莆田市降水量时空演变规律分析

评价气候变化和人类活动对区域水资源影响的基础工作，而且也是做好防洪除涝和水资源合理配置管理的前提。

近年来，对于全球以及区域降水特征的研究颇多。有不少学者对福建省降水量的空间分布、年代际变化[14]等进行了研究，但却很少提及沿海和岛屿的区域降水量分布特征，对年降水突变性和周期性也没有表述。本文采用莆田市各雨量站点长系列降水实际观测数据，从空间分布、趋势性、突变性和周期性等方面系统全面的分析全市及其行政分区降水特征的时空演变规律，并揭示该区域降水变化的整体特征和区域差异。研究成果对揭示莆田市水文要素演变规律，辅助相关部门做好洪涝灾害防范应对措施，实现地区水资源合理利用、生态环境保护等具有重要的指导意义。

1 区域概况与研究方法

1.1 区域概况

莆田市位于东经11827′-1192′，北纬252′-2546′，地处福建省沿海中部，东濒海洋，属于典型的亚热带海洋性季风气候区。夏无酷署、冬无严寒、雨量充沛、气候湿润是莆田市气候的一大特点。

本文收集了莆田市36个雨量站点（图1）长系列降水资料。在资料分析中，对部分站点资料不全的，采用与邻站相关法、频率分析插补方法等对缺测年份进行插补延长。

图1 莆田市各行政区划及雨量站点分布

Fig.1 The administrative division and distribution of

precipitation stations in Putian City

1.2 研究方法

（1）采用普通克里格方法[57]对莆田市年降水进行空间插值。在ArcGIS环境下，对各个站点年降水系列采用普通克里格插值成连续的面状数据，再利用区域统计功能对历年不同时段降水分布图所有栅格加和求平均，得到区域不同时段降水量的逐栅格平均值（面均值），形成区域平均的降水时间序列，并绘制出了相应的空间分布图，进行年降水特征变化的区域差异分析。

（2）利用MannKendall秩次相关统计方法[89]（简称MK秩次相关法）及突变点分析[10]、Morlet小波[11]对莆田市年降水量的变化趋势、突变性及周期性进行分析。MK秩次相关法是目前得到广泛应用的非参数统计检验方法，本文用于检验莆田市年降水的长期变化趋势，另外利用MK突变检验法来进行莆田市降水序列突变年份分析。小波分析是一种时间频率分析方法，在时频两域能反映出序列的振幅、位相和功率的局部变化特征，本文采用Morlet小波分析方法对莆田市降水系列的周期性进行了分析。这些方法的具体原理和步骤可详见相关文献，在此不再详述。

2 降水变化的空间分布特征

基于莆田市36个雨量站的1956年-2012年降水量数据，经插值计算得到莆田市年降水空间分布（图2（a）），可以看出莆田市降水量分布差异大，年降水量一般在990～2 320 mm，空间总体上的分布为自东南沿海向西北山区递增。莆田市多年平均降水量等值线基本上与地形高低相对应：年平均降水量在2 000 mm以上的区域均分布在仙游县西北部山区即半岭西墘前县一线区域；年平均降水量在1 600～2 000 mm之间的区域主要分布在仙游县中部及东北部、城厢区西部以及涵江区西北部；年平均降水量在1 300～1 600 mm之间的区域主要分布在仙游县南部、城厢区中东部、涵江区中东部、荔城区西部以及秀屿区西北部；年平均降水量小于1 300 mm的区域主要分布在涵江区东南部、荔城区东部以及秀屿区大部分地区。

年降水量变差系数Cv值（图2（b））一般在016～029，大部分地区在018～022之间，年降水量Cv值不大，年降水量较稳定。年降水量Cv值总体分布规律是从莆田市西北山区向东南沿海递增：半岭西墘前县一线区域的年降水Cv值最小；涵江区的新县大洋、秀屿区的邱山南日以及湄洲区域的Cv值最大。由此可知年降水较大的地区变差系数要小于年降水较小的地区，即年降水量越大，其不稳定性越小；而年降水量越小，其不稳定性越大。

图2 莆田市年降水量及其变差系数空间分布

Fig.2 Spatial distribution of annual precipitation and

its variation coefficient in Putian City

采用MK秩次相关法对莆田市各雨量站点57年来年降水变化趋势的空间分布特征进行分析，结果见图3（ MK统计量Z代表年降水的增减趋势，负值表示减少趋势，正值表示增加趋势，数值绝对值越大，变化趋势越显著）。可以看出，年降水量增加趋势较大区位于白沙白硎东圳水库濑溪一线区域，形成一个带状降水量高增区，降水量增加趋势由这个带状区域向两侧递减；除仙游县的社硎、九鲤湖、前县、游洋以及秀屿区的邱山、南日等6个区域年降水量表现为减少趋势外（仅邱山通过95%（α=005）显著性检验，减少趋势显著），其余站点年降水Z值均为正值，表明年降水量呈增加趋势，但显著程度不一，其中只有白沙、东圳水库年降水量Z值通过了95%显著性检验，增加趋势显著。总体来说，莆田市绝大部分地区年降水呈增加趋势，但不显著。

图3 莆田市年降水量变化趋势空间分布

Fig.3 Spatial distribution of variation trend of annual

precipitation in Putian City

3 降水变化的时间分布特征

3.1 年内分配特征

因雨量站点逐月降水资料收集有限，本文只得出部分站点降水量月分配情况（图4）。可以看出莆田市年内降水分配不均，绝大部分地区年内降水量变化呈双峰型：从4月起莆田市的降水明显增多，5月-6月是莆田市降水集中期，降水量的第一个峰值，7月由于受西太平洋副热带高压影响，降水量明显减少；8月-9月份是台风盛行期，雨水又明显增多，出现了另一高峰，10月-12月降水量逐月减少。多年平均4月-9月汛期降水量占全年降水量的75%左右，连续最大4个月降水量多出现在5月-8月，占全年降水量的60%左右，连续最小4个月降水量多出现在10月-1月，占全年降水量的10%左右。3.2 年际变化特征

3.2.1 年降水量的变化趋势分析

1956年-2012年莆田市多年平均降水量为1 58457 mm，最大值为2 30921 mm（1990年），最小值为1 01674 mm（2003年），最大值与最小值之比为227。莆田市年降水变差系数Cv为017，各年降水量之间差别不大。从年降水5 a滑动平均过程线可知（图5（a）），57 a来降水量增加了10848 mm，增加速率为190 mm/a。利用MK秩次相关法计算得出年降水Z值为051，未通过95%显著性检验，说明莆田市年降水的增加趋势不显著。

从莆田市年降水量累积距平变化过程（图5（b））可以看出，1956年-1961年曲线呈上升阶段，年均降水量为1 79926 mm，处于多雨期；1962年-1971年，曲线呈下降趋势，年均降水量为1 37776 mm，少雨占优势；1972年-1975年曲线呈短暂的上升趋势，年均降水量为1 81021 mm，处于多雨期；1976年-1996年曲线呈波动式下降趋势，年均降水量为1 51683 mm，又处于少雨期；1997年-2012年曲线以上升趋势为主，年均降水量为1 66583 mm，又进入多雨期。

为详细分析莆田市各分区降水量的年际变化，考虑到雨量站点系列的长度和代表性，分别在莆田市四区一县各选择一个代表站，即涵江区的白沙站、荔城区的莆田站、城厢区的渡里站、秀屿区的忠门站以及仙游县的仙游站。各代表站点降水量特征统计详见表1。可以看出，白沙、莆田、忠门、渡里和仙游5个站的降水量均呈增加趋势，但只有白沙站年降水量的变化通过了95%显著性水平检验，增加趋势显著，其降水量增加速率达到了794 mm/a。降水增速最慢的为仙游站，为205 mm/a；各代表站的最大年降水量和最小年降水量比值在226～275之间变化。由于本区每年季风带来的雨期交替出现，水汽供给充分，与福建其他地区相比[1314]，降水年际变化相对较为稳定。

图4 部分雨量站降水量年内分配情况

Fig.4 Monthly precipitation of some weather stations

图5 莆田市降水量年际变化和年降水累积距平变化过程

Fig.5 Interannual variation of precipitation and cumulative departure of annual precipitation in Putian City

表1 莆田市各区雨量代表站年降水量特征统计

Tab.1 Statistics of annual precipitation characteristics of weather stations in Putian City

3.2.2 年降水量的突变分析

根据MK突变检验分析法，绘制出正向序列（UF）、反向序列（UB）曲线，并给定显著水平：α=005，即u0.05=±196（图6中两条直线）。若UF、UB曲线值大于0，则表明序列呈上升趋势，相反为下降趋势。当UF、UB曲线超过临界线时，则表明上升或下降趋势显著。若UF、UB两条曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻便是突变开始的时间[15]。

图6 莆田市年降水MannKendall突变检验曲线

Fig.6 The MannKendall mutation test curve of annual

precipitation in Putian Ccity

根据UF和UB曲线交点位置以及是否超出显著性水平α=005的临界值时间区域对莆田市年降水序列进行突变分析。从图6可看出，莆田市降水量随时间序列的变化，呈现出波段起伏状。UF曲线变化总体表现为升-降-升-降-升，且在1966年-1971年间曲线超出临界线，降水量减少趋势显著。其UF、UB曲线在1959年、1996年、2001年、2004年、2009年、2010年 之间存在交点；结合累积距平曲线（图5（b））分析，突变年份为1996年和2004年，且均表现为降水突然明显增加。

通过分析各代表站点年降水量突变性，五站点均表现出在1996年-1998年间的突变性，另外，莆田、渡里以及仙游还表现出在2003年-2004年间的突变性。这主要是部分站点受20世纪90年代后期的重涝、极涝以及2003年-2004年间的极旱影响有关，变化分析结果与福建省历史上发生严重干旱、雨涝的年份基本一致[4，16]。

3.2.3 年降水量的周期性分析

（1）年降水变化的主要周期分析。

利用小波方差公式计算莆田市年降水时间序列中存在的主周期（图7），发现年降水小波方差图中有4个峰值，第一个峰值是28 a尺度对应的小波方差，说明28 a左右的周期震荡最强，为第一主周期；第2、3、4主周期依次为12 a、8 a、3 a。另外，白沙、莆田、忠门、渡里以及仙游5个站点降水时间序列小波方差峰值个数及其对应的主周期的时间尺度见表2，五站点的降水周期都存在28 a、12 a、8 a和3 a左右的主周期，其中，忠门站的第一主周期为22 a，其余四站的第一主周期为28 a。

（2）年降水变化周期的尺度分析。

小波变换系数与降水量之间存在正相关关系，各个时间尺度的正小波变换系数与其对应的时间尺度下降水量丰枯周期变化的丰水期相对应，在小波变换系数图中用实线绘出；负小波变换系数与枯水期相对应，图中用虚线绘出（图8）。从图8可分析得出，莆田市降水存在降水存在17 a以上尺度、7～17 a尺度及7 a以下尺度的周期变化。从较大尺度17～32 a分析，降水量出现丰、枯交替的三次震荡，以年降水28 a左右强周期对应的位相结构，正负相位以28 a左右的时间振荡，在1956年-1962年，1973年-1981年、1990年-1998年、2008年至今各时段为正相位，表示降水偏多；而在1963年-1972年、1982年-1989年、1999年-2007年各时段为负相位，表示降水偏少。从12 a时间尺度上分析，降水存在约6次震荡。同时还可以看出，以上28 a、12 a两个尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性。

图7 莆田市年降水小波系数方差

Fig.7 Wavelet variances of annual precipitation in Putian City

表2 各雨量代表站小波方差峰值个数及其对应的

主周期时间尺度

Tab.2 The peak number of wavelet variance and

corresponding cycle time scales of each weather station

图8 莆田市年降水小波变换系数时域分布

Fig.8 Distribution of the wavelet transform coefficient domain of

annual precipitation in Putian City

白沙、莆田、忠门、渡里以及仙游五个站点也均存在17 a以上尺度、7～17 a尺度及7 a以下尺度的周期变化。各站年降水小波系数周期中心为21～28 a、12～13 a、5～8 a，且在12～13 a周期中心上均出现了6次丰枯交替，12～13 a尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性。

4 结论

（1）对莆田市年降水量，从时间上来看，总体表现为增加趋势，且变化趋势不明显；从空间分布上来看，表现为自东南沿海向西北山区递增，高值区主要分布在仙游县西北部山区，低值区主要分布在涵江区东南部、荔城区东部以及秀屿区大部分地区。

（2）莆田市年降水量序列突变时段为1996年和2004年，降水周期存在28 a、12 a、8 a和3 a左右的周期；另外年降水量均存在17 a以上尺度、7～17 a尺度及7 a以下尺度的周期变化，且在17 a以上尺度及7～17 a尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性。

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