，上述3个周期的波动主导福贡站50 a“桃花汛”降水的变化特征。这与小波系数实部等值线图表现出来的特征时间尺度相同。

图2 小波方差图(a:福贡;b:贡山)

贡山站“桃花汛”降水的小波方差变化(图2b)中，有4个峰值，它们分别对应7 a、17 a、27 a和29 a的时间尺度。其中，最大峰值对应着17 a的时间尺度，即17a左右的周期振荡最强，为贡山“桃花汛”降水变化的第1主周期;7 a时间尺度对应着第2峰值，为降水变化的第2主周期;第3、第4峰值分别对应着29 a和27 a的时间尺度，它们依次为第3和第4主周期。这4个周期的波动主导贡山站50 a来“桃花汛”降水的变化特征。这与小波系数实部等值线图反映的特征时间尺度相似。

4 “桃花汛”降水突变及变化趋势

4.1 滑动t检验法

图3是怒江州北部福贡、贡山2站“桃花汛”降水量的滑动t统计量变化图。不难看出，1960 s中后期、1970 s末至1980 s初、1980 s末期、1990 s末至2000 s初怒江州北部“桃花汛”降水量呈减少变化;而在1970 s、1980 s前中期、1990 s和2003年后“桃花汛”降水量呈增加变化。福贡、贡山两站都无均值突变发生。由图3还可看出，贡山站“桃花汛”降水量的滑动t统计量变化与小波系数实部图中17 a左右时间尺度的振荡一致;而福贡站“桃花汛”降水量的滑动t统计量变化与小波系数实部图中17 a左右时间尺度的振荡基本一致。

图3 福贡、贡山“桃花汛”降水量滑动t统计量变化

图4 1961—2010年“桃花汛“降水量Mann－Kendall突变判别曲线图(a:福贡;b:贡山)

4.2 Mann－Kendall法

用Mann－Kendall法对福贡、贡山1961—2010年“桃花汛”降水进行突变检验(取0.05的显著水平)，绘制UFk、UBk曲线(图4)。图4a显示，在临界线之间福贡站的UFk、UBk两条曲线的交点，也就是发生突变的时间分别是 1962、1963、1965、2001、2002年和2006年;超出临界线的范围，也就是发生突变的时间段分别为1970—1971年、1972—1977年、1978—1983年、1985—1987年。图4b则显示，在临界线之间贡山站的UFk、UBk两条曲线的交点，即突变开始时间分别是1967、2009年和2010年;超出临界线的范围，即发生突变的时间段分别是1989—1990年、1992—1993年、1994—1998年。显然，福贡、贡山2站如此频繁的突变是不正常的，需要去掉其中的杂点或伪突变点。

4.3 滑动平均法

图5 1961—2010年“桃花汛”降水量滑动平均变化趋势(a:福贡;b:贡山)

对1961—2010年福贡、贡山“桃花汛”降水量序列分别取滑动长度为5a，计算其滑动平均值，得到近50a“桃花汛”降水量的变化趋势图(图5)。

由图5a可见，福贡站自1965年开始“桃花汛”降水量开始减少，至1971年开始增加，直到1976年;1977年开始减少，至1988年开始增加，直到1992年;1992年后开始减少，至2003年开始增加，直到2006年。经过了3个完整的“减少—增加”变化过程，过程的平均周期约为13 a;从总的变化趋势来看，福贡“桃花汛”降水在1971年、1976—1977年、1988年、1992年和2003年发生了转变，2006年开始降水呈减少趋势。

由图5b可见，贡山站“桃花汛”降水量从1965年开始增加，至1976年开始减少，直到1982年;1982年开始增加，至1992年开始减少，直到2003年。经历2个完整的“增加—减少”变化过程，过程平均周期约19 a。2003年后开始增加，到2008年开始减少。总的看来，贡山“桃花汛”降水量在1976年、1982年、1992年、2003年和2008年发生转变。根据以上Mann－Kendall法、滑动平均法对2个站点的分析，怒江州北部“桃花汛”降水变化的突变点很可能出现在1976年、1992年和2003年。

5 结论

①怒江州北部50 a来“桃花汛”降水包含有多个时间尺度的周期变化。福贡站存在23 a、19 a、11 a和5 a左右的周期，其中11 a是第1主周期，23 a和5 a分别为第2、第3主周期;目前福贡站“桃花汛”降水量处于少雨期。贡山站“桃花汛”降水量存在27 a、17 a、11 a和5 a左右的周期，其中17 a为第1主周期，27 a和5 a分别为第2、第3主周期;目前贡山站“桃花汛”降水量处于少雨期。

②50 a来怒江州北部“桃花汛”降水变化的突变点很可能出现在1976年、1992年和2003年。

③根据滑动平均分析，1961—2010年怒江州北部“桃花汛”降水，福贡站经过了3个完整的“减少—增加”变化过程，2006年开始降水呈减少趋势;贡山站则经历2个完整的“增加—减少”变化过程，2008年开始降水呈减少变化趋势。

［1］Nolin A W，Hall－Mckim E A.Frequency modes of monsoon precipitation in Arizona and New Mexico.Monthly Weather Review，2006，134(12):3774－3781.

［2］Gan T Y，Gobena A K，Wang Q.Precipitation of southwestern Canada:Wavelet，scaling，multifractal analysis，and teleconnection to climate anomalies.Journal of Geophysical Research，2007，112，D10110，doi:10.1029/2006JD007157.

［3］杨再禹.Morle小波分析在三穗县气候分析中的应用［J］.贵州气象，2009，33(2):19－22.

［4］覃卫坚，廖雪萍，丘平球，等.Morle小波分析在广西春季降水分析中的应用［J］.贵州气象，2007，31(6):5－8.

［5］袁利平，邱发斌，武军.云南怒江2011年“3.20”持续强降水天气过程分析［J］.云南气象，2011，31(2):23－28.

［6］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］.北京:气象出版社，2007.

［7］Zhang Q，Liu CL，Xu CY，et al.Observed trends of annual maximum water level and streamflow during past 130years in the Yangtze River basin，China［J］.Journal of Hydrology，2006，324(1 －4):255－719.

［8］江学顶.珠江三角洲城市群热环境及其效应的时空特征研究［D］.广州:中山大学，2007.

［9］张明剑，黎祖贤，章新平.长沙近50年来降水的多时间尺度分析［J］. 水文，2007，27(6):78－80.

［10］Zhang Q，Xu C Y，Zhang Z，et al.Spatial and temporal variability of precipitation over China，1951 －2005［J］.Theoretical and Applied Climatology，2009，95(1－2):53－68.