凌　燕，陳　光

(湖州市水文站，浙江　湖州　313000)

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湖州市近50年降水變化特性分析

凌燕，陳光

(湖州市水文站，浙江湖州313000)

摘要：選取湖州市33個(gè)站點(diǎn)日降水資料(1964—2013年)，統(tǒng)計(jì)年、汛期、非汛期降水量及年強(qiáng)降水頻數(shù)，采用Mann-Kendall和小波分析法，對(duì)各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)和周期分析。分析結(jié)果表明，近50 a來湖州市年、汛期、非汛期降水量均存在不顯著的上升趨勢(shì)，而年強(qiáng)降水頻數(shù)則呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)；年、汛期、非汛期降水量均存在明顯的周期性。

關(guān)鍵詞：Mann-Kendall；小波分析法；統(tǒng)計(jì)指標(biāo)；年強(qiáng)降水頻數(shù)

1問題的提出

近年來，隨著氣候變暖和人類活動(dòng)的不斷加劇，全球氣候變化顯著。氣候變化勢(shì)必引起降水模式、降水強(qiáng)度的改變[1]。降水作為水資源的一個(gè)重要方面，會(huì)影響到區(qū)域水資源的重新分配與自然生態(tài)環(huán)境的變化，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)引發(fā)不同程度的自然災(zāi)害，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。湖州市位于浙江省北部，太湖南岸，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候濕潤(rùn)、雨量充沛；全市范圍內(nèi)地形起伏高差大，河流水系發(fā)達(dá)，既有源短流急的山區(qū)性河流，又有縱橫交錯(cuò)的平原河網(wǎng)水系，同時(shí)還受太湖水位的影響，極易出現(xiàn)洪澇或旱情。因此，研究區(qū)域內(nèi)的降水變化規(guī)律，揭示降水演變趨勢(shì)，對(duì)合理利用水資源、防御旱澇災(zāi)害等具有重要現(xiàn)實(shí)意義[2]。

2資料和方法

2.1資料

湖州市代表性好，且具有近50 a來(1964—2013年)完整資料系列的33個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主要應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有年降水量、汛期降水量、非汛期降水量，年強(qiáng)降水頻數(shù)(站次)。根據(jù)浙江省防汛部門統(tǒng)一規(guī)定，湖州市汛期為4月15日至10月15日，非汛期為10月16日至次年4月14日。年強(qiáng)降水頻數(shù)為一年中單站日降水量(當(dāng)日8：00時(shí)至次日8：00時(shí))有超過50.0 mm(單日n個(gè)資料站日降水量超過50.0 mm,計(jì)為nd)的33個(gè)站點(diǎn)天數(shù)總和。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall(MK)非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall(MK)法，最初由H.B.Mann和M.G.Kendall[3-4]提出并發(fā)展，現(xiàn)已廣泛使用于氣溫、降水、徑流等水文氣象時(shí)間序列資料長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的檢驗(yàn)[5-6]。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便，并且檢測(cè)范圍寬，定量化程度高。

原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)，是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)。對(duì)于所有的i,j≤n,且i≠j,xi和xj的分布是不相同的。定義檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量S如下：

(1)

(2)

式中：sgn( )為符號(hào)函數(shù)；S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

M-K統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如下：

(3)

若Z為正，表明上升趨勢(shì)；Z為負(fù)，表明下降趨勢(shì)。在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。

2.2.2小波分析方法

小波分析由法國(guó)地質(zhì)學(xué)家Morlet提出，因其具有時(shí)域和頻域多分辨功能，對(duì)分辨時(shí)間序列在不同尺度上的演變特征非常有效，目前已在大氣科學(xué)、水文學(xué)等諸多科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于水文氣候資料序列中包含多種時(shí)間尺度的周期變化，而復(fù)數(shù)形式的Morlet小波因其實(shí)部和虛部的位相差為π/2，當(dāng)用復(fù)值小波變化系數(shù)的模判別序列中包含的各個(gè)尺度周期性的大小、這些周期在時(shí)域中的分布時(shí)，就能消除用實(shí)型小波變化系數(shù)作為判據(jù)產(chǎn)生的虛假振蕩，所以本文采用連續(xù)的Morlet小波作為基函數(shù)進(jìn)行小波變換。

Morlet小波函數(shù)公式如下：

φ(t)=eiω0te-t2/2

(4)

式中：φ(t)為高斯包絡(luò)下的復(fù)指數(shù)函數(shù)；i表示虛數(shù)；ω0為常數(shù)[6-8]；t為時(shí)間(可為s，d等)。

3降水趨勢(shì)分析

3.1年降水量

統(tǒng)計(jì)33個(gè)站點(diǎn)降水資料可知，湖州市近50 a(1964—2013年)的平均年降水量約1 412.1 mm(包括 豐、平、枯年組)，年降水量最小值888.2 mm發(fā)生在1978年，最大值1 950.5 mm發(fā)生在1999年，最大值約為最小值的2.2倍，年際間差異較大。經(jīng)過計(jì)算，湖州市年降水量(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=0.50，大于0，但絕對(duì)值小于1.28(置信度90%)，說明湖州市年降水量雖呈上升趨勢(shì)，但不顯著，線性上升幅度約為18.5 mm/10 a(見圖1)。

3.2汛期、非汛期降水量

經(jīng)計(jì)算，湖州市汛期降水量(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=0.42,大于0，絕對(duì)值小于1.28，呈不顯著的上升趨勢(shì)，線性上升幅度略低于年降水量，約為10.6 mm/10 a(見圖2)；非汛期降水量(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=0.31,大于0，絕對(duì)值小于1.28，呈不顯著的上升趨勢(shì)，與年、汛期降水量趨勢(shì)走向一致，線性上升幅度約為8.9 mm/10a(圖3)。

3.3年強(qiáng)降水頻數(shù)

湖州市年強(qiáng)降水頻數(shù)多年平均為112站次，最多年份1999年為298站次，最少年份1972年為32站次，一般情況下年降水較多的年份， 強(qiáng)降水頻數(shù)也相對(duì)較大。對(duì)湖州市近50 a年強(qiáng)降水頻數(shù)進(jìn)行(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值Z=1.57，大于0，且絕對(duì)值大于1.28，呈顯著增加趨勢(shì)，線性上升幅度約為8站次/10 a(見圖4)，即每10年33個(gè)資料站中日降水量有超過50.0 mm(單日n個(gè)資料站日降水量超過50.0 mm,計(jì)為nd)天數(shù)會(huì)增加8 d，說明湖州市局地性強(qiáng)降水事件發(fā)生的頻率在逐漸增大。

4降水周期分析

4.1年降水量

根據(jù)Morlet小波原理及小波變化方法，繪制出湖州市年降水量小波實(shí)部時(shí)頻分布圖(見圖5)和方差圖(見圖6)。圖5中實(shí)線表示小波系數(shù)實(shí)部值為正，降水量比常年偏多；虛線表示小波系數(shù)實(shí)部值為負(fù)，降水量比常年偏少。由圖5可知，湖州市年降水存在時(shí)間尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu)，小尺度嵌套在較大尺度的變化中。從圖6可知，小波方差序列出現(xiàn)了3個(gè)明顯峰值，說明湖州市年降水量序列存在3個(gè)不同時(shí)間尺度的周期變化，分別為27，9，3 a；其中后2個(gè)振幅比較小，27 a振幅較大，為主周期，其次為9，3 a。從主周期上看，湖州市目前正處于振蕩的增多變幅范圍內(nèi)，且尚未達(dá)到峰值，因此，在未來(2013年以后)的7～8 a內(nèi)仍處于降水偏多階段。

4.2汛期、非汛期降水量

對(duì)湖州市近50 a來汛期、非汛期降水量進(jìn)行小波分析，分別得出其Morlet小波方差圖(見圖7～8)。由圖7可知，汛期降水量存在27 a、3 a兩個(gè)不同時(shí)間尺度的周期變化，27 a振幅很大，為主周期；與年降水量相比，少了9 a的周期振蕩。由圖8可知，非汛期降水量存在3個(gè)明顯周期27 a、3 a、9 a，以27 a周期振幅最大，其次為3 a、9 a；其周期特性與年降水量相似但又略有不同，不同在于年降水量的第二周期為9 a，第三周期為3 a，而非汛期正好相反?？傮w上，湖州市年、汛期、非汛期降水的周期性存在一定的相似性而又各不相同。

5結(jié)論

本文利用Mann-Kendall(MK)非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Morlet小波分析法對(duì)湖州市近50 a來年、汛期、非汛期降水量以及年強(qiáng)降水頻數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)和周期分析，得出以下結(jié)論：

(1)年降水量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)。在時(shí)間尺度上存在27 a、9 a、3 a三個(gè)振蕩周期，主振蕩周期為27 a，其次為9 a、3 a，從主周期上看，湖州市在未來(2013年以后)的7～8 a內(nèi)仍將處于降水偏多階段。

(2)汛期降水量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)。在時(shí)間尺度上存在27 a、3 a兩個(gè)振蕩周期，主振蕩周期為27 a，比年降水量少了1個(gè)9 a的振蕩周期。

(3)非汛期降水量也呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)。在時(shí)間尺度上存在27 a、3 a、9 a三個(gè)振蕩周期，主振蕩周期為27 a，其次為3 a、9 a；與年降水量相比，3 a、9 a周期的排序正好相反。

(4)年強(qiáng)降水頻數(shù)呈現(xiàn)明顯的逐年增多趨勢(shì)，說明區(qū)域內(nèi)單點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)降水的頻數(shù)在增大，湖州市局地性強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻率有逐漸增大的趨向。

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(責(zé)任編輯張書花)

收稿日期：2015-06-23

作者簡(jiǎn)介：凌燕(1984-)，女,工程師,碩士，主要從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作。E-mail:lingy0808@163.com

中圖分類號(hào)：TV125

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-701X(2016)02-0075-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.021