王 江 孫正蘭 王駿秋

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚(yáng)州 225200)

近年來，隨著全球氣候變暖和人類活動(dòng)導(dǎo)致一些區(qū)域極端氣候的發(fā)生。降水量異常是引起許多地區(qū)旱澇災(zāi)害的最主要原因?；春恿饔虻靥幹袊鴸|部南北氣候過渡帶，氣候復(fù)雜，汛期降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。本文對(duì)萬福閘站1966—2017年的降水資料進(jìn)行分析，得到52年的降水變化特征和趨勢預(yù)測分析結(jié)果，為淮河入江水道尾閭行洪工程的防汛抗旱和科學(xué)調(diào)度提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

萬福閘地處揚(yáng)州市廣陵區(qū)，位于淮河入江水道廖家溝上，是淮河排洪的主要控制工程之一，主要作用是擔(dān)負(fù)淮河排洪入江水量的65%，引納江水，改善邵伯湖沿湖地帶農(nóng)田灌溉用水條件，控制揚(yáng)州段京杭大運(yùn)河水位，改善通航、城市工業(yè)和生活用水條件。該閘共65孔，每孔凈寬6m，總長469.2m，總凈寬390m，設(shè)計(jì)流量為8270m3/s。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季氣候分明，降水集中在夏秋兩季，6—7月經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)梅雨天氣，7—9月由于受當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)影響，或者臺(tái)風(fēng)與其他天氣系統(tǒng)一起遭遇時(shí)，常造成淮河地區(qū)的特大暴雨。

2 資料來源及分析方法

2.1 資料來源

本文選用萬福閘水文站1966—2017年的逐日降水量觀測資料，統(tǒng)計(jì)出逐月和逐年降水量，其中汛期為每年的5—9月。

2.2 分析方法

降水屬非平穩(wěn)隨機(jī)水文現(xiàn)象，降水具有趨勢性、周期性和平穩(wěn)隨機(jī)性等多項(xiàng)特征，所以對(duì)降水進(jìn)行趨勢和周期性分析是有必要的。本文采用氣象上普遍采用的Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)萬福閘站降水進(jìn)行趨勢分析，得出該時(shí)期內(nèi)降水的整體變化趨勢和發(fā)生突變的年份。對(duì)降水周期分析的方法有方差分析法、滑動(dòng)平均值法、譜分析法和小波分析法，本文采用Morlet小波法對(duì)該站降水進(jìn)行周期性分析，得到降水系列的多時(shí)間尺度下的變化周期，從而預(yù)測未來的降水趨勢。

3 結(jié)果及分析

3.1 降水量年內(nèi)、年際特征

萬福閘站降水量年際變化較大，1966—2017年萬福閘站的多年平均年降水量為1028.5mm，最大年降水量為1821.5mm，發(fā)生年份為2016年；最小年降水量410.8mm，發(fā)生年份為1978年；最大年降水量是最小年降水量的4.43倍。

從圖1可以看出該站降水量年內(nèi)季節(jié)性變化很大，年內(nèi)降水量分配不均。全年汛期(5—9月)降水比較集中，汛期降水量達(dá) 664.7mm，占年降水量的64.6%；10月至次年4月的降水量為363.8mm，僅占全年降水量的35.4%。連續(xù)最大3個(gè)月(6—8月)降水量為490.1mm，占全年降水量的47.7%；連續(xù)最小3個(gè)月(12—2月)降水量為114.8mm，占全年降水量的11.2%。最大月(7月)降水量為201.8mm，占全年降水量的19.6%；最小月(12月)降水量為29.9mm，占全年降水量的2.9%。形成汛期降水量集中、夏澇冬旱的特點(diǎn)。

圖1 萬福閘站月降水量年內(nèi)分配

3.2 降水量周期變化

小波分析法是一種時(shí)頻多分辨率分析方法，具有時(shí)頻局部化功能。小波分析法可以將降水時(shí)間系列的頻率特征在時(shí)間域上展現(xiàn)出來，分析出其主要周期。小波分析法的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號(hào)或函數(shù)。

小波函數(shù)ψ(t)連續(xù)小波變換后成離散小波變換形式：

式中：Wf(a，b)為小波變換系數(shù)；f(t)為一個(gè)信號(hào)或平方可積函數(shù)；a為伸縮尺度；b平移參數(shù)的復(fù)共軛函數(shù)。

將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，即

小波系數(shù)的模值反映了不同時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度，模值越大，說明周期變化越明顯。圖2為萬福閘站年降水量小波系數(shù)模等值線圖，從圖2中可以明顯看出20～25年時(shí)間尺度的模值最大，10～15年和3～6年時(shí)間尺度的周期變化次之。

為進(jìn)一步分析小波的主周期，可以通過小波方差圖分析。圖3為萬福閘站年降水量小波方差圖，從圖3中可以明顯看出4個(gè)較為明顯的峰值(23年、14年、10年和4年)。其中，23年時(shí)間尺度的周期變化最為明顯，為降雨量變化的第一主周期，14年、8年和4年分別對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度為第二、第三和第四主周期。這個(gè)結(jié)論與小波系數(shù)模等值線圖分析的結(jié)果是一致的。

通過對(duì)圖3的分析，可以得到不同主周期特征時(shí)間尺度小波實(shí)部過程線，見圖4。不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)可反映不同時(shí)間尺度下的水文序列變化，正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)豐水期，負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)枯水期，其中23年、14年主周期特征時(shí)間尺度變化最為明顯。在23年時(shí)間尺度上，流域徑流變化的平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了3.5個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期；而在14年時(shí)間尺度上，流域的平均變化周期為10年左右，大約5個(gè)周期的豐-枯變化。

3.3 降水量變化趨勢分析

許多學(xué)者不斷應(yīng)用改進(jìn)的Mann-Kendall方法分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列趨勢變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不一定要滿足一定的分布特征，而且不受異常值的擾動(dòng)，適用于水文時(shí)間序列，計(jì)算也比較簡單。

圖2 年降水量小波系數(shù)模等值線

圖3 年降水量小波方差

圖4 不同主周期特征時(shí)間尺度小波實(shí)部過程線

在Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)中，假設(shè)有n個(gè)樣本量(x1，…，xn) 的時(shí)間序列，對(duì)于所有 k，j≤n，且k≠ j，xk和xj的分布是不同的，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S通過下式計(jì)算：

方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng) n＞10時(shí)，統(tǒng)計(jì)值Z計(jì)算如下：

統(tǒng)計(jì)值Z＞0時(shí)，是增加趨勢；統(tǒng)計(jì)值Z＜0時(shí)，則是減少趨勢。如果Z的絕對(duì)值在大于等于1.28、1.96時(shí)，就表示通過了置信度90%和95%的顯著性檢驗(yàn)。

在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與趨勢檢驗(yàn)中Z有所不同，通過構(gòu)造序列

分析繪出的UFk和UBk曲線圖。若UFk的值大于0，則表明降水呈上升趨勢，反之則表明降水呈下降趨勢。如果超過臨界線說明變化趨勢顯著，如果兩條曲線相交，則交點(diǎn)為降水變化的突變年份。

在Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)中，計(jì)算得萬福閘站S值為 159，var(S)值為 16059，Z 值為 1.25，小于1.28，表明萬福閘站52年來降水量呈上升的趨勢，但是沒有通過置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，說明萬福閘站的年降水量增加趨勢不明顯。

從圖5上可以看出，萬福閘站年降水量在1969—1975年、1986—2016年呈增加趨勢，其他年份呈減少趨勢，但都沒有通過0.05顯著性檢驗(yàn)(U0.05=1.96)，說明變化趨勢均不明顯，根據(jù)兩條曲線交點(diǎn)的位置，得出萬福閘站年降水量在1969年、1973年、1976年、1987年、1991年、1998年、2003年、2008年、2013年存在突變。

圖5 萬福閘站年降水量UFk和UBk曲線

4 結(jié)語

本文通過對(duì)萬福閘站1966—2017年52年降水量資料的研究，得出入江水道萬福閘站多年平均降水量為1028.5mm，全年降水年內(nèi)分配不均，汛期占了全年降水量的64.6%；降水年際變化具有豐水和枯水年組交替出現(xiàn)的周期性趨勢，降水系列存在23年、14年、10年和4年4個(gè)多時(shí)間尺度的周期變化，其中23年時(shí)間尺度的周期變化最為顯著，降水變化的平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了3.5個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期。萬福閘站52年來降水量整體呈上升的趨勢，但年降水量增加趨勢不明顯。