近60年宁德市降水时空变化及分布特征

周 飒，胡伦善

（福建省宁德市气象局，福建 宁德 352100）

降水是受全球气候变暖影响较大的气象要素[1].相关研究表明，全球气候变暖加速了地球系统的水循环，在2000 年前的100 年里，全球总降水有增加的趋势，但在干旱和半干旱地区有所减少，酷热、干旱和洪涝等极端气候事件增加[2].关于中国的降水，国内诸多学者采用不同的方法，对全国或部分地区的降水量时空分布特征及其演变趋势进行了多角度分析，取得了很多研究成果[3-10].徐东坡等[11]研究了1956—2018 年中国降水特征的时空分布规律，结果表明，1956—2018 年中国降水量呈现不显著增加趋势，在整个系列年中无显著突变点，且仅存在以20 a 为周期的一级主周期.王小玲等[12]对中国不同强度级别降水变化趋势的研究表明，1957—2004年，华东地区降水量有明显的增多趋势，年降水频率呈减少趋势，平均降水强度增加，这主要是由极强降水频率的增大引起的.潘敖大等[13]研究长江三角洲近1961—2006年气温和降水的变化趋势，认为在该时间段，长江三角洲降水总量没有明显的变动，但是不同季节降水量变化较大，夏、冬季降水量上升，而春、秋季降水量减少，这与太平洋海温、东亚大气环流特征的变化有很大的关系.张成娟等[14]研究发现，福建省1961—2006 年降水量总体上呈增大趋势，特别是夏季(7、8月)降水增加最为明显，其次为春季和冬季，秋季降水量却呈减少趋势.

前人的研究表明，不同地理单元和区域的降水，在时间和空间上的变化是不均一的，且研究结果受到时间和空间尺度影响.因此，在不同区域范围内理解降水变化特征，对于采取气候变化的适应性对策具有重要价值.鉴于此，本研究基于1960—2019 年宁德市9 个县市区国家级气象站的逐日降水资料数据，分析该市年、季、月时间尺度降水的趋势性、突变性等演变特征，并确定降水特征在空间上的分布规律，以期为区域水资源适应性管理、生态环境建设和防灾减灾工程等提供参考依据.

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区福建省宁德市，位于福建省东北部，东邻东海，西邻武夷山，地理坐标为26º18′N～27º40′N，118º32′E～120º44′E.该市下辖4 个沿海县市区（福鼎市、霞浦县、福安市、蕉城区）和5 个山区县（寿宁县、周宁县、屏南县、古田县、柘荣县），全市陆地面积13 452 km2，海域面积44 600 km2，海岸线长达1 000多km.地形以丘陵山地兼沿海小平原相结合为特点，鹫峰山和太姥山二条山脉呈东北—西南走向分别斜贯西北部和中北部，千米高峰连绵，其中最高峰为寿宁的山羊尖，海拔1 649 m.宁德市气候属中亚热带海洋性季风气候，温暖湿润，四季分明，常年平均气温15.1～19.6 ℃，降水量1 415.7～2 086.4 mm.宁德市9 县（市、区）的地理位置和气象站点分布如图1所示

图1 宁德市9 县（市、区）的地理位置和气象站点(圆点)分布

1.2 资料来源

研究资料取自宁德市气象局气象资料数据库.资料包括宁德市下辖的福安市、福鼎市、蕉城区、霞浦县、寿宁县、周宁县、柘荣县、屏南县、古田县等9 个县（市、区）国家级气象站，1960—2019 年的逐日降水资料数据，个别年份降水资料缺测值采用5 d滑动平均法进行插补[15].

1.3 研究方法

1.3.1 线性倾向估计法 线性倾向估计法是气候统计学上常见的气候序列变化趋势诊断法，其表达方式为

式（1）中，xi是样本为n的气候变量;ti是xi所对应的时间；a是回归常数；b是回归系数，也叫趋势倾向值.a、b用最小二乘法求得，b＞0，说明xi随ti呈上升趋势；b＜0，说明xi随ti呈下降趋势.并利用xi与ti线性相关系数r来判断变化趋势的显著性，确定显著性水平α，根据样本数n查找相关系数临界值表得到rα，若r＞rα，则xi随ti的变化趋势在α水平上是显著的，否则变化趋势不显著[16].

1.3.2 Mann-Kendal 突变检验法 运用matlab 软件系统计算降水要素的Mann-Kendall 统计量，并绘制突变检验图.

在气候序列平稳的前提下，设气候序列为x1,x2,x3,…,xn,mi表示第i个样本xi大于xj(1 ≤j≤i)的累计数，可以定义统计量，则有

并将dk标准化为

所有u(dk)将组成一条曲线C1，把此方法引用到反序列中，得到另一条曲线C2，若C1 和C2 两条曲线出现交点，且在临界值之间，则交点对应的时刻便是突变开始的时刻，若交点位于临界值之外或者有多个明显的交点，则不确定是否为突变点.C1或C2大于0，则表示序列呈上升趋势，小于0则呈下降趋势.当它们超过临界值时，表示上升或下降趋势显著.具体计算详见文献[17].

1.3.3 四季划分 四季划分采用自然天气季节划定.自然天气季节是根据天气气候特点划定的季节，从环流形势、天气过程和要素的转折，划定宁德市的自然天气季节[18]：3—6月为春季，7—9月为夏季，10—11月为秋季，12月至次年2月为冬季.

2 实验结果与分析

2.1 降水的时间分布及变化

2.1.1 年降水量的变化 近60 a宁德市年降水量的年际和年代际变化趋势如图2所示.从图2可见，全市平均年降水量为1 811.1 mm，年降水量最大值为2 541.8 mm（2016 年），年降水量最小值为1 148.8 mm（2003年），两者相差1 393.0 mm，最大值是最小值的2.21倍，年降水量的年际变化波动大.年降水量的气候倾向率为23.737 mm∕10 a，未通过0.05 的显著性水平检验，表明近60 a 宁德市年降水量呈不显著增加趋势.

图2 1960—2019年宁德市年降水量的年际、年代际变化趋势

由年降水量的年代平均值变化趋势可见，从1960—2019年的6个年代中，仅20世纪90年代（1990—1999年）和21世纪10年代（2010—2019年）的降水量年代平均值为正距平，其余4个年代均为负距平.从20 世纪60 年代至21世纪00年代的5个年代，各年代的平均降水量波动不大，其振幅与60 a平均降水量的距平百分率均在±32%以内，但21世纪第一个10 a的平均降水量有较大幅度上升，其与60 a平均降水量的距平百分率升幅约为6.5%，表明近60 a宁德市各年代降水量总体变化幅度相对小.

2.1.2 季降水量的变化 近60 a 宁德市春、夏、秋、冬四季降水量逐年变化趋势如图3所示.从图3可见，春季降水量的气候倾向率为-5.58 mm∕10a，相关系数R=0.057，未通过0.05显著性水平检验，表明，春季降水量呈不显著下降趋势.夏、秋、冬三季降水量与年降水量的变化趋势相同，均呈上升趋势，其气候倾向率分别为14.816、6.018、8.487 mm∕10a，相关系数均未通过0.05显著性水平检验.表明，夏、秋、冬3季降水量均呈不显著增加趋势.

图3 1960—2019年宁德市四季降水量变化趋势

统计春、夏、秋、冬四季降水量的变异系数，分别为：春季0.201、夏季0.288、秋季0.497、冬季0.407.表明，四季降水量的年际变化波动大，其中，秋季降水量变异系数最大，说明秋季降水量相对最不稳定；春季降水量变异系数最小，说明春季降水量相对最稳定.

近60 a宁德市各年代四季降水量及占比的统计结果如表1所示.从表1可见，宁德市降水主要集中在春、夏两季，这两季降水量之和占年降水量的81%，秋、冬两季降水量之和仅占年降水量的19%.从各年代四季降水量占年降水量的比例来看，春季降水量占比从20世纪60年代至90年代基本保持平稳，从21 世纪00 年代至10 年代，降水量占比呈下降态势，降幅约5%；而夏季降水量占比从20 世纪60 年代至90 年代也基本保持平稳，从21 世纪00 年代至10 年代，降水量占比呈小幅上升态势，升幅约3%；秋季降水量占比从20 世纪60 年代至80 年代呈逐年代增加趋势，20 世纪90 年代降水量占比回落至最低谷，之后直至21 世纪10 年代，降水量占比呈逐年代增加趋势；冬季降水量占比峰值出现在20 世纪90 年代，1990—2019年的3个年代降水量的占比，高于1960—1989年的3个年代的占比，冬季年代降水量占比总体呈增加趋势.

表1 1960—2019年宁德市各年代四季降水量及占比

2.1.3 月降水量的变化 近60 a 宁德市月平均降水量及其气候倾向率的月际分布情况如图4所示.从图4可见，1—6月的月平均降水量呈逐月增加趋势，8—12月的月平均降水量呈逐月减少趋势.月平均降水量最大值出现在6 月，为283.2 mm，最小值出现在12 月，为50.0 mm，最大值是最小值的5.7倍.月平均降水量的气候倾向率月际变化差异大，1 年中，1、2、3、7、8、9、11和12 月这8 个月的气候倾向率为正值；4、5、9、10 这4 个月的气候倾向率为负值.气候倾向率最小值出现在5 月，次小值出现在9 月，倾向率分别为-10.732、-6.709 mm∕10 a；气候倾向率最大值出现在7 月，其次是8 月和6 月，倾向率分别为12.297、9.226、8.407 mm∕10 a.表明，降水增长主要集中在6—8月.

图4 1960—2019年宁德市月降水量及其气候倾向率的月际分布

2.1.4 年降水日数的变化 按照气象学的定义，日降水量≥0.1 mm即为一个降水日.近60 a宁德市年降水日数的年际和年代际变化趋势如图5所示.从从图5可见，年降水日数的年际变化波动大，全市平均年降水日数187 d，年降水日数最大值232 d（1975 年），年降水日数最小值134 d（2003 年），两者相差98 d.年降水日数的气候倾向率为-5.984 d∕10 a，相关系数通过了0.05 的置信水平检验.表明，年降水日数呈显著减少趋势.

图5 1960—2019 年宁德市年降水日数的年际和年代际变化趋势

从年降水日数的年代际变化看，20 世纪60 年代和70 年代，年降水日数的年代平均值高于60 a 总平均值，20 世纪80 年代开始至21世纪10 年代，各年代的年降水日数平均值均低于60 a 总平均值.年降水日数年代平均值最大值206 d（20世纪70年代），最小值166 d（21世纪00年代），两者相差40 a.

2.1.5 降水要素的突变检验 1）年平均降水量的突变检验.近60 a 宁德市年平均降水量的Mann-Kendall 突变检验结果如图6所示.从图6可见，年平均降水量的UF曲线和UB曲线在±1.96 临界线之间共有6 个交点，且每个交点之后UF曲线或UB曲线均未超出±1.96临界线，即未通过0.05的置信水平检验，表明，近60 a宁德市年降水量未发生气候突变.

图6 1960—2019 年宁德市年降水量的Mann-Kendall突变检验

2）四季平均降水量的突变检验.近60 a宁德市春、夏、秋、冬四季降水量的Mann-Kendall突变检验统计结果（图7）显示：春季（图7（a））和冬季（图7（d））降水量的UF曲线和UB 曲线在±1.96 临界线之间有多个交点，且交点之后UF曲线或UB 曲线均未超出±1.96临界线，表明，春、冬两季降水量均未发生气候突变.夏季（图7（b））降水量的UF曲线和UB 曲线在±1.96临界线之间有1个交点，出现在2003年，但交点之后UF曲线或UB 曲线均未超出±1.96临界线，即未通过0.05的置信水平检验.表明，夏季降水量也未发生气候突变.秋季（图7（c））降水量的UF曲线和UB 曲线在±1.96临界线之间共有3个相交点，分别相交于1961年、1962年和2006年.由于1961年、1962年的交点接近序列的起始边界，进行了剔除处理，2006年的交点之后UF曲线或UB 曲线均未超出±1.96临界线，表明，2006年的交点也不是突变点，秋季降水量未发生气候突变.

图7 1960—2019年宁德市四季降水量的Mann-Kendall突变检验

3）年平均降水日数的突变检验.近60 a 宁德市年降水日数的Mann-Kendall 突变检验统计结果（图8）显示：年降水日数的UF 曲线和UB 曲线在1985 年相交，且交点处在±1.96 临界线之间，两曲线相交之后，UF曲线超出-1.96临界线，UB 曲线超出1.96临界线，说明，年降水日数下降趋势显著，通过了0.05置信水平检验.表明，年降水日数在1985 年发生了气候突变，即年降水日数从1985 年之前的平均200.4 d变化为1985年之后的平均176.4 d.

图8 1960—2019年宁德市年降水量日数的Mann-Kendall突变检验

2.2 降水的空间分布及变化

2.2.1 年平均降水量与倾向率 近60 a宁德市年平均降水量及其气候倾向率的空间分布情况如图9所示.

图9 1960—2019年宁德市年降水量及其气候倾向率的空间分布

1）年平均降水量.各地年平均降水量为1 598.8～2 086.4 mm，其空间分布总体呈现由西北部向东南部逐渐减小的趋势.年平均气温降水量的高值中心位于柘荣和周宁、蕉城一带，降水量在2 000 mm 以上，最大值出现在1962年的周宁县，降水量2 924.7 mm；次高值中心位于北部的寿宁县，降水量为1 900～2 000 mm.低值中心位于东部沿海的霞浦县，降水量在1 400 mm 以下，最小值出现在2003 年，降水量770.7 mm；次低值中心位于中东部的福安市和西南部的古田县，降水量为1 500～1 600 mm.西部的屏南县和东北部的福鼎市降水量居中，为1 700～1 900 mm.造成这种分布特征的主要原因是地形的阻挡及动力爬坡作用[19].鹫峰山和太姥山二条山脉分别斜贯西北部和中北部，其对气流的阻挡作用表现在，雨季锋面移动至西部时往往减速或静止，造成西北部的暴雨天气形势；而夏季台风影响时受中北部山带的阻挡，动力爬坡使得迎风坡降水明显加大.

2）倾向率.各县市区年降水量倾向率为4.110～39.706 mm∕10 a，其空间分布总体呈现由北向南逐渐减小的趋势.倾向率的高值区位于柘荣、寿宁、福安一带，倾向率＞39.0 mm∕10 a，年降水量线性增加234.0 mm 以上.倾向率的低值中心（4.110 mm∕10 a）位于蕉城，年降水量线性增加不足25.0 mm.总体上，北部、西部降水相对充足的县域其增加速率最高，东部、西南部降水相对偏少的县域其增加速率最低.但福安和蕉城两地则出现相反的现象，福安是降水相对偏少区，其降水倾向率却高达39.259 mm∕10 a，蕉城是降水相对充足区，却是降水倾向率的低值中心.这样的分布特征，预示着未来福安的降水可能会呈现增加趋势，而蕉城的降水将可能呈现减缓趋势.

2.2.2 四季降水量与倾向率 近60 a 宁德市春、夏、秋、冬四季降水量及其气候倾向率的空间分布如图10所示.

图10 1960—2019年宁德市四季降水量及其气候倾向率的空间分布

1)春季.各地春季平均降水量为670.6～995.6 mm，其空间分布总体呈现从西北向东南逐渐减少的趋势.降水量高值区位于屏南、周宁、寿宁一带，平均降水量在900 mm 以上，最大值出现在1962 年的屏南县，降水量1481.2 mm；降水量低值区位于霞浦、福鼎一带，平均降水量在750 mm以下，最小值出现在2018年的霞浦县，降水量仅339.0 mm；柘荣、福安、蕉城、古田为降水量中值区，降水量在800～900 mm之间.

从春季平均降水量倾向率的空间分布看，福安、福鼎两地的降水量呈增加趋势，倾向率在5.213～6.485 mm∕10 a 之间，其余各县的降水量均呈减少趋势，倾向率在-23.440～-0.729 mm∕10 a 之间.倾向率的高值中心（6.485 mm∕10 a）位于福安，60 a 间福安春季平均降水量线性增加38.9 mm；倾向率的低值中心（-23.440 mm∕10 a）位于蕉城，60 a间蕉城春季平均降水量线性减少了140.6 mm.

2)夏季.各地夏季平均降水量为400.7～846.7 mm，降水量高值区位于柘荣和周宁、蕉城一带，降水量在730 mm 以上，最大值出现在1990 年的柘荣县，降水量达1476.1 mm；低值区位于西南部的屏南、古田一带和中东部的福安、霞浦一带，降水量在520 mm 以下，最小值出现在1995 年的古田县，降水量仅190.8 mm；中值区位于北部的寿宁和东北部的福鼎一带，降水量在650～680 mm之间.

各地夏季平均降水量均呈增加趋势，降水量倾向率在4.707～26.206 mm∕10 a 之间.倾向率的高值中心（26.206 mm∕10 a）位于寿宁县，60 a 间寿宁夏季平均降水量线性增加了157.2 mm；降水倾向率的低值中心（4.707 mm∕10 a）位于霞浦县，60 a间霞浦夏季平均降水量线性增加仅28.2 mm.

3)秋季.各地秋季平均降水量为101.5～172.4 mm.秋季平均值降水量的空间分布与夏季相似，高值区位于柘荣和周宁、蕉城一带，平均降水量在160 mm 以上，最大值出现在2016 年的蕉城区，降水量达441.1 mm；低值区位于屏南、古田一带和福安、霞浦一带，平均降水量在130 mm以下，最小值出现在1983年的霞浦，降水量仅9.0 mm；中值区位于寿宁、柘荣、福鼎一带，降水量在140～160 mm之间.

各地秋季平均降水量均呈增加趋势，降水量倾向率在1.936～8.818 mm∕10 a之间.倾向率的高值中心（8.818 mm∕10 a）位于霞浦县，60 a 间霞浦秋季平均降水量线性增加52.9 mm；低值中心（1.936 mm∕10 a）位于福鼎市，60 a间福鼎秋季平均降水量线性增加仅11.6 mm.

4）冬季.各地冬季平均降水量为170.4～245.2 mm，其空间分布大致呈现由西向东逐渐减少的趋势.高值区位于蕉城、屏南、周宁、寿宁一带，降水量在220 mm 以上，最大值出现在2012年的蕉城区，降水量539.1 mm；低值区位于福鼎、霞浦、福安一带，降水量在190 mm 以下，最小值出现在1963年的霞浦县，降水量39.9 mm；柘荣、古田两地为中值区，降水量在200～210 mm之间.

各地冬季降水量均呈增加趋势，降水倾向率在7.107～10.339 mm∕10 a之间.倾向率高值中心（11.330 mm∕10 a）位于柘荣县，60 a 间柘荣冬季平均降水量线性增加了62.0 mm；低值中心（7.107 mm∕10 a）位于屏南县，60 a间屏南冬季平均降水量线性增加仅11.6 mm.

2.2.3 年降水日数与倾向率 近60 a 宁德市年降水日数及其气候倾向率的空间分布图（图11）显示：各地的年降水日数在154～219 d 之间，其空间分布大体呈现由西北向东南逐渐减少的趋势.年降水日数的高值区位于周宁、寿宁、柘荣一带，年降水日数在200 d 以上，最大值出现在1977 年的周宁县，年降水日数达286 d；年降水日数的低值区位于福鼎、霞浦、福安一带和西南部的古田县，年降水日数在171 d 以下，最小值出现在2003 年的霞浦县，年降水日数仅111 d；年降水日数的中值区位于屏南、蕉城一带，年降水日数在180～200 d之间.

图11 1960—2019年宁德市年降水日数及其气候倾向率的空间分布

各地的年降水日数均呈减少趋势，倾向率在-11.966～-1.732 d∕10 a 之间，其空间分布大体呈现由西北山区向东南沿海逐渐增大的趋势.倾向率的高值中心（-1.732 d∕10 a）位于福鼎市，年降水日数线性减少10.4 d，低值中心（-11.966 d∕10 a）位于柘荣县，年降水日数线性减少71.8 d.

综上分析可见，宁德市降水量和降水日数的变化具有波动性和阶段性特征，年降水量的增加速率和年降水日数的减少速率在时空分布上具有一致性，从长期趋势来看，未来该市年降水量将缓慢增加，年降水日数将持续减少，日降水强度将进一步增强，发生极端降水事件的概率可能增多，发生洪涝灾害的风险增加.同时，由于年降水日数的持续减少，该市发生阶段性干旱的可能性将增大.

3 结论与讨论

利用宁德市9 个国家级气象站1960—2019 年的降水资料数据，分析了近60 a 该市降水的时空分布演变特征，得到以下主要结论：

1）宁德市各地年降水量为1 598.8～2 086.4 mm，全市平均1 811.1 mm；年降水量的气候倾向率为23.737 mm∕10 a，线性变化呈不显著增加趋势.降水主要集中在春、夏两季，春、夏两季降水量之和占年降水量的81%，秋、冬两季降水量之和占年降水量的19%.四季降水量的线性变化，春季呈不显著减少趋势，夏、秋、冬三季均呈不显著增加趋势.降水的月际分布严重不均，月降水量最大值（6月）是最小值（12月）的5.7倍，气候倾向率最大值出现在7月，其次是8月和6月，降水增长主要集中在6～8月.

2）宁德市各地的年降水日数为154～219 d，全市平均187 d；年降水日数的气候倾向率为-5.984 d∕10 a，线性变化呈显著减少趋势.年降水日数在1985年前后有一个突变点，突变发生前后平均年降水日数从200.4 d下降至176.4 d.

3）宁德市年降水量和年降水日数的空间分布差异大，最大值和最小值之比分别为1.30倍和1.42倍，二者均呈现从西北山区逐渐向东南沿海减少的分布特征.四季降水量的空间分布，春、冬两季降水量西北部多东南部少，夏、秋两季降水量中部多东、西部两端少.

4）宁德市年降水量呈不显著增加趋势，而年降水日数却呈显著减少趋势，从长期趋势来看，未来该市年降水量将缓慢增加，年降水日数将持续减少，日降水强度将进一步增强，发生极端降水事件的概率将增多，洪涝灾害的风险增加.同时，由于年降水日数的持续减少，该市发生阶段性干旱的可能性将增大.

宁德市降水量空间变化与该市地形自然环境及大气环流状况有密切联系.影响降水的因素众多，当地鹫峰山脉和太姥山脉是影响降水量分布的主要因子，同时由海上而来的水汽是影响降水的重要因子，该结论与黄婕等[20]、陈丽娟等[21]、王亚琼等[22]在相关研究中得到的福建省整体降水分布的结论基本一致.旱涝灾害的发生与降水量存在一定的关系，因此，了解区域降水变化规律，因地制宜采取应对措施就显得十分重要.从研究结果来看，针对宁德市降水变化的应对措施，在空间尺度上，该市西北部山区降水相对丰厚，应重点关注防洪排涝工程设施的建设，做好防御洪涝灾害工作；该市东南沿海区域降水相对匮乏，应重点关注蓄水、节水和人工增雨等抗旱工作.在时间尺度上，秋、冬两季要做好抗旱工作，夏季则要做好防洪减灾工作.总之，水资源管理者可根据宁德市的降水时空变化规律和分布特征，对当地水资源进行科学调度和合理开发利用，以保障国民经济的可持续发展.