次旺顿珠 白玛多吉 罗桑丹增

摘要 利用1980—2012年四川省36个站点逐日降水资料，运用数理统计、一元线性回归、M-K突变检验、EEMD经验模态分解等方法，研究了四川省强降水分布以及时间演变规律。结果表明：四川省总体年平均降水量为1 039.6 mm，且年降水量总体呈递减趋势，每10年减少22.9 mm左右;中部地区年平均降水量相对较多，东部地区年平均降水量其次，西部地区年平均降水量相对较少。四川省降水量季节变化春季呈上升趋势，夏季、秋季和冬季呈现下降趋势。四川省大雨日数呈下降趋势，大约每10年大雨日数随时间会减少4.0 d。暴雨日数也呈下降趋势，大约每10年暴雨日数随时间会减少1.5 d。中部地区大雨日数、暴雨日数均较多，东部地区其次，西部地区相对较少。1992年为四川省年降水量开始突变年;降水序列在年际演变过程中，存在2～3年小尺度、5～10年中尺度、20年左右大尺度这3类时间尺度变化规律。根据趋势项得出四川省年降水量呈递减趋势。

关键词 降水分布;变化特征;一元线性回归;气候倾向率;M-K突变检验;EEMD经验模态分解;四川省

中图分类号 S161.6文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）04-0224-07

Autonomous Region，Bangor，Tibet 852500;3.Tibet Autonomous Region Atmospheric Detection Technology and Equipment Support Center，Lhasa，Tivet 850001）

Abstract Using the daily precipitation data of 36 stations in Sichuan Province from 1980 to 2012，the mathematical statistics，linear regression，MK mutation test，EEMD empirical mode decomposition were used to study the distribution and time evolution of strong precipitation in Sichuan Province.The results showed that the overall average annual precipitation was 1 039.6 mm in Sichuan Province，and the mean annual precipitation showed a decreasing trend，every 10 years reduced about 22.9 mm.The annual precipitation in central area of relatively large，the eastern area rainfall secondly，western region the average annual precipitation was less.Based on the variation of seasonal precipitation of Sichuan Province，the spring was on the rise，summer，autumn and winter showed a downward trend.Heavy rain days showed a decreasing trend，approximately every 10 years the number of heavy rain days time would be reduced by 4 days.Rainstorm day number also declined，approximately every 10 years the number of heavy rain days time would be reduced by 1.5 days.The central area of heavy rain days，rainstorm days were more，the eastern region secondly and western region was less.The results of MK test show that，Sichuan Province in 1992 for the annual precipitation to the mutation years.Based on the annual precipitation was EEMD empirical mode decomposition obtains，precipitation sequence in the interannual evolution，variation of these 3 time scales are small scale，2-3 years 5-10 years，20 years or so large scale.

Key words Precipitation distribution;Variation characteristics;Linear regression;Climate tendency rate;M-K mutation test;EEMD empirical mode decomposition;Sichuan Province

近年來，气候变化形势愈发严峻，从20世纪70年代初，全球气候就开始发生显著变化，降水特征在一定程度上也发生了变化，气候的严峻变化形势已引起各个国家和人民的极大关注[1-5]。

目前，越来越多的学者开始研究气候变化问题。周长艳等[6]对四川近50年降水气候特征进行分析，结果表明年平均暴雨日数从西到东呈“增—减—增”的变化趋势。孙银凤等[7]指出，南京市年降水序列存在2、6～7、14～15和20年的4类准变化周期，且降水量在20世纪70年代较少，而后降水量开始增多。尹承美等[8]分析了济南市降水年际、月、时以及强度变化特征。王燕等[9]指出，甘肃省降水自西北向东南呈增加趋势，夏季降水量较多，降水量的年际变化不显著。李玲萍等[10]认为，石羊河流域降水呈现逐年递增的趋势，夏季降水较多，冬季降水最少，且降水分布不均。马京津等[11]研究表明，华北地区春季和夏季降水量年代际变化有一定的差别。郝立生等[12]从华北地区降水年代际变化特征出发，研究海温、东亚夏季风、积雪等因素变化对夏季降水量的影响机制。安文芝等[13]研究表明，西北地区降水呈现从东南和西北两侧向中部减少的分布特征，东部地区降水呈逐年递减趋势，西部则呈增多趋势。还有很多学者对我国近几十年来降水气候特征作了一系列研究得出，我国降水分布不均匀，西部、东南部以及东北地区降水较为集中，华北地区降水较少;东部地区夏季降水量呈逐年递增趋势，秋季和冬季降水逐年减少，西部地区冬季降水逐年增加[14-17]。

New等[18]研究表明，全球降水量除了南极以外各个区域年降水量均呈递增趋势。Taschetto等[19]研究发现，澳大利亚年降水量东西部差异较为显著，西部年降水量呈递增趋势，而东部年降水量呈递减趋势。

四川省处于中国西南腹地，区域气候表现差异较大，气候灾害较多，主要有干旱、暴雨、洪涝等。因此，研究四川省降水变化规律对防范各类气象灾害有重大意义。笔者将利用四川省36个站点逐日降水资料，采用一元线性回归、滑动平均、M-K突变检验、EEMD经验模态分解等方法，研究四川省降水演变规律。

1 资料与方法

1.1 资料

利用1980—2012年四川省对36个基准地面气象观测站实测逐日降水资料，分别计算上述每个站点年、月降水量平均值，用来代表四川省总体年、月降水量变化情况。季节范围划分如下：春季为3～5 月，夏季为6～8月， 秋季为9～11月，冬季为12月～次年2月。把日降水量超过50 mm的降水事件称为暴雨[20]，日降水量超过25 mm的降水事件称为大雨。

1.2 方法

1.2.1 一元线性回归。

采用气象倾向率反映降水量的变化趋势，以此反映降水活动变化情况。气候倾向率即用最小二乘法拟合线性趋势变化：y=a+bx。式中，b为气候倾向率，y表示降水量（mm），x表示降水量对应的时间，a为常数。当b>0时，表示降水量随时间年限的增加呈上升趋势;当b<0时，表示降水量随时间年限的增加呈下降趋势。b值的大小反映了降水量上升或下降的速率[21]。

笔者使用滑动平均对近33年四川省降水量进行趋势拟合，用来确定降水量变化趋势。样本量为n的降水量序列x其滑动平均序列表示为：

1.2.2 M-K突变检验。

取显著性水平a=0.05，则临界值曲线为U0.05=±1.96。对年降水量时间序列进行M-K突变检验，即将UF年降水顺序统计曲线、UB年降水逆序统计曲线以及临界线绘制于同一幅图中。如果UF顺序统计曲线大于0，则表明降水量呈递增趋势;相反，呈递减趋势。若UF顺序统计曲线超出0.05临界线水平，则表明降水递增或递减的趋势非常显著。当UF顺序统计曲线与UB逆序统计曲线交点处于0.05临界线水平之内，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间[22]。

1.2.3 EEMD经验模态分解。

Wu等[23]首先提出EEMD分解方法。EEMD是一种新的噪声辅助数据分析方法，该分解方法弥补了原始EMD方法的不足。算法具体步骤如下：①对原始降水资料叠加强度很低的白噪声;

②对所叠加噪聲的降水资料进行EMD分解，得到IMF分量;

③每次叠加不同强度的白噪声，并重复①、②N次;④将叠加N次经EMD分解得到的IMF分量求和，并取其平均值，用来代表最后的IMF分量。公式如下：

式中，cj（t）表示对原始降水资料经过EEMD经验模态分解后得到的第j个IMF分量。

2 结果与分析

2.1 四川省降水时间变化特征

2.1.1 降水量年际变化特征。四川省总体年平均降水量为1 039.6 mm，最大年降水量为1 180.2 mm（出现于1998年），最小年降水量为878.1 mm（出现于2006年）。四川省各个县市年平均降水量统计结果见表1。从表1可以看出，年平均降水量最多的是峨眉山地区，为1 664.3 mm;其次是雅安地区，为1 652.4 mm。四川省中部地区年降水量相对较多，东部地区年降水量其次，西部地区年平均降水量相对较少。

图1为四川省近33年来年降水量及距平变化趋势。图1a中虚星线为年降水量实测值，实线为一元线性回归值，一元回归趋势线拟合效果通过了0.05的显著水平，说明拟合效果较好。近33年来四川省年降水量波动幅度较大，总体呈递减趋势，其气候倾向率为-22.9 mm/10 a，表示年降水量每10年减少22.9 mm左右。图1b为四川省近33年的年降水量距平以及滑动平均演变，柱状图为年降水量实测距平，虚线为5年滑动平均曲线，直线为一元线性回归拟合值。由图1可见，从5年滑动平均曲线可以看出，1993年是四川省年降水量的一个转折点。1980—1993年曲线值均大于0，说明在此期间年降水量较多;1993—2012年，曲线值以小于0为主，表明在此期间四川省年降水量较少。1980—1985年年降水量变化处于相对稳定状态，距平值以正数为主（仅1983年距平值为负），高于平均值水平，表明在此期间四川省年降水量较多。1987—1991年年降水量变化也处于相对稳定状态，距平值均为正数，说明在此期间四川省年降水量也较多。

从四川省36个站点年降水量气候倾向率（表2）可以看出，色达、马尔康、稻城、康定、西昌这5个地区气候倾向率大于0，表明每10年降水量总体呈递增趋势;其余站点年降水量气候倾向率均小于0。其中，峨眉山地区年降水量递减幅度最大，气候倾向率为-88.9 mm/10 a，表明峨眉山地区年降水量每10年减少88.9 mm;其次是宜宾地区，年降水量每10年减少65.9 mm。

2.1.2 降水量季节变化特征。

以四川省1980—2012年的四季降水量距平为变量，以年份为自变量，依次对各个序列做趋势，结果见图2。图2中柱形为季节降水量实测距平值，实线为5 a滑动平均值，虚线为一元回归方程拟合值，拟合值均通过0.05显著性水平检验。4个季节中春季降水量呈上升趋势，夏季、秋季和冬季呈现下降趋势。其中，夏季降水量下降趋势最为显著，冬季降水量下降趋势最弱。

由图1a可见，1980—1995年春季降水量以负距平为主，表明在此段时间内四川省境内降水量较低，且低于平均降水量。1995—2012年春季降水量以正距平为主，表明在此期间四川省境内降水量较高。降水量气候倾向率为3.804 mm/10 a，表示春季降水量每10 a约上升3.8 mm。从5年滑动平均看，四川省1980—1995年降水量呈波动变化，没有明显趋势，1987年、1994年前后降水量趋势达到谷值，1983年、1990年前后降水量趋势达到峰值，1995年后降水量呈现上升趋势，一直到2006年上升趋势消失，之后降水量呈下降趋势。

由图2b可见，夏季降水量在1980—1990年以正距平为主，说明在此段时间内四川省境内降水量较大，大于平均降水量。1990—2012年夏季降水量以负距平为主，说明此期间四川省境内降水量较低。降水量气候倾向率为-18 mm/10 a，表示夏季降水量每10年下降18 mm。从5年滑动平均看，四川省1980—1995年降水量一直呈下降趋势，在1995年下降趋势达到谷值，1995—2000年降水量呈上升趋势，并于2000年达到最大值，2000—2005年降水量呈下降趋势，2005年后降水量出现上升趋势。

由图2c可见，秋季降水量在1980—1995年以正距平为主，说明在此段时间内四川省境内降水量较大，大于平均降水量。1990—2012年秋季降水量以负距平为主，说明此期间四川省境内降水量较低。降水量气候倾向率为-8 mm/10 a，表示秋季降水量每10年下降8 mm。从5年滑动平均看，1980—1988年，降水量趋势呈现先下降后上升、再上升的趋势，其中1986年降水量达到最小值，1984年、1988年达到最大值;而1988—1997年降水量一直呈下降趋势，在1997年达到谷值，1997—2002年降水量呈上升趋势，2002年后呈下降趋势，并在2008年结束。

由图2d可见，冬季降水量在1980—1988年和1997—2003年以负距平为主，说明在此段时间内四川省境内降水量较小，1988—1997年和2003—2012年，冬季降水量以正距平为主，说明此期间四川省境内降水量较大。降水量气候倾向率为-0.5 mm/10 a，表示冬季降水量每10年下降0.5 mm，降水量下降趋势不明显。从5年滑动平均看，1980—1995年，降水量整体呈上升趋势，其中在1985年前后出现短暂的下降趋势;1995—2001年四川省境内降水量呈下降趋势，并在2001年达最小值;2001—2007年降水量呈上升趋势，2007年后呈下降趋势。

2.1.3 大雨日数变化特征。

根据全国一般定义，将25 mm≤日降水量≤50 mm的降水事件称为大雨。笔者以时间为横坐标，以对应年份中出现大雨的日数为纵坐标，绘制四川省大雨日数变化图（图3），图中星直线为逐年统计值，实线表示大雨日数的趋势变化，虚线表示大雨日数的拟合趋势。

图3表明，四川省大雨日数呈下降趋势，下降率为4 d/10 a，大约每10年大雨日数减少4 d。四川省1980—1995年大雨日数呈下降趋势，在1995年达到最小值;1995—2000年大雨日数呈上升趋势，并在2000年达到最大值;2000—2012年从四川省各地区大雨日数下降率统计结果（表3）可以看出，峨眉山和雅安地区大雨日数下降率分别为9.94、9.30 d/10 a。四川省中部地区大雨日数下降率较高，东部地区其次，西部地区大雨日数下降率相对较低。

2.1.4 暴雨日数变化特征。

根据日降水量超过50 mm的降水事件为暴雨的统计标准，以时间为横坐标，以对应年份出现暴雨的日数为纵坐标，绘制四川省暴雨日数变化趋势图（图4）。图4中星直线为逐年统计值，实线表示暴雨日数的趋势变化，虚线表示暴雨日数的拟合趋势。

由图4可知，四川省暴雨日数呈下降趋势，下降率为1.5 d/10 a，大约每10年暴雨日数随时间会减少1.5 d。四川省1980—1995年暴雨日数呈下降趋势，在1995年达到最小值，1995—2012年四川省暴雨日数呈上升趋势。1980—2012年四川省暴雨日数每年平均有66 d，最多为90 d，最少为47 d。

從四川省各地区暴雨日数下降率统计结果（表4）可以看出，峨眉山和雅安地区暴雨日数下降率分别为5.55、6.42 d/10 a。四川省中部地区暴雨日数下降率较高，东部地区其次，西部地区暴雨日数下降率相对较低，几乎不会出现暴雨情况。

2.2 四川省降水M-K突变检验

气候突变是指从一个平均值状态到另一个平均值状态的急剧变化过程。M-K突变检验具有样本不需要遵循一定的分布、也不受少数异常点干扰等优点。为了研究四川省年降水量突变情况，笔者用36个站逐年降水平均值来代表四川省年降水情况，对逐年降水资料进行M-K非参数检验。

从图5a四川省全省年降水量M-K统计曲线可以看出，从1992年开始UF年降水顺序统计曲线小于0，表明从1992年开始四川省年降水量开始呈递减趋势;从2006年开始UF年降水顺序统计曲线开始超出0.05显著性水平线，说明从2006年开始四川省年降水量呈显著性减少趋势;UF顺序曲线和UB逆序曲线交点约为1992年，且交点处于0.05显著性水平之内，说明交点能够通过显著性检验。因此可以得出，1992年为四川省年降水量开始突变年。

分别选取甘孜、峨眉山、巴中这3个地区的年降水量来研究四川省西部、中部、东部降水突变年情况。从图5b甘孜年降水量M-K统计曲线可以看出，1980—1989年UF年降水顺序统计曲线小于0，表明在此期间甘孜年降水量呈递减趋势;1990—2006年UF年降水顺序统计曲线大于0，表明在此期间甘孜年降水量呈递增趋势;UF顺序曲线和UB逆序曲线交于点1997年、2005年，且2个交点均处于0.05显著性水平之内，说明交点能够通过显著性检验。因此，可以得出1997年、2005年为甘孜年降水量开始突变年。

从图5c峨眉山年降水量M-K统计曲线可以看出，从1992年开始UF年降水顺序统计曲线小于0，表明从1992年开始峨眉山年降水量开始呈递减趋势;UF顺序曲线和UB逆序曲线交于点1991年，且交点均处于0.05显著性水平之内，说明交点能够通过显著性检验。因此，可以得出1991年为峨眉山年降水量开始突变年。从图5d巴中年降水量M-K统计曲线可以看出，从1984年开始UF年降水顺序统计曲线小于0，表明从1984年开始巴中年降水量开始呈递减趋势;UF顺序曲线和UB逆序曲线交于点1984年左右，且交点均处于0.05显著性水平之内，说明交点能够通过显著性检验。因此，可以得出1984年为巴中年降水量开始突变年。

2.3 四川省降水EEMD经验模态分解

使用EEMD方法，四川省1980—2012年逐年降水资料序列能够分解成4个固有模态IMF分量和一个趋势项分量r，表明四川省近33年来年降水量具有多个时间尺度特征。由图6可见，固有模态第1个IMF1分量波动幅度最大。其中，20世纪80年代初期至90年代中期波动幅度相对较小，90年代中期至21世纪00年代中期波动幅度相对较大，而后波动幅度又变小，但整体表现出2～3年的准波动周期。第2个IMF2分量波动幅度相对于IMF1分量较小，但波动较长，且在20世纪90年代初期至90年代末期波动幅度较大，其余时间内波动幅度均较小，整体表现出5～10年的准波动周期。第3个IMF3分量波动幅度相对于IMF2较小，整个波动阶段也存在5～10年的准周期，波动幅度在整个21世纪00年代相对较大，其余年代波动幅度较小。第4个IMF4分量波动幅度相对于其他3个IMF分量均较小，但波动最长，整个波动阶段存在20年左右的准周期。由图6i可以看出，趋势项r在时间尺度上呈递减趋势，表明年降水量呈逐年递减趋势。这一结论与一元线性回归方程值所求得降水气候倾向率小于0的结论相一致。

3 结论

利用1980—2012年四川省36个站点逐日降水资料，采用一元线性回归、M-K突变、EEMD经验模态分解等方法，研究了四川省降水气候时间演变规律，得出以下结论：

（1）四川省总体年平均降水量为1 039.6 mm，最大年降水量为1 180.2 mm（1998年），最小年降水量为878.1 mm（2006年）。年降水量总体呈递减趋势，每10年减少22.9 mm 左右。四川省中部地区年降水量相对较多，东部地区年降水量其次，西部地区年平均降水量相对较少。

（2）四川省降水量春季呈上升趨势，降水量每10年上升3.8 mm，夏季、秋季和冬季呈现下降趋势，降水量每10年分别减少18.0、8.0、0.5 mm。可见，四川省夏季降水量下降趋势最为显著，冬季降水量下降趋势最小。

（3）四川省大雨日数呈下降趋势，大约每10年会减少4 d，且中部地区大雨日数较多，东部地区其次，西部地区大雨日数相对较少;四川省暴雨日数统计分析得出，暴雨日数呈下降趋势，大约每10年会减少1.5 d。

（4） 四川省年降水量从1992年开始呈递减趋势，其中从2006年开始年降水量呈显著性减少趋势，且1992年为四川省年降水量开始突变年。降水序列在年际演变过程中，存在2～3年小尺度、5～10年中尺度、20年左右大尺度这3类时间尺度变化规律。根据趋势项得出四川省年降水量呈递减趋势。

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