曾广建
(广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041)
降水是水文大循环中的一个重要环节，是地球上陆地内各种水体的直接或者间接的补给源，因此，降水量及降水特征对各种水体的水文特征和水文规律具有决定性影响，研究降水的时空变化特征对于工农业生产、水利开发、江河防洪和工程管理等方面有着重要意义[1-2]。有大量学者对广东省及各地级市的降水变化特征开展了深入研究：李湘娇利用广东省307个雨量站1956—2008年降水量资料，采用数理统计方法，得出广东省降水量情势朝着不利的方向演变发展[3]；
史君慧对广东省区域年降水量进行时空特征分析，得出在时间维度上，粤中区域降水具有明显的增长趋势，其他区域处于波动状态；
空间维度上，呈现中部多雨，东西少雨，南多北少的分布特征[4]；
徐林春以广东省112个雨量站1981—2010年的逐月降水资料为样本，对广东省月降雨量的时空变化规律进行研究，得出不同特征月的降水量空间分布存在明显差异，汛期降雨强度增大，非汛期减少[5]；
谢毅文分析了广东省汛期及非汛期最大日降水量时空特征分析，得出广东省前后汛期月最大日降雨量平均值呈现不显著增长趋势[6]；
郑杰元分析了广州市近年降雨时空变化规律，得出市区降雨量逐年增加，暴雨中心由市郊向市中心转移，降雨时段更为集中[7]；
林凯荣依据1960—2009年深圳市9个雨量站逐月资料分析了深圳市近50 a降雨时空变化分析，得出全市降雨量呈不显著增加趋势，趋势变化突变点在1973年前后[8]；
刘旋旋分析了清远市1970—2019年降水序列变化特征，得出清远市降水变化趋势不显著，各站点降水序列有明显丰枯交替特征[9]；
凌良新利用潮州1957—2007年逐日降水资料，统计分析了潮州市降水量和暴雨日数的时间变化特征，得出潮州年降水量总体呈现上升趋势，前汛期降水量对全年雨量的贡献逐渐下降，后汛期则相反；
汛期开始月份及汛期降水强弱的年际变化明显，汛期结束月份年际变化不显著[10]；
林巧美研究了揭阳市近50 a来降水的时空分布特征，得到揭阳市降水量年际波动明显，旱涝出现较为频繁，普宁和揭西处在莲花山脉的南侧,由于迎风坡对气流的抬升作用，成为多雨中心[11]。
综上可见，目前针对整个粤东地区降水量变化特征这方面的研究尚少，本次研究通过对粤东地区70个雨量站1980—2021年月降水数据进行探索分析，研究其降水变化特征，以期为粤东地区水资源变化特征研究、水资源管理、防洪防旱、农牧林业生产提供数据支撑。
粤东地区北靠莲花山脉、南濒南海，地理坐标为东经115°～117°，北纬22°40′～24°，地势以西北高东南低走势，总趋势为中低山→丘陵→台地平原→南海逐次递减。行政区域几经分合，目前包括汕头市、潮州市、揭阳市、汕尾市、深汕合作区，总面积为15 516万km2。属东南亚季风区，雨热同季，是全国光、热和水资源较丰富的地区，雨量充沛，年降水为1 300～2 400 mm，多年平均气温为21℃～22℃，降雨主要集中在4—10月，占比为全年的80%以上，最高占比达95%。受地形影响粤东地区雨量北多南少、西北部和东北部主要山地丘陵地带降雨丰富，成为粤东地区降水量最多的地方[12]。
2.1 数据来源
文中所用资料为粤东地区70个广东省水文局参编雨量站点1980—2021年的逐月降水资料，站点空间分布较均匀、时间序列较长、数据完整可靠(各站点分布见图1)，通过整编计算得到各站年降水总量，利用泰森多边形法求得研究区域的月、年面降水量。粤东地区降雨主要集中在4—10月，占全年降水的80%左右，因此把粤东地区的汛期定为4—10月，其他月份为非汛期。
图1 站点分布示意
2.2 研究方法
2.2.1趋势分析法
趋势变化分析采用线性回归、累积距平的分析方法。累积距平是一种常用的可直观判断变化趋势的方法[13]。对于降水序列x，其某一时刻t的累积距平表示为：
(1)
(2)
将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。
2.2.2突变分析法
突变性分析选用世界气象组织(WMO)推荐的Mann-Kendall突变分析法[6-11]，该方法对于处理非正态分布的水文气象数据具有很好的适用性，但使用该检验法有时会出现顺序统计检验曲线UF和逆序统计检验曲线UB在置信区间内出现多个交点，这个时候要判断哪个为真正的突变点就很难，甚至有时会得出错误的结论。因此，当出现这种情况时不能简单的把交点就当做为突变点，应当再采用其它检验方法进行验证。滑动t检验是把序列中的两段子序列均值有无显著差异看为来自两个总体均值有无显著差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著水平，可以认为均值发生了质变，有突变发生[13]。
2.2.3周期分析法
本文采用Morlet小波分析法研究降水量的多时间尺度周期变化，其小波系数为：
(3)
式中：
a——尺度因子，反映小波的周期长度；
b——时间因子，反映时间上的平移。
Wf(a,b)随参数a和b变化，作出以b为横坐标，a为纵坐标的关于Wf(a,b)的二维等值线图，称为小波变换系数图，用于分析时间序列不同时间尺度周期变化及其在时间域中的分布，从而判断降水序列多时间尺度演变特征和突变特征[14]。
2.2.4空间分析法
采用时态GIS法对降水量进行空间分析，时态GIS或四维GIS就是在GIS中考虑时间变化的概念，在原有的三维GIS基础上加入时间变量而构成的四维GIS(简称TGIS)。时态GIS可以存储、管理组织区域中地理实体对象随时空的发展过程；
可以通过将过去的回溯和现有数据的比较，来预测未来的发展态势；
将新旧数据都存储到具有相同数据结构的时空数据库中，形成一种有效的具有时间存储特性的更新机制；
还能从数据的逻辑上、数据源、时空分辨率和数据精度上检查新旧数据的一致性[15]。
3.1 降水量序列变化的时间分析
3.1.1降水量趋势性分析
根据粤东地区降水量得到该区域降水量的逐年变化及逐年累积距平变化(见图2)，年际变化上，图2a中红色虚线为年降水量与时间序列的线性拟合，相关系数为R12=0.005 7，没有通过95%的信度检验，表明粤东地区年降水量呈微弱的减少变化，其线性倾向率为-2.248 mm/a；
由年降水量过程可以看出粤东地区年降水量年际波动明显,1983年、1996年、2006年、2013年和2016年出现明显降雨峰值，1989年、2004年、2009年和2021年出现明显的降雨低谷，其中最大年降水为2 730.4 mm(2006年)，最小年降水为1 318 mm(2009年)。由逐年累积距平变化曲线(图2 a中绿色虚线)可看出，近42 a来粤东地区年降水量经历了8个主要变化，分别为：1980—1987年、1997—2001年、2004—2008年、2012—2016年降水量呈增加趋势；
1988—1996年(1989—1996年间有小幅度振动)、2002—2003年、2009—2011年、2017—2021年降水量呈减少趋势。
a 年降水
汛期和非汛期降水量均总体呈下降趋势，线性倾向率分别为-0.022 2 mm/a、-2.225 8 mm/a。由逐年累积距平变化线可以看出，汛期降水量主要经历5个主要变化过程，分别是1980—1992年、2009—2012年、2019—2021年降水量呈减少趋势，1993—2008年、2013—2018年降水量呈增加趋势；
秋季降水量主要经历5个主要变化过程，分别是1980—1985年、1989—2008年、2018—2021年降水量呈减少趋势，1986—1988年、2009—2017年降水量呈增加趋势；
非汛期降水丰、枯交替频繁经历了7个主要变化，分别为：1980—1987年、1992—1998年、2016年降水量呈增加趋势；
1988—1991年、1999—2015年、1999—2015年、2017—2021年降水量呈减少趋势。
3.1.2降水量突变性分析
气候变化、人类活动的影响都会引起水文时间序列的突变，而趋势分析只能发发现整个水文数据最时间的整体变化趋势，不能反映序列内部的特征变化，因此本文采用M-K方法和滑动T检验法分析降水量时间序列的突变性。
粤东地区年降水量整体有下降趋势，但趋势不明显，UF和UB曲线在2009年、2011年和2019年前后相交(见图3a)，3个时间点均可能为突变点。采用滑动T检验法进一步确认降水量突变点(见图3b)，滑动T检验值|T|=2.4>T(0.05/2)=1.64，说明降水系列在2019年前后发生显著跳跃，结合2种突变检验方法可判断粤东地区近42 a年降水量2019年为突变年。
汛期降水呈现波动下降趋势，趋势显著性不强，汛期降水UF和UB曲线在1988年、1990年、2019年左右均发生相交(见图4a)，采用滑动t检验法进一步确认降水量突变点(见图4b)，滑动T检验值|T|=2.21>T(0.05/2)=1.64说明汛期降水系列在2019年前后发生显著跳跃，因此可得出汛期降水和年降水量一样，2019年为突变年。非汛期降水UF和UB曲线在1995年、1997年、1998年、2011和2020年均有交点(见图5a)，滑动T检验(见图5b)的检验值|T|=1.58 a M-K突变检验 a M-K突变检验 a M-K突变检验 3.1.3降水量周期性分析 图6a绘制了年降水量距平序列Morlet小波变换实部的时频变化，实线部分表示小波系数实部值大于0，即正位相，表示处于降水偏多的丰水期，虚线表示小波系数实部值小于0，即负位相，表示处于降水偏少的枯水期，粗实线为0值，降水发生突变。图6中清晰地显示了年降水量时间尺度变化、突变点分布及其位相结构。在21～32 a时间尺度上，尺度中心为24 a，年降水量经历了6个丰、枯交替循环特征和6个震荡中心，震荡中心依次为1970年代末期、1980年代末期、1990年代末期、2000年代后期、2010年代中期和2020年代初期，现阶段年降水量政处于偏枯期； 汛期降水量小波分析见图7，从图7a中可以看出多重时间周期尺度相互嵌套的现象，小尺度的交替变化隐藏嵌套在大尺度结构中。 a 小波系数实部 a 小波系数实部 可以看出汛期降水量存在21～32 a、11～19 a、6～10 a和2～5 a的时间尺度震荡变化，尺度中心分别为25 a、15 a、9 a和4 a，其中11～19 a的振动信号最强，经历了8个丰、枯交替循环特征和9个震荡中心，其震荡中心分别为1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2017年和2021年左右。在21～32a时间尺度上，汛期降雨经历了5个正负交替震荡和6个震荡中心。该尺度周期震荡变化在整个研究期间内都对短周期震荡产生影响。从粤东地区近几年汛期降雨变化来看，21 a尺度以上、11～19 a和6～10 a时间尺度上均为偏枯期。从图7b中可以看出有4个极大值，分别为4 a、9 a、15 a、24 a时间尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在汛期降水上主周期为15 a，次周期为4 a、8 a和24 a。由图3和图4发现，汛期降水与年降水在时域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制着年降水。 非汛期降水量小波分析见图8，可以看出非汛期降水量存在23～32 a、11～20 a、6～10 a和4～6 a的时间尺度震荡变化，尺度中心分别为28 a、16 a、7 a和5 a，其中11～20 a的振动信号最强，经历了8个丰、枯交替循环特征和9个震荡中心，其震荡中心分别为1980年、1984年、1989年、1994年、1999年、2006年、2011年、2017年和2022年左右。在21～32 a时间尺度上，汛期降雨经历了5个正负交替震荡和5个震荡中心。该尺度周期震荡变化在整个研究期间内都对短周期震荡产生影响。从粤东地区近几年汛期降雨变化来看，所有的时间尺度上均为偏枯期。从图8b中可以看出有5个极大值，分别为3 a、5 a、7 a、16 a、28 a时间尺度，其中16 a峰值最大，7 a峰值次之。因此，在非汛期降水上主周期为16 a，次周期为3 a、5 a、7 a和28 a。 a 年降水 a 小波系数实部 3.2.1降水量空间分析 采用普通克里金插值方法分别对粤东区域的年平均降水量、汛期降水量和非汛期降水量进行空间插值分析，得到分布图(见图9)，由图9可以看出粤东地区年平均降水量和汛期降水量呈现北多南少，西北部主要山地丘陵地带降雨量最为丰富，东北部次之，南部和东南部沿海地带的平原地带雨量最少，并且可以明显看出从北至南雨量呈现阶梯型减少，以及粤东区域3个明显的暴雨中心点，即汕尾北部莲花山一带、揭阳普宁西部、揭西县和潮州北部山区地带。而非汛期降水分布则表现为东北部降雨最为明显，西北部次之，沿海部分降雨最少。 3.2.2时段多年平均降水量空间分析 依据粤东地区年降水量小波周期分析结果，选取震荡最强的时间尺度对应的突变点，将42 a资料划分为1980—1982年(枯水年)、1983—1987年(丰水年)、1988—1993年(枯水年)、1994—1998年(丰水年)、1999—2004年(枯水年)、2005—2008年(丰水年)、2009—2012年(枯水年)、2013—2018年(丰水年)、2019—2021(枯水年)年9个丰枯交替的多年降水量，采用时态GIS获得各时间段内的降水空间分布特征(见图10)。由图10分析可知：① 2005—2008年时段多年平均降雨最大，平均面雨量为2 332.3mm； 图10 时段多年平均降水量空间分析 以70个雨量站点近42 a降水资料为基础，采用线性趋势、累积距平法、Mann-Kendall突变检验、滑动T突变检验、小波分析和时态GIS等方法，对粤东地区年降水、汛期降水和非汛期降水特性分别进行分析，主要结论有： 1) 粤东地区年降水、汛期降水和非汛期降水均呈微弱的减少变化，其线性倾向率分别为-2.248 mm/a、-0.0222 mm/a和-2.2258 mm/a。为消除周期变化影响，对序列数据分别进行累积距平处理，结果表明近42 a来粤东地区年降水、汛期降水和非汛期降水量呈现波动状态。 2) 时间突变上，近42 a来粤东地区年降水和汛期降水系列在2019年前后发生显著跳跃，2019年为突变年，并呈现出偏多向偏少变化。非汛期降水无明显的突变年。 3) 通过周期性分析，粤东地区年降水、汛期降水和非汛期降水序列均存在4类较为明显的时间尺度周期震荡变化，其中年降水和汛期降水的主周期均为15 a，次周期为4 a、8 a和24 a，表明汛期降水与年降水在时域上的分布有很大的相似性，即汛期降水可以完全控制着年降水。非汛期降水序列的主周期为 16 a，次周期为3 a、5 a、7 a和28 a。年降水、汛期降水和非汛期均处于偏枯期 4) 空间分布上，粤东地区年降水量和汛期降水量呈现北多南少，西北部主要山地丘陵地带降雨量最为丰富，东北部次之，南部和东南部沿海地带的平原地带雨量最少，并且可以明显看出从北至南雨量呈现阶梯型减少，而非汛期降水分布则表现为东北部降雨最为明显，西北部次之，沿海部分降雨最少。不管是丰水还是枯水年，整个粤东地区降雨空间分布特征均相似，均为北多南少，即北部山地丘陵地带降雨多，沿海地带降雨少，没有明显随时间节点不同和丰枯变化而产生降水空间分布变化。
在10～19 a时间尺度上，尺度中心为15 a，该尺度的周期震荡信号最明显，经历了8个丰、枯交替循环特征和9个震荡中心，表现为枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯，该时间尺度上表明2021年后仍少降雨期；
在6～9 a时间尺度上，尺度中心为8 a，该尺度上也表明现处于少雨期。图3b小波方差图中可以看出有4个极大值，分别为4 a、8 a、15 a、24 a时间尺度，其中15 a峰值最大，24 a峰值次之。因此，在年降雨上主周期为15 a，次周期为4 a、8 a和24 a。
3.2 降水量序列变化的空间分析
2019—2021年时段多年平均降雨量最小，平均面雨量为1 650.7 mm；
② 不论是丰水还是枯水年，整个粤东地区降雨空间分布特征均相似，均为北多南少，即北部山地丘陵地带降雨多，沿海地带降雨少，与3.2.1小节中年降水量的空间分布一致，没有明显随时间节点不同和丰枯变化而产生降水空间分布变化。