闵行区56年降水特征及小波分析

陈娟 上海市闵行区水文站

1.资料与方法

1.1 研究资料

采用历年水文年鉴及闵行区水文站资料整编成果，重点选取辖区内4个雨量站点作为代表站，即闸港、大治河西闸、淀浦河东闸、北桥测站，根据1963～2018年共56年逐日降水量数据进行分析计算。

1.2 分析方法

（1）趋势分析法。判别分析资料时间序列中的趋势变化和倾向率。

（2）Mann-Kendall检验方法

对于统计量Z，大于0时是上升趋势，小于0时是下降趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时，分别表示通过了信度90%，95%，99%的显著性检验。

表1 闵行市年降水量M-K法统计量及变化

（3）小波分析。小波分析技术(wavelet analysis,WA)在傅里叶变化的基础上发展而来，很好地克服了传统谱分析方法的缺点，它采用一种窗口大小可变、位置可动的变窗进行谱分析，从而满足了信号时、频局部化的要求(Fou-foula-Georgiou et al,1994;Percival et al,2000)。小波分析被广泛应用于信号处理、图像压缩、模式识别、数值分析和大气科学等众多的非线性科学领域。小波基函数具有可快速衰减至0震荡等特性，可表示为。小波变换分为连续小波变换和离散小波变换，其中连续小波变换更适合离散信号特征的提取。本文采用morlet连续小波变换。

2.结果与分析

2.1 降水年际变化及趋势分析

1963～2018年闵行区年降水量变化曲线和5年滑动平均曲线见图1。从图中可以看出，闵行区降雨量呈现频繁波动、高低错落的形态，5年滑动平均和10年滑动平均均显示降水增加趋势，因此总体降水量呈增加趋势。

通过最小二乘法得出闵行区年代与降雨量的线性关系，y=6.8288x+938，R2=0.2068。可以看出，闵行区年降水量曲线呈现上下波动形态，年际变化总体呈现上升趋势，倾向率68.3mm/10a，相关系数为0.21。

表1给出了闵行区根据 1963年以来的年降水数据采用M-K法计算的统计量及UF和UB变化趋势结果。从计算结果来看，闵行区1963-1972年呈现下降趋势，1989-2018年呈现显著上升趋势，突变年份分别为1976、1977、1980、1981年。

2.2 降水月分布及分析

图1 1963～2018年闵行区年降水量变化曲线和 5 年滑动平均曲线

图2 降水量年内分配过程

图2为闵行区多年月降雨量。可以看出，闵行区降水量的年内分配四季分明，不均匀性强，全年降水主要集中在3～9月，6月降水量最大，汛期（6～9）多年平均降水567.9mm，占全年平均降水的50.1%。

通过表2可以清楚看到闵行区降水的年内分配特征：降水量最多为6月，多年平均值为174.3mm,占全年降水量的15.4%；最小为12月，多年平均值仅为41.5mm，仅贡献了全年降水量的3.7%。1-12月变差系数在0.39-0.97之间浮动，最大为10月的0.97，说明10月雨量年际变化最大，年际分配最不均匀。可以看到10月降水最大值为2016年的306.8mm，最小为1979年的0.0mm，整月无雨；变差系数最小为4月的0.39，说明4月年际变化差异最小。

2.3 周期分析

闵行区1963～2018年年降雨量的morlet小波变化实部的时频变化如图3。小波系数实部等值线图能反映年降雨量不同时间尺度的周期变化在其时间域中的分布。从图3可以看出，在年降雨量变化过程中存在着43～47年，24～28年，5～8年3类尺度的周期变化规律。其中，在43～47年时间尺度上出现了丰-枯交替的准震荡；在24～28年时间尺度上存在准2次震荡。这两个时间尺度的周期变化在整个分析时段表现的很稳定，具有全域性；相比较而言，5～8年时间尺度变化周期不是很稳定。

分析闵行区年降雨量变化的第一和第二周期小波系数，可以得出，在45年特征时间尺度上，闵行区年降雨量的平均变化周期为53年左右，约1个周期的丰-枯变化；在27年特征时间尺度上，闵行区年降雨量的平均变化周期为25.5年左右，约2个周期的丰-枯转换期。

表2 1963～2018年闵行区月降水量和变差系数

图3 闵行区年降水量morlet小波系数实部等值线

3.结论

通过对闵行区56年降水资料的分析研究表明：

（1）闵行区1963～2018年以来，年降水频繁波动、高低错落的形态，但总体呈现上升趋势，其增长率约为68.3mm/10a。

（2）采用M-K检测法，闵行区1963-1972年降水呈现下降趋势，1989-2018年降水呈现显著上升趋势，突变年份分别为1976、1977、1980、1981年。

（3）从年际变化来看，年降水差变系数为0.22，年变化较均匀，56年来闵行区平均降水为1132.6mm，最大值为1999年的1663.6 mm，最小值为1978年的689.2mm，最大值为最小值的2.4倍；月降水年际变化较大，其中10月雨量年际变化最大，差变系数为0.97，年际月降水分配最不均匀。

（4）通过morlet小波变化，分析得出闵行区年降水变化存在45年的第一主周期和27年的第二主周期，分别经历约1个周期的丰-枯变化和约2个周期的丰-枯转换。