变化环境下的佛山降雨趋势特征及影响因素分析 Characteristics and Influences of Precipitation Tendency in Foshan under Environmental Variations

doi:10.12677/JWRR.2014.31007

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Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2014, 3(1), 41-49

http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.31007 Published Online February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html)

OPEN ACCESS Journal of Water Resources R e search 水资源研究

Characteristics and Influences of Precipitation Tendency

in Foshan under Environmental Variations

Ningning Shi1,2, Jiayi Liu1, Yanliang Kuang1, Yueying Zhou1, Qiang Liao1, Zufa Liu1*

1Center of Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou

2Nanjing Water Planning and Designing Institute Co. Ltd, Nanjing

Email: *eeslzf@mail.sysu.edu.cn

Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013

permits unrestricted use, d istribu tio n, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the

Creative Commons Attribu tion Lic ense all Copyrigh ts © 2 014 are rese rve d fo r Hans and the own er of the intel lectual pro perty Ningning

Abstract: Precipitation data of main precipitation stations of Foshan’s 5 zones during 1956-2010 are ana-

lyzed by Thiessen Polygons to explore the average monthly precipitation of Foshan. The method of linear re-

gression is used to detect the variation characteristics of monthly and quarterly precipitation. The method of

moving average and Mann-Kendall are used to explore the variation tendency, significance and mutation de-

tection of Foshan’s precipitation during those 50 years. Combined with the variation of climatic environment,

these conclusions are drawn: the precipitation of Foshan is getting higher during 1956-2010, and a mutation

of rising was detected in 1997; Foshan’s annual average precipitation is positively correlat ed with the annual

average temperature of Guangdong; the precipitation of summer is mainly controlled by urban heat island

caused by human activities. No regular pattern is detected in annual variation of extr e me precipitation.

Keywords: Foshan; Environmental Variation; Precipitation Characteristics; Influences; Tendency Analysis

变化环境下的佛山降雨趋势特征及影响因素分析

施宁宁 1,2，刘嘉仪 1，邝燕良 1，周月英 1，廖强1，刘祖发 1*

1中山大学水资源与环境研究中心，广州

2南京市水利规划设计院有限责任公司，南京

Email: *eeslzf@mail.sysu.edu.cn

收稿日期：2013 年9月30 日；修回日期：2013 年11 月20 日；录用日期：2013 年11 月26 日

摘要：本文通过对佛山市 5个区的主要雨量站在 1956~2010 年的降雨量数据，用泰森多边形法进行

统计整理得出佛山市月降雨量。用一元线性回归法线性拟合月、季的降雨量变化特征，再通过滑动平

均法和 Mann-Kendall 检验法分析佛山年降雨量在过去 50多年间的变化趋势，并进行显著性及突变检

验，得出佛山市降雨情况在 1956~2010 年呈上升趋势，在 1997 年发生降雨量上升的突变。结合气候

环境的变化，认为佛山市年降雨量基本随年平均温度的升高而升高，与广东省温度变化正相关。此外，

佛山市夏季降雨量的主要影响因素为人类活动造成的城市热岛效应，极端降雨量的年际变化尚未发现

规律。

关键词：佛山；变化环境；降雨特征；影响；趋势分析

*通讯作者。

施宁宁，等：变化环境下的佛山降雨趋势特征及影响因素分析

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1. 引言

近年来，极端气候的高频发生使人们更加关注环

境变化对气候现象的影响。气候变化的同时，降雨量

也出现了明显的变化，并且其时空变化特点更复杂[1]。

一个地区的降雨情况关系到该地区的民生与发展，干

旱与洪涝都严重影响居民生活，给社会生产带来重大

的损失。国内已有很多针对气候变化所带来的影响的

研究[2,3]，如施雅风提出中国西北气候可能由暖干向暖

湿转型[4]，左洪超等人对 50 年来中国的气温及降雨变

化进行了分析，重点介绍了华北华中及西部地区的降

雨量变化特征[5]，陈华等人对汉江流域的降雨气温时

空变化特征进行了预测[6]。佛山市近年来的降雨变化

较大，并于环境变化有一定的关系，目前，针对佛山

市的降雨情况的研究还比较少，所选取的雨量站也不

够全面[7-11]。

佛山市位于广东省中南部，地处珠江三角洲腹地，

东经 11 3˚06'，北纬 23˚02'，珠江水系中的西江、北江

及其支流贯穿全境。东倚广州，距离港、澳两区约 100

公里，是珠三角的经济重地，全市总面积 3848.49 平

方公里。暴雨是佛山市的主要气象灾害。本文在前人

的基础上，对佛山全市范围内选取的三水、大沥、紫

洞、南海、高明、西坑等 8个主要雨量站在过去 50

多年的数据资料进行了分析，对佛山市降雨情况的变

化特征和未来趋势进行了研究与推测，并尝试找出佛

山市降雨量变化的某种规律，分析其对社会生产与农

业的影响，为佛山市防洪除涝等防灾工作提供气候背

景依据。

2. 研究数据与方法

2.1. 数据来源

本文数据采用了佛山市禅城、南海、顺德、高明、

三水五个辖区的主要雨量站自1956~2010 年的月降雨

量，通过泰森多边形法计算出佛山市的月降雨量。对

于有数据缺失的月份，采用空间插补法进行处理。气

候资料主要参考自广东省月气候评价资料。

2.2. 研究方法

对月降雨量数据按照季节分组，并摘取最大(小)

月降雨量。用一元线性回归法逐月分析 1956 年以来

佛山市月降雨量变化趋势，用滑动平均法研究 1956

年以来的佛山市年降雨量，并做出一元多次函数进行

拟合、印证。为检验以上分析的趋势变化的显著性，

采用 Mann-Kendall 检验法进行显著性检验，找出该趋

势变化的突变点及趋势显著的区间。最后，联系环境

因素，分析降雨量变化的原因。

2.2.1. 一元线性回归法

降雨量变化的线性回归方程可表示为：

Pat b= +

(1)

式中：P为降雨量；t为时间；b为常数；a为降雨变

化趋势。当 a > 0时，表示降雨量呈增加趋势；a < 0

时，表示降雨量呈减少趋势。a的绝对值等于单位时

间P的变化量。

2.2.2. 滑动平均法

滑动平均法是趋势拟合技术最基础的方法，它相

当于低通滤波器。用确定时间序列的平滑值来显示变

化趋势。对样本量为n的序列 x，其滑动平均序列表

示为：

( )

ˆ1, 2,,1

j ij

xx jnk

+−

== −+

∑



(2)

式中：k为滑动长度。可以证明，经过滑动平均后，

序列中短于滑动长度的周期大大削弱，显现出变化趋

势[12]。

2.2.3. Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall 法用来检验水文气候要素时间序

列的趋势，它具有检测范围宽、不受少数异常值干扰、

定量化程度高的优点[13]。

对于具有 n个样本量的时间序列 x，构造一秩序

列：

( )

2,3,,

s rkn

= =

∑



(3)

其中，

( )

01, 2,,

i ij

rxx ji

>



== =



−<





(4 )

可见，秩序列 sk是第i时刻数值大于 j时刻数值

的个数累积数。在时间序列随机独立的假定下，定义

统计量：

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( )

1, 2,,

Var

s Es

UFk n



−



== 

(5)

其中 UF1 = 0，E(sk)，Var(sk)是累计数 sk的均值和方差，

当

,,,

xx x

相互独立且有相同连续分布时，他们可

由下式算出：

( )

( )()

12 5

Var 72

nn n

−

−+

(6)

UFi服从标准正态分布，它是按时间序列 x顺序

计算出的统计量序列。给定显著性水平

，查正态分

布表，若

UF U

，则表明序列存在明显的趋势变化

。

本文取 0.05 的显著性水平，则 UFi的绝对值大于 1.96

时，序列存在明显的变化趋势。

按时间序列 x逆序

, ,,

xx x

−



，再重复上述过

程。同时使

,,1, ,1

UBUFkn n=−=−

，UB1 = 0。分

别将 UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96 两条直

线绘制在一张图上。UFk或UBk为正值时，表示序列

呈升高趋势；为负值时，序列呈降低趋势。超过临界

线的范围确定为出现突变的时间区域。如果 UFk和

UBk两条曲线出现交点且在临界线之间，则交点对应

的时刻便是突变开始的时间。

2.2.4. 相关性检验

国内外的许多文献研究了时间序列的相关性对

M-K 检验结果的影响[14]。在对这些雨量站的降雨量资

料进行 M-K 检验之前，要检验降雨资料的相关性。

检验相关性的计算方法是：

( )

( )()

( )

Cov ,

Var 1

t tm

X XXX

XX nm

XXX

−

−−

−

= =

−

∑

(7)

式中

是待检验时间序列；

是待检验序列的均值；

是滞后 m年的待检验时间序列。

−< <，m

= 0时，

。对于独立的随机变量如果

0m≠

，

≈。

检验序列是否独立的置信区间的计算方法为：

−

−± −

=−

(8)

式中：U、L是序列最大值和最小值；α是置信度，在

本文中采用 5%的置信度；Z是在 α置信水平下的正态

分布的临界值；n是被检验的时间序列的长度。如果

值落在 95%的置信区间内，说明序列相关性不显

著，M-K 对序列的检验影响不明显。

3. 佛山降水趋势研究

3.1. 月降雨量变化趋势

为了研究佛山市各月降雨量的年际变化，选取了

1957 至2010年以来每个月的月降雨量并做趋势图(图

1)。

由图 1，可以对佛山市月降雨量的年际变化有一

个大体走向的认识。一月份的降雨量总体平稳，但在

1969 年和 1983年出现了两个较大的峰值。二月份的

降雨量呈下降趋势，平均每年下降0.35 mm，但有多

个年份降雨量在 50 mm 以下，此外在1983 年达到了

突出的峰值。三月份的降雨量基本稳定在 50~150 mm

之间，也在 1983 年达到了峰值。4月份的降雨量总体

呈上升趋势，平均每年上升约0. 25 mm。5月份的降

雨量总体呈下降趋势，平均每年约下降 0.40 mm。6

月份的降雨量呈现较明显的上升趋势，平均每年上升

约0.49 mm，2008年甚至达到了633 mm。7月份的降

雨量总体呈下降趋势，但不是特别明显，平均每年约

下降 0.10 mm。8月份的降雨量总体呈上升趋势，平

均每年上升 0.28 mm，但最大的两个降雨量出现在

1970 年以前。9月份的降雨量呈现下降趋势，平均每

年下降约0.30 mm，但最大与最小降雨量都出现在

1970 年以前。10 月份降雨量年际变化幅度较大，有

多年 10 月份降雨量记录小于 10 mm 甚至为 0，且 90

年代以来，降雨量小于50 mm 的年份较以往更为密集，

但是 10月份降雨量最大的两年分别达到了 288 mm及

275 mm，总体呈下降趋势，平均每年约下降 0.25 mm。

11 月份的降雨量在年际变化上同样表现出较大的差

异，总体降雨量偏少，在150 mm 以内，且呈现下降

趋势，平均每年下降约 0.32 mm。12 月份的降雨量进

一步减少，多数集中在 40 mm 以内，总体呈现微弱的

上升趋势。

3.2. 最大(小)月降雨量变化趋势

为分析极端降雨的变化情况，从 1957~2010 年的

降雨量资料中提取每一年的最大与最小月降雨量。分

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Figure 1. Foshan’s interannual precipitation variations of 12 months during 1956-2010

图1. 佛山市 1956~2010 年各月降雨量年际变化

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别做出变化趋势图(图2)。

由图可见佛山市最大与最小月降雨量都呈降低

趋势。其中最小月降雨量均在 30 mm 以内，变化幅度

比较平稳。最大月降雨量呈现较大趋势的波动，最大

差值超过 400 mm，平均每年减小约 0.30 mm。

3.3. 四季降雨量变化趋势

按照惯例，把3月~5月定为春季；6月~8月定为

夏季，9月~11 月定为秋季；12 月~2月定为冬季。分

别计算出各个季节的总降雨量，并做出趋势线，如下

图(图3)所示：

同样的，从图中可以对各个季节降雨量的年际

变化有一个初步的了解。春季的降雨量较多，每隔

15 年左右出现一个大的反差，多数在 500 mm 上下

波动，呈现轻微的下降趋势，平均每年约下降 0.23

mm。夏季的降雨量在近十年来有大幅度增长，总体

呈现较明显的增长趋势，平均每年上升约0.67 mm。

秋季的降雨量则呈现明显的下降趋势，在 1965年的

754 mm后，大多数年份的秋季降雨量都在 400 mm

以下，平均每年下降约0.87 mm。冬季的降雨量基本

平稳在200 mm 以下，在 1983年达到了罕见的 529

mm 最大值。

Figure 2. Foshan’s interannual minimum & maximum precipita-

tion variations during 1956-2010

图2. 佛山市 1956~2010年最大(小)月年变化趋势图

3.4. 年降雨量变化趋势

年降雨量反映佛山市水资源的总体丰枯情况，并

与水资源的规划、开发利用以及保护等，都有密切的

关联，因此年降雨量的变化趋势是本文的重点研究内

容。为了分析佛山市降雨量在55年间各时段的变化

趋势，本文对原年降雨量曲线分别作七年、九年、十

一年滑动平均和一元三次函数拟合。如图 4所示。

Figure 3. Foshan’s interannual precipitation variations of 4 seasons

during 1956-2010

图3. 佛山市 1956~2010年四季降雨量年际变化

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由图可见，年降雨量序列经过滑动平均处理后，

序列中短于滑动长度的周期大大削弱，呈现出变化趋

势。一元三次函数的拟合效果也大致符合滑动平均的

处理结果。由一元三次函数的拟合公式可得，x在等

于9和37 时，分别为两个极值点，即佛山市降雨量在

1965年左右及 1993 年左右分别达到了最大与最小雨

量。从 50 年代中期至60 年代中期，佛山市的年降雨

量呈缓慢上升的趋势，从 60 年代末至90 年代初期，

年降雨量有减少的趋势，此后一直到 2010 年，年降雨

量呈较明显的上升趋势，其上升速度较前 40 年的变化

速率都有明显的加快，并且 2010 年处的数值大于上一

个周期的最高点。因此，初步认为55 年间佛山市的年

降雨量未呈现明显的周期变化。按照此趋势，佛山市

降雨量在 2010 年之后仍将有一段时期呈上升趋势。

3.5. 降水趋势的显著性检验和突变检验

从以上的初步分析中，可以发现高明区的年降雨

量经历了一个先增加、后减少、再增加的趋势。为了

进一步研究佛山市年降雨量的变化，利用 Mann-

Kendall 法对年降雨量变化趋势进行显著性检验和突

变检验。

首先进行相关性检验，检验结果如表 1。

第一列“To Lag”代表滞后量 m的范围，如“6”，

代表这一行在Autocorrelations区对应的是滞后量由 1

至6分别求得的相关性系数。而第四列数据均大于

0.05，则证明佛山市降雨量不具有自相关性。

接下来用 Mann-Kendall 方法检验其显著性和突

变情况，绘制 UFk和UBk的序列曲线如图 5。

Figure 4. Variations of each period

图4. 各时段变化趋势

Table 1. Autocorrelations

表1. 自相关检验结果

To Lag Chi-Square DF Pr > ChiSq Autocorrelation s

6 5.08 6 0.5342 −0.151 −0.087 −0.216 0.086 0.026 0.005

12 7.42 12 0.8283 −0.034 0.107 −0.092 −0.076 −0.047 −0.072

18 12.13 18 0.8403 0.053 0.182 −0.054 −0.046 −0.082 0.109

24 14.99 24 0.9211 −0.061 0.061 −0.042 0.104 0.027 −0.096

30 21.34 30 0.8770 −0.120 −0.034 0.005 0.159 −0.060 −0.104

36 28.81 36 0.7970 −0.036 −0.015 0.040 −0.017 −0.033 0.203

42 37.89 42 0.6517 0.006 −0.082 −0.161 0.076 0.081 0.012

48 46.23 48 0.5455 −0.070 0.023 −0.025 −0.061 0.103 −0.054

54 63.76 54 0.1708 0.113 −0.080 0.065 −0.048 0.020 −0.012

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Figure 5. The M-K trends of Foshan’s annual precipitation during 1956-2010

图5. 佛山市 1956~2010年降雨量 M-K 检验结果

M-K 检验结果表明，佛山市的降雨量在 1956 年以来

有明显的上升趋势。在 1967 年以前，降雨量的上升

趋势不明显；70 年代到 80 年代期间，上升趋势愈发

明显，在临界线附近波动；90 年代以来，这种上升趋

势均大大超过 0.05 临界线，甚至有超过 0.001 临界线

(0.001

U 2.56=)的趋势。因此，佛山市降雨量的上升趋

势是显著的。根据 UFk和UBk曲线交点的位置，佛山

年降雨量上升是突变现象，约在1987 年开始。

4. 变化环境对降水变化的影响

由上述降雨量出发，比照与降雨量有关的各项环

境因素，分析佛山的降雨量变化是否与环境因素的变

化相关。众所周知，过去 100 年来，由于人类工业的

高度发展对环境的改造作用以及气候的波动，引起全

球性气候变暖。国内对我国气候变化的研究显示：我

国的气候变化情况和全球气候变化趋势基本一致，广

东省年平均气温在 20 世纪80 年代之前基本平稳，80

年代中后期以后增温幅度明显增大，且增温趋势在干

旱的季节较明显，潮湿季节增温较缓[15]。

对照佛山市降雨量的变化情况，佛山降雨主要受

东南亚季风活动带来的潮湿气流的强度影响，佛山市

降雨量从上世纪60 开始呈现明显的上升趋势，并且

在1987 年出现降雨量上升的突变，这一变化规律基

本符合广东省年平均气温的变化规律，即降雨量随着

气温的上升而升高。根据预测，珠江流域在 21 世纪

前50 年的气候变化趋势为朝更湿润的气候变化，过

去50 年依然属于珠江流域的较干旱期，可以估计，

佛山市降雨量在未来 40 年内依然呈现升高趋势[16]。

佛山地势平坦，海拔偏低，主要在0.7~2.5 米，

在珠江流域属于低地。而珠江流域海拔较低处降雨量

增加趋势愈明显[17]，也为佛山年降雨量的增加趋势提

供依据。珠江流域地势较低处在冬季与春季的降雨量

呈现上升趋势，而佛山市春季和冬季的降雨量呈轻微

的下降趋势，且夏季降雨量呈上升趋势，与东南亚季

风活动规律不符合，这两个异常现象还需考虑地形等

其他因素对降雨量的影响[18]，留待作进一步研究。

初步认为，由于在上世纪80 年代以来佛山市工

业的飞速发展，城市热岛效应以及城市化的人类活动

造成的夏季高温对佛山市降雨量的促进作用，胜过了

东亚夏季风减弱给佛山降雨带来的影响[19]。佛山市年

最大月和最小月降雨量在研究期间呈轻微下降趋势，

但目前没有显著的相关原因可以证明佛山市未来的

最大月与最小月降雨量仍然会维持这一变化趋势[20]。

5. 结语

通过线性拟合与 Mann-Kendall 检验法分析表明，

佛山市降雨量在 1956~2010 年期间呈显著的升高趋势，

并且随着珠江流域的气候整体向潮湿方向变化，结合

佛山市所处的地势环境条件，初步认为佛山市降雨量

在接下去四十年内依然会呈现上升趋势。佛山市降雨

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量主要受东南亚季风带来的潮湿空气所影响，而东南

亚夏季风在过去 50 年呈现减弱的变化，受此季风影

响，其夏季降雨量仍然呈现升高趋势，可以认为佛山

市夏季降雨量的影响因素更主要是人类活动及城市

热岛效应造成的区域高温，而佛山市洪涝灾害发生于

夏季，因此，有必要对佛山市人类活动对降雨量的影

响做进一步的研究，以及时缓解洪涝灾害对佛山的不

利影响。此外，佛山市春季与冬季的降雨量变化与整

个珠江流域海拔低地的同时期降雨量变化趋势相反，

其原因也需要后续研究。佛山市最大月与最小月降雨

量尚没有发现其与变化环境的关系。

致谢

感谢国家自然科学基金项目的支持，感谢第十一

届中国水论坛推荐！

基金项目

基于多重工作假说的流域水文模拟方法与应用

研究——以华南湿润区为例(51379223)。

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