西江流域夏季降水时空变化特征及成因分析

孙 雯，王 月，2，3*，杨聪剑，梁彬兰

(1.广西师范大学环境与资源学院， 广西 桂林 541004；2.岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室， 广西 桂林 541004；3.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室， 广西 桂林 541004)

据IPCC第5 次评估报告，近30 年的全球气温达到新高，1980—2012 年全球海陆表面气温上升了0.85℃[1]。 在气候变暖背景下，全球的降水量时空分布特征发生变化，极端天气事件频发，突发性强、危害性大[2]。 中国气候环境复杂且生态环境脆弱[3]，受季风影响显著。 因此，夏季降水量较多，且夏季降水量时空分布不均，其异常变化常常造成局部的旱涝灾害，对环境和经济的发展影响深刻。 自20 世纪60 年代以来，中国大面积的旱涝事件频繁发生[4]。 尤其是20 世纪90 年代后，旱涝灾害的受灾、成灾面积显著增多，达到了历年灾害受灾面积平均值的1.4 倍，且与全国其他地区相比，西南区主要遭受的是洪涝灾害[5]。

西江流域作为西南向海的大通道，在中国“一带一路”倡议中具有重要的地位。 由于地处亚热带季风气候区，流域的降水大部分集中于夏季，占全年降水量65%左右[6]。 集中的降水往往更易带来洪涝灾害，以广西区为例，1994 年6—7 月的多次强降雨过程使得全区90%的地区受灾，经济损失近百亿元[7]；2001 年，暴雨天气过程使流域内多条河流水面暴涨，全区受灾面积120 余万hm2，受灾人口近2 000 万人[8]。 目前，有关西江流域的降水研究多集中于径流变化、暴雨洪涝、水沙变化等方面[9-14]，也有分析西江流域降水量与区域大气环流型的关系等[15]。 直接对广西西江流域夏季降水时空变化特征及成因分析的研究仍然较少。 因此，本研究利用Mann-Kendall检验法、功率谱分析法、线性趋势法、降水重心点及标准差椭圆法，探讨西江流域夏季降水的规律及成因，这对科学地指导防灾减灾、夏季降水的预报、确保粮食安全等工作具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文选用了西江流域夏季(6—8 月)120 个站点1965—2014 年的逐日降水资料，来自于国家气候中心。 本文的研究范围为西江流域(21.6°～26.8°N、102.2°～112.8°E)，具体范围及气象站点分布情况见图1。

图1 西江流域站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall突变检验法通常用于检验时间序列数据的趋势特征，被广泛用于降水趋势检验研究。本文用此方法检验了西江流域夏季降水量的趋势及突变性。

1.2.2 功率谱分析

谱分析法将时间序列看成多种频率的波段组成，通过比较其方差大小揭示波动的主要周期特征。其中，主要方法就包括了功率谱分析法[16]。 功率谱分析法可揭示时间序列的周期，通过频率与谱密度的关系可提取降水序列的周期特征[17]。 本文利用此方法揭示了西江流域夏季降水的周期性特征。

1.2.3 经验正交分解法

经验正交函数分解(EOF)最早由Pearson 于21世纪初提出，20 世纪50 年代中期首次运用于气象学研究之中[18]。 EOF法也称主成分分析法，将把随时空变化的变量分解为空间及时间两部分函数，其中空间函数不随时空变化，时间函数只取决于时空变化[19]。 本文用此方法揭示了西江流域夏季降水的空间特征。

1.2.4 降水重心

有学者在人口重心[20]、降水侵蚀力[21]及土地利用[22]等方面利用重心模型进行分析，同时，该模型也被用作降水重心的计算[23]，在地理学内得到广泛应用。 本文利用此方法计算西江流域夏季降水逐年的降水重心点的经纬度坐标。

2 西江流域夏季降水时空变化特征分析

2.1 时间变化特征

2.1.1 年代际变化

近50 年来，西江流域夏季降水量整体上呈“先升后降，然后再上升”的波动变化，多年平均降水量为605.16 mm。 由图2 可知，在年代际上西江流域夏季降水波动变化频繁，出现了1 次较大的增加，增加时期为1980s—1990s，降水量增加115.08 mm。同时，出现了2 次非常明显的减少期(通过了α=0.05 的显著性检验)，为1970s—1980s和2000s—2010s，分别减少约79.57 mm和88.90 mm。 另外，相对于平均值及最小值来说，最大值的变化更为剧烈，例如1980s—1990s，最大值增加了221.16 mm。

图2 1965—2014 年降水量年代际变化及降水距平

在1965—2014 年间，共有27 年次降水量高于平均值，23 次低于平均值。 其距平百分率的多集中于±(10 ～20)%，部分年份高至±(30 ～40)%。 如1994 年，夏季降水量高于平均值274.41 mm，占平均值的44%；2011 年，夏季降水量低于平均值229.63 mm，占平均值的36%，降水量变化显著。

2.1.2 月变化

西江流域夏季降水主要集中在6 月，平均降水量可达241.48 mm，占夏季降水量的37.49%；8 月降水量最低，平均为189.03 mm，约占夏季降水量的29.35%。 分析西江流域夏季的每个月降水量变化率可得，6 月与7 月降水量呈上升趋势，其中6 月降水的变化率远大于7 月，为0.686，并未通过显著性检验；而8 月的降水量则呈显著下降趋势，P值为0.016，小于0.05，通过了α=0.05 的显著性检验(表1)。

表1 1965—2014 年夏季降水月分配情况及变化率

2.1.3 突变分析

利用Mann-Kendall法对西江流域夏季降水量进行突变检验，结果见图3。 从UF曲线可见，西江流域夏季降水呈现先升后降，然后再上升的特征，这与年代际变化特征分析趋势一致。 其中，呈波动上升趋势的是在20 世纪60 年代，20 世纪80 年代末到20 世纪90 年代有明显的减少趋势，而从21 世纪开始又呈上升趋势。 其中，20 世纪90 年代的减少趋势通过0.05 的显著性水平检验。 降水量分别在1972、1975、1993 年和2009 年发生突变。 其中，在1993 年突变前有明显的减少趋势，后又显著上升。

图3 西江流域夏季降水M ann-Kendall曲线

2.1.4 周期性分析

利用快速Fourier变换及频谱分析的方法，大致分析1965—2014 年西江流域夏季降水的周期。 由计算结果及图4 可得，周期长度为2.909，Fisher统计量为0.183 9。 即近50 年来，西江流域夏季降水的周期大致为3 a。 查阅Fisher临界值表可知，取α=0.05，r=1 时，g0.05(25，1) =0.228 05，该值大于g1=0.183 9，因此并未通过显著性检验，该周期并不显著。

图4 降水变化曲线图及其对应的频谱

2.2 空间分布特征

2.2.1 多年平均降水空间特征

利用经验正交分解方法探究近50 年来西江流域夏季降水空间分布特征。 将西江流域夏季降水量进行经验正交分解，得出各个主成分，其中前5 个模态的方差贡献率见表2。 第一模态及第二模态的方差贡献率较高，第三模态及以后的方差贡献率较低，又第一、第二模态的累计方差贡献率达到了52.92%，故前2 个模态可以较好地体现西江流域夏季降水的多年平均空间特征。

表2 EOF前5 个模态方差贡献率及累计方差贡献率

由图5a可知，模态一的空间方差贡献率达到了40.1%，且整个西江流域的模态值都为正，体现了西江流域夏季降水在空间变化上具有较好的一致性。其中，高值中心主要位于“柳南区—柳江县—鹿寨县”一带；低值区位于“富源县—盘州市—蒙自县—峨山彝族自治县”一带。 因此，西江流域东部的夏季降水变化程度大于西部地区。 由图5b 可知，模态二的贡献率为12.82%，累计贡献率为52.92%，且西北部为正值，东南部为负值，呈西北—东南反向分布。 同时，高值区位于晴隆县—贞丰县，在镇宁布依族苗族自治县也有分布；低值区位于容县—岑溪市一带，在平南县、连山瑶族自治县也有分布。

图5 西江流域夏季降水EOF分解的特征向量

2.2.2 多年逐月平均降水空间特征

西江流域夏季不同月份的降水量也表现出不同的空间特征，见表3 和图6。 从表3 可以看出，6—8月的第一模态的方差贡献率分别为36.20%、42.58%、44.24%；第二模态的方差贡献率为9.42%、13.97%、11.85%，第二模态之后的数值逐渐偏小。且6—8 月的第一模态与第二模态的累计方差贡献率分别为45.62%、56.55%、56.09%，可以很好地体现这3 个月份的降水空间特征。

图6 分月EOF分解的特征向量

表3 各月方差贡献率及累计方差贡献率

由图6 知，在6—8 月中，第一模态的特征向量几乎都为全部正值或负值，基本上可体现各月份的降水空间特征为全区一致性。 其中，6 月份的高值中心位于象山县以及蒙山县—昭平县一带，低值区中心位于富源县—盘州市及平塘县—独山县一带；7月份的高值中心位于富源县、罗平县及江川县—华宁县，低值中心位于都安瑶族自治县—马山县及三江同族自治县—灵山县一带；8 月份的高值中心位于凌云县—凤山县及巴马瑶族自治县、金秀瑶族自治县，低值中心位于上林县、富源县、镇宁布依族苗族自治县等地。 综上，6 月及8 月的高值中心较为一致，均位于西江流域中东部，7 月则刚好相反。

同时，该3 个月第二模态的特征向量均为正负反向分布。 6 月，正值区位于“宾阳县—龙州县—扶绥县—容县”一带，负值区位于“镇宁布依族苗族自治县—望谟县—山都水族自治县”等地；7 月，正值区位于“金秀瑶族自治县—横县及桂平市”，负值区位于“长顺县—晴隆县—镇宁布依族苗族自治县—关岭布依族苗族自治县”等地；8 月，正值区位于“罗平县—晴隆县—镇宁布依族苗族自治县—紫云苗族布依族自治县”一带，负值区位于“上思县—岑溪市—容县—新兴县”一带。

综上所述，6—8 月的分布型都为西北—东南反向型。 其中，6 月与8 月的分布型最为相似，而7 月的正负值则与其余2 个月份相反。

2.2.3 降水重心点的移动

1965—2014 年间，西江流域夏季降水重心基本分布在广西区西北部地区，经纬度坐标范围分别处在107°09′～108°04′E、24°05′～24°33′N(图7)。进一步分析其降水重心空间分布的变化趋势，利用ArcGIS 的标准差椭圆工具，创建了50 个降水重心点的一级标准差椭圆。 结果显示，其标准差椭圆的方向为96°，说明降水重心大致呈东西向分布，略微向南北向偏移。 同时，其标准差椭圆长轴位于西北—东南方向，长度约32 km，短轴处在东北—西南方向，长度约为9 km，二者之比大约为3，说明降水重心点在西北—东南方向上的离散性大于东北—西南向。

图7 1965—2014 年西江流域夏季降水重心位置及移动轨迹

利用Mann-Kendall检验及线性趋势法，进一步分析西江流域夏季降水重心的经度及纬度坐标变化趋势发现:降水重心经度呈微弱增大趋势，趋势线斜率为0.004 3，降水重心纬度呈微弱减小趋势，变化趋势很小，趋势线斜率为-0.000 4，均未通过显著性检验。 由此可看出，近50 年来，西江流域夏季降水重心有微弱的向东南迁移的趋势。 降水重心会趋向于分布在降水偏多的区域[24]，这意味着以后东南区的降水则会逐渐增多。 同时，1965—2014 年间，有个别年份的变化幅度较明显，如20 世纪80 年代末至90 年代初，有多个年份降水重心向西及西南方向偏移，与80 年代末发生的大气环流调整从而降水发生了突变有一定关系[25]，但具体原因还需进行进一步研究。

3 成因分析

3.1 南亚高压

由上述分析可知，20 世纪90 年代前后，降水量发生了一次突变，由减少趋势突然上升。 这是由于1979—1992 年期间，200 hPa处南亚高压东伸脊点的位置向东偏移，西太平洋副高的位置则呈现向西偏移的现象，故华南地区的对流层辐散(低层)、辐合(高层)异常，因此华南地区上空为高压系统，故雨量减少[26]。 在20 世纪90 年代之后，情况则恰好相反。

3.2 ENSO(El Niño-Southern Oscillation，厄尔尼诺-南方涛动事件)与PDO(Pacific Decadal Oscillation，太平洋年代际振荡)

据图2 可知，1994 年西江流域夏季降水大幅度增加，而2011 年降水则大幅度减少。 据气象行业标准(QT/T 370—2017) 对厄尔尼诺及拉尼娜事件的定义可知，1994 年为一次中等强度的厄尔尼诺年，2011 年为一次中等强度的拉尼娜年。 厄尔尼诺事件的当年夏季，低纬度菲律宾群岛周边海域及印度洋的蒸发增强，可输送来自孟加拉湾、阿拉伯海以及西北太平洋的水汽，造成华南地区降水偏多[28]，拉尼娜现象与厄尔尼诺带来的影响则相反。 同时，当PDO的正位相时可以增强厄尔尼诺发展年的夏季热带中东太平洋暖海温异常信号，从而使厄尔尼诺对降水的影响得到加强[29]。

3.3 地形地貌特征

降水量深受下垫面特征的影响，尤其是地形地貌的影响。 根据图8 可知，西江流域山系众多，河网纵横复杂。 将海拔高程图与降水量分布图对比可知，流域西部受高大地形影响，降水量分布不均。 夏季，西南及华南地区盛行来自于印度洋的西南季风，但是由于中部地区山系阻挡，故西江流域偏北部地区降水偏少。

图8 西江流域高程(m)与降水量(mm)分布

3.4 气温特征

总体上，西江流域气温呈现由西南向东北递减的纬度地带性[9]。 将西江流域夏季降水量与夏季平均气温的做相关性分析，发现有6 个站点的相关系数大于0，即呈正相关，但并未通过显著性检验。其余站点的相关系数皆小于0， 且绝大部分(82.5%)都通过了α=0.01 或α=0.05 的显著性检验。

西江流域大部分地区气温与降水呈负相关关系，夏季气温越高，降水量越低(图9)，这与高沫针对广西气温与降水相关性研究的结论相同[30]。 其中，东部及东北部地区受气温影响更为明显，西北及北部地区的夏季降水受气温影响较小。 但是，西北部及北部有少部分地区如富源县、普安县、盘州市、山都水族自治县、邕宁区等地的降水和气温还呈正相关关系，即夏季气温对此地区夏季降水起促进作用，气温越高，降水量越大。 总体来看，西江流域夏季气温对降水量起阻碍作用。

图9 西江流域夏季降水量与夏季平均气温的相关系数

4 结语

通过Mann-Kendall检验、线性趋势法、功率谱分析法、降水重心点及标准差椭圆法，对西江流域1965—2014 年夏季降水量的突变性、趋势性、周期性，分析空间上的分布、变化规律及成因进行定量分析，研究结果表明。

a)流域夏季的降水量整体上呈“先升后降，然后再上升”的波动变化。 相对于平均值及最小值来说，降水量最大值的变化更为剧烈。

b)在空间分布上，流域东部的夏季降水变率大于西部地区。 在时间分布上，6 月及8 月的高值中心均位于流域的中东部，而7 月则恰好相反。

c)1965—2014 年间，西江流域夏季降水重心的大致呈东西向分布且降水重心有微弱的向东南迁移的趋势。

d)受地形地貌、南亚高压、气温、ENSO以及PDO的共同影响，西江流域夏季降水复杂多变；总体上，在南亚高压、ENSO正位相以及PDO正位相影响下，西江流域降水量增加，而大部分地区气温与流域的夏季降水呈负相关关系。