1. 绪论
在全球气候变暖背景下，四川省水资源系统面临严峻挑战。近30年全省平均气温上升速率为0.26℃/10年，高于全国平均水平，极端天气事件频发，如2020年“8·11”特大暴雨和2022年夏季“汛期反枯”事件，对水资源调控带来巨大压力[1]。四川省汛期降水存在三个极值中心，分别位于雅安、安州区和攀西地区，大暴雨日主要集中在盆地西部与高原过渡带，地形对暴雨分布影响显著[1]。川西南山地为易旱区，年平均气温呈升高趋势，区域排序为川中盆地 > 川西南山地 > 川西高原。高碳路径下特旱发生频率更高[2]。极端降水指数在川东北和盆地西部最高，但川东北减少、川西增加，全省整体呈增加趋势[3]。降水空间分布存在东西振荡现象，盆地西部降水减少、东部变化不明显，与高原夏季风和西太副高的作用密切相关[4]。华西雨屏带沿盆地西部边缘山地延伸，从广元至宜宾[5]。暖季降水呈双峰特征：4~5月偏少，6~8月偏多，盆地西南部和最南部存在强降水中心。受地形影响，降水峰值多在凌晨至夜间，西部及高原东坡存在午后弱峰值[6]。近47年夏季降水整体减少，存在6~8年际和22年代际周期，空间上可分为4个子区域，其中东部和高原区降水增加，中西部减少，西南山区稳定[7]。近60年降水年际分布不均，主周期为28年，内含13年和8年子周期。川西高原降水以频率主导，东部盆地以强度主导；空间上呈东南向西北递减趋势[8]。环流上，高原夏季风偏强时，西太副高偏南，有利于盆地东部强降水[9]。1961~2020年气温东南高西北低，整体升高；降水量东多西少，波动较大。盆地中心气温变化小，边缘山区变化明显[10]。地形与降水呈反比关系，高海拔地区降水少。降水周期以20~47年为主，2~13年和10~27年为次，2008年起进入丰水期[11]。研究方法上，M-K检验显示三江源地区年与季节降水气候正常值整体增加，但澜沧江源夏季为负趋势，冬季整体下降[12]。
2. 资料和方法
2.1. 资料概括
本文基于1961~2021年共61年的四川省126个气象站的逐日降水观测资料进行分析，其中北京时间08:00~20:00降水量为昼雨。所研究的经纬度范围为97˚21′E~108˚12′E，26˚03′N~34˚19′N站点的海拔高度范围为280~4201 m。所使用的为站点数据，采用反距离权重法(IDW)将站点数据转换为格点数据，覆盖整个四川省的范围来进行研究。通过对四川省年昼雨REOF分解可大致划分为川东南丘陵(区域一)、川东北丘陵(区域二)、成都平原(区域三)、川西高原(区域四)和川西南山地(区域五)，共5个区域见图1。
Figure 1. Schematic diagram of REOF zoning results for annual daytime rain in Sichuan Province (This figure was drawn by ArcGIS)
图1. 四川省年昼雨的REOF分区结果示意图(本图由ArcGIS绘制)
2.2. 研究方法
EEMD分解
本文采用EEMD分解的方法对REOF各个模态进行分析，IMF1-2表征年际振荡，IMF3-4表征年代际变化，Res (t)表征长期趋势，最后通过加权平均周期法来计算平均频率和平均周期[13]-[15]。
3. 四川省年昼雨的时间演变特征
3.1. 各区域年昼雨的EEMD分解
3.1.1. 川东南年昼雨的EEMD分解
Figure 2. Subsequences of EEMD decomposition of annual diurnal rain in southeastern Sichuan (a)~(e) and the energy ratio of each subsequence (f) (This figure was drawn by python)
图2. 川东南年昼雨EEMD分解的各子序列(a)~(e)及各子序列的能量占比图(f) (本图由python绘制)
Figure 3. Mean period and energy relationship diagram of various IMF components in southeastern Sichuan: (a) IMF1; (b) IMF2; (c) IMF3; (d) IMF4 (This figure was drawn by python)
图3. 川东南各IMF分量的平均周期和能量关系图：(a) IMF1；(b) IMF2；(c) IMF3；(d) IMF4 (本图由python绘制)
基于REOF第1模态(川东南年昼雨)的白噪声分解，选取能量较高的4个IMF分量和1项残差。如图2所示。高频部分中，IMF1振动频率和振幅最大，周期约3~5年，振幅在1961~1975年及2009~2021年较大，1976~2008年较小；IMF2变化类似，周期约7~9年，振幅在1961~1972年及2000~2021年较大，1973~1999年较小。低频部分中，IMF3周期约16~18年，振幅1994年后明显增大；IMF4具有40~50年准周期，波动区间逐渐减小。残差项显示，1990年前年昼雨呈增幅渐缓的增加趋势，1990年后转为降幅渐大的减少趋势。
如图3所示，各IMF分量的平均周期分别为：IMF1约4年(能量集中于2~6年)，IMF2为8.9年，IMF3为17.0年，IMF4为46.1年，表明川东南年昼雨变化存在多时间尺度的周期特征。
3.1.2. 川东北年昼雨的EEMD分解
Figure 4. The subsequences (a)~(e) decomposed by EEMD in Northeast Sichuan and the energy ratio of each subsequence (f) (This figure was drawn by python)
图4. 川东北EEMD分解的各子序列(a)~(e)及各子序列的能量占比图(f) (本图由python绘制)
基于REOF第2模态(川东北年昼雨)的白噪声分解，选取了4个代表性IMF分量及1项残差。如图4所示。高频部分中，IMF1在1961~1970年振幅大、频率高，1970年后趋于稳定，周期约2~5年；IMF2变化相反，1961~1971年振幅小，1972年后振幅增大，周期约7~9年。低频部分中，IMF3周期约15~20年，1990年后振幅骤减、频率加快；IMF4具30~35年准周期，波动区间从0.1增至2.5左右。残差项显示，1990年前年昼雨呈降幅渐缓的下降趋势，之后转为上升，2000年前后增幅最大，此后增势减缓，未来可能再次下降。
如图5所示，基于能量密度计算各IMF分量的平均周期分别为：IMF1约4.1年，IMF2为8.9年，IMF3为18.6年，IMF4为35.4年，表明川东北年昼雨变化存在多时间尺度的周期特征。
Figure 5. Average period energy relationship diagram of various IMF components in Northeast Sichuan: (a) IMF1; (b) IMF2; (c) IMF3; (d) IMF4 (This figure was drawn by python)
图5. 川东北各IMF分量的平均周期能量关系图(a) IMF1；(b) IMF2；(c) IMF3；(d) IMF4 (本图由python绘制)
3.1.3. 成都平原年昼雨的EEMD分解
Figure 6. The subsequences (a)~(e) decomposed by EEMD in Chengdu Plain and the energy ratio of each subsequence (f) (This figure was drawn by python)
图6. 成都平原EEMD分解的各子序列(a)~(e)及各子序列的能量占比图(f) (本图由python绘制)
Figure 7. The average period energy relationship diagram of each IMF component in the Chengdu Plain (a) IMF1; (b) IMF2; (c) IMF3; (d) IMF4 (This figure was drawn by python)
图7. 成都平原各IMF分量的平均周期~能量关系图(a) IMF1；(b) IMF2；(c) IMF3；(d) IMF4 (本图由python绘制)
基于REOF第3模态(成都平原年昼雨)的白噪声分解，选取了4个IMF分量和1项残差。如图6所示。高频部分中，IMF1周期为2~4年，振幅整体稳定，仅在1970s、1980s及2008~2010年间出现异常低值；IMF2呈三段式变化：1960~1995年振幅与周期(7~9年)稳定，1995~2010年振幅骤减，2010年后又显著增大。低频部分中，IMF3周期约15~20年，1974年前振幅较大，之后趋于稳定；IMF4具50~55年准周期。残差项表明，1980年前年昼雨为增势渐弱的上升趋势，1980年后转为下降，1995年前后降幅最大，之后减缓，2018年起又转为上升。
为了能够更为直观地表现各个IMF分量的主要周期，本文根据周期与能量密度的关系，计算了平均周期，从图7可以看出IMF1的能量主要集中在2-4年，求平均得出周期在3.8年。同理IMF2、IMF3、IMF4的平均周期分别在8.4年、20.7年和57.8年，进一步说明了，成都平原年昼雨具有多个周期。
3.1.4. 川西高原和川西南山地年昼雨的EEMD分解
对REOF第4模态(川西高原年昼雨)和第5模态(川西南山地年昼雨)同样进行白噪声分解后，选取了4个主要IMF分量和1项残差，并根据周期与能量密度的关系，计算了其平均周期，见下表1所示，表明川西高原和川西南山地年昼雨变化存在多时间尺度的周期特征。
Table 1. The average period of each IMF component in the 4th and 5th modes of REOF
表1. REOF第4，5个模态各个IMF分量的平均周期
模态 |
IMF1 |
IMF2 |
IMF3 |
IMF4 |
4 |
3.3 |
10.1 |
19.9 |
38.9 |
5 |
4 |
8.4 |
38.9 |
28.4 |
4. 结论
根据EEMD分析结果，各区域年昼雨变化周期及趋势如下：川西南丘陵存在4年、8.9年、17年和46.1年周期，趋势为先增后减；川东北丘陵具有4.1年、8.9年、18.6年和35.6年周期，趋势为先减后增；成都平原存在3.8年、8.4年、20.7年和57.8年周期，趋势为先增后减；川西高原具有3.3年、10.1年、19.9年和40年周期，趋势为先增后减；川西南山地存在4年、8.4年、20.8年和39.3年周期。