基于Mann-Kendall 方法的闽江流域降水趋势分析

陈奔月

（福建省核工业二九四大队,福建 福州 350001）

1 引言

闽江是福建省最大的河流,历史上闽江流域经历了数次洪涝灾害。近30 多年来,受气候变化和经济社会人类活动影响,降水规律受到影响,城市洪涝灾害风险增加。降水是导致洪涝灾害的主要原因之一,降水变化趋势分析也是水文分析的重要组成部分。

学者们已对闽江流域气候、水文要素变化做了相关研究。张章新[1]利用闽江流域实测资料,研究该流域的降水、蒸发、径流、泥沙等要素的年份年际及地区分布规律。张星等[2]利用闽江流域11个站点1961年～2005年气温、降水及日照数据,分析各要素的时空分布特征和变化趋势。陈莹等[3-4]通过分析闽江流域1960 年～2006 年逐月径流、降水等资料,研究径流与降水变化的关系。已有研究对降水资料的统计方法较为单一,且侧重分析降水与径流的关系,因此进一步探讨闽江流域降水趋势有重要的研究意义。

由世界气象组织推荐的Mann-Kendall 方法是非参数检验方法,由H.B.Mann 和M.G.Kendall 提出[5],该方法所检验的样本不需要遵从特定的分布,特大、特小值也不会对检验结果产生影响,因此该方法可以确定某自然过程是否具有确定的变化趋势。水文数据属于非正态分布,Mann-Kendall 方法对于水文数据有很强的实用性,已经被广泛运用到许多降水规律分析中[6-8]。本文结合闽江流域1965年～2020年降水数据,利用Mann-kendall 方法对其降水规律进行分析。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

闽江流域总面积60992 km2,属于亚热带海洋季风气候,雨量充足,全年降水量主要集中在汛期（4 月～9 月）,其中4 月～6 月主要是梅雨,通常出现持续性降水的现象,7 月～9 月主要是由台风产生的大暴雨。

2.2 数据概况

本文选取均匀分布于闽江流域的21 个站点（见表1）所观测的逐日降水数据进行规律分析。所有数据起止时间为1965 年1 月1 日至2020 年12 月31 日,其中汛期为每年4 月至9 月,非汛期为每年10 月至次年3 月。

表1 本文所选取的闽江流域代表站点

3 分析方法

本文采用Mann-Kendall 趋势非线性检验方法对闽江流域逐日降水系列进行分析。

设一组独立、随机分布的时间序列为（x1,x2,…,xn）,定义检验统计变量如下：

其中：

当时间序列长度大于10 时：

若Z＞0,表明该时间序列呈现增加趋势,若Z＜0,表明该时间序列呈现下降趋势。

4 结果与讨论

4.1 降水量年内分配规律分析

闽江流域每年4 月～6 月主要是锋面雨,范围广,雨期长,7 月～9 月主要是台风雨,雨强大,闽江下游受其影响较大。从表2 可以看出,闽江流域1965 年～2020 年平均降水量约为1653 mm,有明显的时间规律和区域分布特点。汛期降水量占全年降水量的70%左右,降水在空间上由上游至下游,从西北至东南呈减少趋势。

表2 闽江流域代表站1965 年～2020 年平均降水量年内分配统计表 单位：mm

4.2 年尺度降水变化规律分析

根据闽江流域21 个站点1965 年～2020 年逐日降水数据,采用Mann-Kendall 检验方法对年尺度降水变化趋势进行分析,检验统计值见表3,其中Z 为Mann-Kendall 检验值,p为实际显著性水平。通过表3 可以看出,代表站的Mann-Kendall 检验值均大于0,说明这些站点的降水量随年份呈增加趋势。如图1 所示,通过线性回归方式对武夷山站、樟湖坂站、永泰站、竹岐站的年降水量进行拟合,呈平缓上升趋势。

图1 部分站点年降水量变化趋势

表3 闽江流域代表站年尺度降水变化趋势检验统计值

4.3 汛期及非汛期尺度降水变化规律分析

闽江流域属于亚热带海洋季风气候,降水在干季和湿季的差异性大。本文根据闽江流域特征,将每年4 月～9 月划分为汛期,10 月～次年3 月为非汛期。闽江流域代表站点在1965 年～2020 年汛期、非汛期期间的降水变化趋势检验结果见表4、表5。

表4 闽江流域站点汛期尺度降水变化趋势检验统计值

表5 闽江流域站点非汛期尺度降水变化趋势检验统计值

在表4 中,闽江流域大部分站点的汛期降水量Mann-Kendall 检验值大于0,只有松溪、七里街、尤溪站的Mann-Kendall 检验值小于或等于0,对这三个站点做线性回归分析。如图2 所示,尤溪站呈微弱下降趋势,松溪站、七里街呈上升趋势。由此可见,闽江流域1965 年～2020 年汛期降水量总体趋势是增加的。

图2 部分站点汛期降水量变化趋势

1965 年～2020 年间,建宁（溪口）、沙县（石桥）、大田站在非汛期时段Mann-Kendall 检验值虽为负数（表5）,但这三个站点的多年非汛期时段降水量具有线性增长趋势（图3）。永安站的Mann-Kendall 检验值小于0,但其在非汛期降水量下降不明显。因此,闽江流域多年非汛期降雨量呈上升趋势。

图3 部分站点非汛期降水量变化趋势

4.4 汛期日尺度降水变化规律分析

闽江流域汛期降水具有历时短、雨强大的特点,历年来,闽江经历了数次洪涝灾害,防洪安全成为关注的重点。从表6 可以看出,闽江流域大多数站点的Mann-Kendall 检验值大于零,这说明汛期日平均雨强有增加趋势,对闽江流域的城市防洪带来不利影响。

表6 闽江流域站点汛期日尺度降水变化趋势检验统计值

5 结语

（1）闽江流域1965 年～2020 年平均降水量约为1653 mm,有明显的时间规律和区域分布特点。汛期降水量占全年降水量的70%左右,降水在空间上呈现由上游至下游,从西北至东南减少的趋势。

（2）1965 年～2020 年间,闽江流域全年降水量呈上升趋势,但趋势不显著。汛期及非汛期期间内,多数站点的降水量呈现递增变化,少数站点表现为弱减少。

（3）闽江流域汛期有雨日的日平均雨强有增加趋势,提高了洪水风险,增加了防洪难度。