楊芳，楊盼，盧路，熊昱

(1.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北武漢430051； 2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443000)

全球變暖對水資源的影響問題，包括水循環(huán)過程、水量時空分布、極端降雨事件與洪澇災(zāi)害等改變，事關(guān)人類的生存與發(fā)展[1]。降雨是氣候變化影響的重要指標(biāo)之一[2]。在全球變暖的背景下，降水事件普遍呈現(xiàn)出極端化趨勢，因極端降水引發(fā)的洪水、雪災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)，對社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，成為全球變化研究的一項重要課題。在過去的幾年里，國內(nèi)外學(xué)者利用長期的降水觀測資料對不同區(qū)域的極端降水事件變化進(jìn)行了大量研究。近年來，相關(guān)學(xué)者已通過對降雨資料的深入分析，得出了中國大部分地區(qū)的降雨變化規(guī)律[3-12]。

湘江屬長江流域洞庭湖水系，是湖南省最大河流，是生產(chǎn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來源，先后流經(jīng)湖南省永州市、衡陽市、株洲市、湘潭市和長沙市，至岳陽市的湘陰縣樟樹鎮(zhèn)濠河口注入洞庭湖。在湖南省境內(nèi)里程670 km，流域面積為85 383 km2，占湖南省全省總面積的40%。降雨是湘江水資源量的主要來源，其變化趨勢對水資源的開發(fā)利用和合理配置有著重要意義。

湘江湖南境內(nèi)自上而下設(shè)置有永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙和岳陽6個水文站觀測流域水量、水位和雨量信息。株洲站位于流域下游，流域面積71 919 km2，距河口130 km。本文對湘江株洲站1955—2016年逐日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行探索分析，研究其降雨變化特征，以期為湘江流域水資源變化特征研究、水資源規(guī)劃管理、防澇抗旱、農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持[13]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用株洲站1955—2016年逐日降雨觀測數(shù)據(jù)。株洲站地理位于東經(jīng)113°09′,北緯27°49′，設(shè)立于1954年1月，是國家級重要水文站。

1.2 研究方法

采用數(shù)理統(tǒng)計法分析研究區(qū)降雨強(qiáng)度；采用線性趨勢法和5 a滑動平均法[14-15]分析降雨量和降雨天數(shù)(降雨天數(shù)為日降雨量≥0.1 mm天數(shù)的總和)的年際變化；采用Mann-Kendall檢驗法對降雨量和降雨天數(shù)的演變特征進(jìn)行分析并檢驗是否存在突變特征，在此基礎(chǔ)上采用Morlet小波分析方法研究降雨量和降雨天數(shù)的多時間尺度周期變化規(guī)律。

其中，世界氣象組織推薦的Mann-Kendall檢驗法，由于其可有效區(qū)分某個自然過程是處于自然波動或者是確定變化的趨勢，對于非正態(tài)水文氣象數(shù)據(jù)具有突出的適用性。Mann-Kendall檢驗法的方法原理及在國內(nèi)許多流域降雨演變分析中的應(yīng)用見參考文獻(xiàn)[14-20]。如果順序統(tǒng)計檢驗曲線UFk和逆序統(tǒng)計檢驗曲線UBk在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)交點，即為可能的突變點。但是使用 Mann-Kendall檢驗法有時會檢測到很多的突變點，究竟哪個點是突變點有時很難下結(jié)論，甚至?xí)玫藉e誤的結(jié)論，因此，在檢驗中不能簡單的把順序序列和逆序序列的曲線的交點當(dāng)作是突變點，應(yīng)當(dāng)用其他突變檢驗方法進(jìn)行驗證?；瑒觮檢驗是通過考察2組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變。如果2段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生[21]。

小波分析(wavelet analysis)方法是在傅立葉(Fourier)變換基礎(chǔ)上引入窗口函數(shù)，把時間序列分解為時間和頻率的貢獻(xiàn)，它對于獲取一個復(fù)雜時間序列的調(diào)整規(guī)律，診斷氣候變化內(nèi)在層次結(jié)構(gòu)，分辯時間序列在不同尺度上的演變特征非常有效。通過小波分析可得到研究對象序列在不同時間尺度上周期結(jié)構(gòu)和異常變化的規(guī)律，為短期氣候預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。小波分析方法原理及在氣象學(xué)、工程學(xué)等方面的應(yīng)用見參考文獻(xiàn)[18-20,22-25]。

2 結(jié)果分析

2.1 降雨年內(nèi)分配

2.1.1年內(nèi)降雨量分析

湘江株洲站近60 a多年年均降雨量為1 637 mm，受季風(fēng)活動影響，降雨年內(nèi)分配極不均勻，但比較有規(guī)律，月際分配一般呈鈴型分布。通過圖1的多年平均降雨量分布可以看出，4—6月流域進(jìn)入梅雨季節(jié)，降雨量增大，降雨量占年降雨量41.4%，其中6月暴雨強(qiáng)度和總降雨量均最大，為241.4 mm；12月降雨量最小，為64.8 mm。

多年年均降雨天數(shù)為176.5 d，占全年天數(shù)的48.5%，降雨天數(shù)較多，密度較大。通過圖1可以看出，該區(qū)域降雨月際分布較均，6月降雨天數(shù)最大為20 d，9月降雨天數(shù)最小為10 d。

圖1 多年平均降雨量及降雨天數(shù)年內(nèi)分配

2.1.2年內(nèi)降雨強(qiáng)度分析

根據(jù)國家氣象局頒布的降雨強(qiáng)度等級，分析多年平均降雨強(qiáng)度年內(nèi)分配(圖2)和多年平均降雨強(qiáng)度天數(shù)年內(nèi)分配(圖3)，結(jié)果顯示該區(qū)域小雨發(fā)生頻率最大占71.3%,50 mm以上暴雨(含大暴雨和特大暴雨)發(fā)生頻率為2.4%，中雨對降雨量貢獻(xiàn)占比最大，為32.5%，暴雨以上降雨量貢獻(xiàn)占比18.8%。全年暴雨主要集中在6—9月，占71.4%，其中6月最大，占26.7%。降雨強(qiáng)度年內(nèi)分配與降雨量、降雨天數(shù)分配基本一致，說明降雨多的月份，出現(xiàn)暴雨的概率也大。

圖2 多年平均降雨強(qiáng)度年內(nèi)分配

圖3 多年平均降雨強(qiáng)度天數(shù)年內(nèi)分配

2.2 年際降雨特征分析

2.2.1年際降雨變化趨勢分析

湘江株洲站近60 a平均年降雨量的時間變化見圖4。在研究時段內(nèi)，多年平均降雨量總體表現(xiàn)出增加趨勢，降雨傾向率為4.88 mm/10a，最小值出現(xiàn)在1971年，為1 047.1 mm，遠(yuǎn)低于多年平均降雨量；最大值在2016年，為2 551.7 mm，是最小值的2.5倍，是多年平均值的1.6倍。由圖4中5 a滑動平均線可知，降雨量總體呈“增—減—增—平—減—增”6個階段的變化過程，1955—1984年，降雨量在小幅波動下持續(xù)上升，之后從1984—1990年表現(xiàn)為減下降趨勢；1990—1994年大幅上升；1994—2002年趨于平穩(wěn)；2002—2009年又大幅下降，之后2010—2016年呈大幅上升趨勢。

圖4 降雨量年際變化曲線

近60 a平均年降雨天數(shù)的時間變化見圖5。在研究時段內(nèi)，多年平均降雨天數(shù)雖呈波動變化，但總體趨勢表現(xiàn)平穩(wěn)。最小值出現(xiàn)在1956年，為141 d，最大值在1994年，為220 d。5 a滑動平均線可知，降雨天數(shù)總體呈“減—增—減—增—減—增”6個波動變化過程，其中以2001—2007年間變幅最大。

2.2.2年際降雨突變分析

運(yùn)用Mann-Kendall檢驗法對湘江株洲站近60 a多年平均降雨量和降雨天數(shù)的突變特征進(jìn)行分析。

根據(jù)圖6，UFk和UBk曲線于1989年、2007年和2010年相交，該3個時間點可能為突變點。為了確定突變點，將降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動t突變檢驗見圖7，檢驗值|t|=3.23>t(0.05/2)=1.64，數(shù)據(jù)系列在1989年前后均值發(fā)生顯著跳躍，結(jié)合圖6可以確定湘江株洲站近60 a降雨過程中1989年為突變年。1955—1989年平均降雨量1 545 mm，1989—2016年平均降雨量1 755 mm，相差210 mm。

圖5 降雨天數(shù)年際變化曲線

圖6 降雨量Mann-Kendall突變檢驗

圖7 降雨量滑動t突變檢驗

降雨天數(shù)Mann-Kendall突變檢測見圖8，降雨總體表現(xiàn)為上升趨勢，但不顯著。UFk曲線和UBk曲線在1960—1966年間相交多次，2003年相交但超出置信區(qū)間。將降雨天數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動t突變檢驗見圖9，檢驗值|t|=1.22

圖8 降雨天數(shù)Mann-Kendall突變檢驗

圖9 降雨天數(shù)滑動t突變檢驗

2.2.3年際降雨周期分析

前述降雨趨勢、突變分析很難看出短周期的變化信息，對此，圖10、11給出了降雨量和降雨天數(shù)相應(yīng)的小波分析變換。該兩圖清楚地顯示了湘江株洲站近60 a來降水在不同時間尺度上的周期振蕩和突變點特征。圖中信號振蕩的強(qiáng)弱通過灰度的大小來表示，灰度越大表示年降雨量(或降雨天數(shù))越小于常年，灰度越小表示年降雨量(或降雨天數(shù))越大于常年。由圖可見，降雨量和降雨天數(shù)存在多重時間周期尺度上的嵌套復(fù)雜結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。

圖10 降雨量小波變換

圖11 降雨天數(shù)小波變換

其中降雨量周期性檢驗結(jié)果(圖10)明顯地存在5 a的短期振蕩周期、14 a的中期振蕩周期和32 a的長期振蕩周期。5 a短期振蕩上，1955—1972年間降雨量變幅較大，1972年后變幅平緩。14 a中期振蕩周期經(jīng)歷了多—少13個循環(huán)交替，規(guī)律性明顯，且2016年振蕩周期等值線遠(yuǎn)未閉合，說明2016年后短時間內(nèi)降雨會相對減少，隨后又會增加；在32 a時間尺度上呈現(xiàn)4個多—少交替變化，且等值線仍未閉合，說明2016年后在該周期上降水量將繼續(xù)維持稍微偏少趨勢。從降雨量小波方差圖中也可以看出(圖12)，波峰出現(xiàn)在周期為14 a一處，說明14 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為第一主周期。

圖12 降雨量小波方差

由降雨天數(shù)的周期性檢驗結(jié)果(圖11)，可知，株洲市降雨天數(shù)在8 a時間尺度上具有較明顯的規(guī)律性變化，震蕩劇烈，變化頻繁；在20 a時間尺度上，呈現(xiàn)貫穿整個時間序列的周期性變化，共經(jīng)歷了11個多—少循環(huán)交替，且到2016年降雨天數(shù)增多的等值線未閉合，說明2016年后短時間內(nèi)降雨天數(shù)會相對減少，隨后又會增加；在32 a時間尺度上，具有與降雨量一致的周期性變化。通過降雨天數(shù)小波方差可看出(圖13)，波峰出現(xiàn)在周期為4，8，20 a3處，最高峰值出現(xiàn)在周期20 a處，說明20 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為第一主周期，第二、第三主周期分別為8、4 a。

圖13 降雨天數(shù)小波方差

3 結(jié)論

本文以湘江株洲站近60 a日降雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計、線性趨勢、滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗、滑動t突變檢驗和小波分析等方法對株洲水文站降雨特性進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論。

a) 近60 a來的多年年均降雨量為1 637 mm，降雨年內(nèi)分配不均，但有規(guī)律；多年年均降雨天數(shù)為176.5 d，降雨天數(shù)較多，密度較大。降雨強(qiáng)度上小雨發(fā)生頻率最大，為71.3%，中雨對降雨量貢獻(xiàn)占比最大，為32.5%，降雨強(qiáng)度年內(nèi)分配與降雨量、降雨天數(shù)分配基本一致。4—6月是降雨的集中期，流域及地方需要對防洪和山洪地質(zhì)災(zāi)害做好相關(guān)預(yù)防工作。

b) 多年年均降雨量主要呈現(xiàn)豐枯交替變化過程，總體呈上升趨勢顯著。1990—2002年間上升趨勢最明顯。近60 a降雨過程中1989年為突變年，呈現(xiàn)偏少向偏多變化規(guī)律，1955—1989年平均降雨量與1989—2016年平均降雨量相差210 mm。多年年均降雨量在14 a左右時間尺度上的周期振蕩最強(qiáng)，2016年后2～3 a內(nèi)降雨量會相對減少，隨后又會增加，流域及地方要做好洪水預(yù)報預(yù)警。

c) 多年平均降雨天數(shù)雖呈波動變化，但總體趨勢表現(xiàn)平穩(wěn)。近60 a平均降雨天數(shù)沒有發(fā)生突變，多年平均降雨天數(shù)在20 a左右時間尺度上的周期振蕩最強(qiáng)，2016年后2～3 a內(nèi)降雨天數(shù)會相對減少，隨后又會增加。