沙溪流域上游降雨特征的多尺度分析及趋势预测研究.pdf

015年第2期
沙溪流域上游降爾特征的多尺度分析及趋势预测研究
廖钰冰,林辉,叶红
福建水利电力职业技术学院,福建永安366000)
摘要:该文基于近60年日降雨量数据,选取变差系数、降雨集中期和集中度等指标,利用
Mannー Kendall a非参数检验并结合重标极差分析法和小波分析方法,以永安站为代表站,开展
沙溪河流城上游降雨特征的多尺度分析及趋势预测研究。结果表明,该地区年降雨和季节降雨
线性趋势不显著,但年际差异明显,存在5a和18a的震荡周期特性及降雨集中期减少和集中
强度减弱的趋势,据此预测2015~2020年降雨量和春秋季降雨量可能趋于偏少,夏冬降雨量
将持续增多。相关研究可为该区城的水资源规划提供理论依据和实践参考。
关键词:降雨量;多尺度分析;演变规律;永安站;沙溪流域上游
中图分类号:P426.6文献标识码:B文章编号:1002-3011(2015)02-0011-04
雨特征演变研究,为该区域的水资源高效利用提供
在全球气候变化和人类活动等因子的驱动下,理论依据和实践参考。
降雨特性的时空分布及变化研究受到了广泛关注。1研究方法
近年来,国内外学者对降雨变化特性开展了诸多研
在1955~2014年日降雨量资料基础上,选取变
究,揭示了不同气候背景下降雨特征的规律及存在差系数,年降雨量、季节降丽量,集中期和集中度
的差异特征,为相关研究提供了很多方法和理论借等指标表征降雨特性。其中,变差系数C。常用来表
鉴-4。沙溪是闽江流域的重要支流,上游区域雨征观测值的年际变化特征,集中度C。用于表征集中
量充沛,干湿、冷热明显,四季分明,属亚热带海期降雨量对年降兩量的贡献率,集中期D近似表示
洋性季风气候区。气候变化改变了降雨特征,对该一年中最大降雨量出现的时间和变化过程,计算
区域的水资源利用产生了重要影响。科学适应、减公式如下
缓和应对气候变化影响,提高水资源利用效率尤为
=12×100%
迫切和必要,但目前针对该区域降雨特征的趋勢性
∑y
和周期变化的详细分析却鲜有报道。随着流域内永
安市等城镇化进程的加快,人口和城建规模扩大对
用水提出了更高要求,降雨的年内分配不均和年际
R=√Re:+R2
sina, ).t
变化已成为影响该区域生产生活和水安全的重要
yi co
因素。
式中:y:为月降雨量的大小;
本研究利用长时间序列降雨资料,选取变差系
0为月降雨量的方向;
数,年降爾量、季节降雨量,集中期和集中度等指
R2和R,分别为x、y方向合成向量
标,以沙溪河流域上游重要站点永安站为代表,对
R为R。和R,的合成总向量
该区域降雨的年内和年际特征进行分析,采用Mann
气候突变的检测方法有多种,本研究采用Mann
Kendall非参数检验(MK)、小波分析和重标极差
Kendall非参数统计检验法(以下简称MK)分析
分析法(RS分析)对降雨特征的趋势性、持续性降雨特性变化趋势及其显著性,并采用置信度95%
和周期性进行分析,以期丰富不同气候背景下的降显著性检验。若UF值大于0,表明序列呈上升趋
势;若UF值小于0,表明序列呈下降趋势;当超过
收稿日期:2015-04-27
临界线时,表明上升或下降趋势显著。由于MK检
2015年第2期
验是基于序列的独立性假设,本文进行MK检验前
50「距平值5年滑降而量y=-1.039%x+1583.8
R2=(.0349
对序列的自相关性进行了检验?。
采用重标极差分析法(R/S分析)对降雨序列
的趋势性进行预测?,当 Hurst a指数H>0.5时,意
啊
味着时问序列未来的趋势与过去一致,如果过去某
s ww we mao ws vow Tons oh
1y95MI252010
一时刻有一个正増量,则在将来平均地说也会有一
年份
个正增量,且这个过程具有持续性,亦即过去的增
图1年降雨量及距平值变化特征
长趋势意味着将来也具有增长趋势;当且<0.5时,
UF1ー?-Ub1
05显著水平
有D>1.5,C(t)<0,意味着未来的总体趋势将与
过去相反,即过程具有反持续性;当H=0.5时
意味着时间序列各要素完全独立,没有相关性或只
古0
是短程相关
降兩过程属于非平稳随机过程,一般具有周期
性的规律性。小波分析( Wavelet analysis)是一种
信号的时问一尺度(频率)分析方法,具有多分辨
19601970198()199020)0
时间
率分析和对信号的自适应性特点,在时频两域都具
图2年降雨量变化趋势
有表征信号局部特征的能力,常用来研究不同尺度
(周期)随时间的演变情况。8,)因此本文进一步选
1.14
降水景
取常用的 Morlet连续复小波变换分析降雨时间序列
涨积频率
的多时间尺度特征.。
係(.8
2结果和分析
?(.4
2.1降雨量特征趋势变化
近60年实测降雨资料分析结果显示,永安站多
X
9X)11t))1Kx)1)17019い)21K)33X)
年平均降雨量1547mm,年降雨量主要分布在1350
降甬/mml
~1850mm,小于1300mm和大于1900mm的概
图3年降雨量累积频率
率较小;降雨量年际变化较大,1975为最丰水年,征,但均未达到显著性水平(见图2、图3)。季节
降炳量2337mm,2003年为最枯水年,降雨量仅降雨量变化趋势差昇显著(见图4),其中春季降雨
974mm,极值比为2.4(见图1);年内分配上,3量1955~1980呈现减少趋势,于1958年和1966年
6月为降雨较集中月份,占全年降雨量的57%,左右达到显著性水平,1981~2008年之间则呈现增
其中又以5月和6月最大,分别占全年降雨量的加趋势,2009年以后呈现减少趋势;夏季降雨量与
17%和16%。年平均降雨量的变差系数Cn为0.16,春季降雨量呈现相反的趋势特征,1980~2000年多
存在明显季节性差异,秋冬最大,分别为0.48和呈减少趋势,于1990年代达到显著性水平;秋季降
0.46,春夏最小,分别为0.26和0.28;月C。在雨量1955~1990年间呈现增加趋势,而后呈现减少
0.46-0.94之间,其中以11月和4月最大,分别趋势,并于2000年左右达到显著性水平;冬季降雨
为0.94和0.46。年降雨量和不同季节降雨量的线量于1955~1963年间呈现増加趋势,于190年左
生趋势特征不明显,但具有年际特征。降雨序列的右达到显著性水平,1993年以后亦呈现增加趋势。
年际距平值(见图1)分析显示,1970年代和1980
利用集中期与集中度指标进一步分析降雨量的
年代降雨距平为正,说明期间降雨量偏多,1990年年内和年际变化过程,结果显示,该区域降雨集中
代和2000年代则处于降雨偏少期。
期年际波动较大,多年平均值为126.3,即集中期
MK分析表明,年降雨量1974~190年间呈增出现在每年5月初左右。降雨集中期最大值为2002
加趋势,其他时段则多呈5a知时间尺度增减交替特年的190.2,最小值为2012年的72.9,波动幅