符 靜，曠 微，鄧運員，田亞平，趙 莎

1. 衡陽師范學院 傳統(tǒng)村鎮(zhèn)文化數(shù)字化保護與創(chuàng)意利用技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 衡陽421002； 2. 衡陽師范學院 古村古鎮(zhèn)文化遺產數(shù)字化傳承湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421002

降水是氣候和水文氣象最重要的變量之一，是地表淡水資源的主要來源，與人類生產生活密切相關．降水模式的變化可能引發(fā)洪水、干旱、滑坡、泥石流等自然災害，致使生物多樣性喪失和農業(yè)生產力下降等[1-2]，從而較其他氣候變量會產生更直接的社會經濟影響[3]．因此，研究降水時空變化規(guī)律對于氣候分析和水資源規(guī)劃決策至關重要．

鑒于全球氣候變化對水文過程的影響，降水趨勢分析已成為氣候研究的重要組成部分[4-5]．近年來，中國區(qū)域大尺度上降雨量研究[6-10]顯示整體上年均降水變化趨勢無統(tǒng)計學意義，但分區(qū)域卻存在明顯的時空差異性，然而不同學者對相關區(qū)域分析所得結論或許有不同之處，這可能與其所選研究時段、方法以及數(shù)據(jù)資料等不同有關； 也有不少學者從流域尺度[11-15]、區(qū)域尺度[16-18]、地方尺度[19-20]等對降水變化趨勢進行分析與探討，在一定程度上豐富了全球氣候變化研究．湖南省地處亞熱帶季風氣候區(qū)，降水變率大，近期氣候具有暖濕化趨勢[21]，且該區(qū)域持續(xù)性干旱主要是由高溫和降水偏少造成，因此，從地理空間信息視角，對湖南省多站點、長時間序列降水變化進行綜合分析對于評估氣候引發(fā)的風險及其對策非常重要．本文從年、季尺度上分析了湖南省1960-2015年降水的時空特征，提高了數(shù)據(jù)的時效性，試圖揭示區(qū)域降水變化的某些規(guī)律，以期為水資源的調控、防汛抗旱提供決策參考，從而緩解旱澇災害影響．

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省位于亞熱帶季風氣候區(qū)的中國中部地區(qū)(108°47′-114°15′E，24°38′-30°08′N)，東西方向延伸約667 km，南北方向延伸約774 km，土地總面積21.18×104km2．該區(qū)域海拔介于23～2 115 m之間，地勢東、西、南三面相對較高，永州北部、衡陽盆地、長株潭地區(qū)、洞庭湖平原一帶地勢較低； 地形地貌復雜，山地、丘陵分布廣泛，二者面積約占區(qū)域總面積的2/3(圖1)．此外，湖南省水系發(fā)達，河網密布，境內洞庭湖水系由湘江、資江、沅江、澧水及其支流匯聚而成，最長的河流是湘江，最大的湖泊是洞庭湖．

基于審圖號： GS(2019)3333號標準地圖制作．圖1 研究區(qū)及氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

選取湖南省87個氣象站點1960-2015年逐月氣候資料，數(shù)據(jù)來源于湖南省氣象局，并通過初步質量控制．選定的站點數(shù)據(jù)序列整體上較為完整，針對部分站點少量缺測或無效數(shù)據(jù)，基于站點觀測資料進行線性插補．標準氣候平均值采用1981-2010年的平均值．利用站點經緯度信息，在ArcGIS 10.2軟件中將站點數(shù)據(jù)轉換成Shapefile點矢量數(shù)據(jù)，大致均勻地覆蓋整個研究區(qū)域(圖1)，以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)掛接，進行空間插值．

1.3 研究方法

1.3.1 氣候趨勢與特征分析

統(tǒng)計每一氣象站點年、季尺度降雨量，基于泰森多邊形、面積加權法獲得研究區(qū)同尺度降雨量．運用線性回歸方程模擬得到氣候傾向率[22]，用以表示降水變化趨勢，并對線性趨勢做t檢驗．采用非參數(shù)Mann-Kendall(M-K)檢驗[21]評估降水時間序列的突變特征．依據(jù)“氣象干旱等級”國家標準(GB/T 20481-2017)，選取降水距平百分率(Pa)指標揭示氣候異常特征，年尺度閾值設定為|Pa|=15%，30%，40%，45%，季尺度設定為|Pa|=25%，50%，70%，80%，將氣象等級劃分為正常與輕、中、重、特旱(或澇)．

1.3.2 Hurst指數(shù)

采用Hurst指數(shù)(H)評價區(qū)域降水時間序列的持續(xù)狀態(tài)，計算H的基本步驟如下：

1) 時間序列必須分成長度為n的d個連續(xù)子序列，且d×n=N，N即時間序列的總長度．任一子序列表示為Ia，其中，a=1，2，…，d．Ia中每一個元素記為Nk，a，其中，k=1，2，…，n．

2)Ia的均值定義為：

(1)

式中：Ea對應每一子序列Ia的均值，為均值序列．

3)Ia對于均值的累積離差定義為：

(2)

式中：Xk，a表示每一子序列Ia的累積離差．

4) 極差定義為：

RIa=max(Xk，a)-min(Xk，a)

(3)

式中：RIa表示極差； max(Xk，a)表示累積離差的最大值，min(Xk，a)表示最小值．

5) 子序列Ia的樣本標準差表示為：

(4)

式中：SIa表示每一子序列Ia的標準差．

6) 對于任意RIa，均由對應的SIa進行標準化，則R/S值定義為：

(5)

7) 增加n的值，重復上述步驟①-⑥，直到n=N/2，可得到一系列(R/S)n．

8) 分別以Log(n)，Log(n)，Log(R/S)n為橫軸和縱軸Log(R/S)進行回歸分析，所得方程的斜率即H的估計值．H介于0～1之間： 當H=0.5，表明時間序列為隨機序列； 當H>0.5，表明時間序列未來趨勢對歷史趨勢具有持續(xù)性(持續(xù)增加或持續(xù)減少)，且H越接近1，持續(xù)性越強； 當H<0.5，表明時間序列未來趨勢對歷史趨勢具有反持續(xù)性(增加轉減少或減少轉增加)，越接近0，反持續(xù)性越強．

2 結果與分析

2.1 湖南省降水量時間變化特征

2.1.1 年際變化

由圖2a可知，1960-2015年，湖南省年均降水增幅為0.833 4 mm/a(未通過顯著性檢驗)，表明多年降水呈不顯著的上升趨勢．區(qū)域降水多年均值為1 412.3 mm，2002年降雨量最大(1 924.5 mm)，2011年降雨量最少(998.4 mm)，其余大部分年份圍繞平均值上下波動．1960-1985年間降水波動變化較為平穩(wěn)，之后有明顯的“增—減”趨勢．M-K檢驗表明，所有正時間序列統(tǒng)計量構成的UF曲線和時間序列的逆轉樣本得到的逆序列統(tǒng)計量構成的UB曲線在置信區(qū)間內雖有多個交點，但統(tǒng)計量未超出臨界值(p<0.05)，表明區(qū)域多年降水量無突變特征，且UF曲線在1987-2002年幾乎呈單調遞增趨勢，與此期間降水變化趨勢基本一致(圖2b)．

圖2 1960-2015年湖南省降水量年際變化(a)及Mann-Kendall突變檢驗(b)

圖3a顯示，降水量在1984-1999年間呈現(xiàn)明顯的連續(xù)偏枯和連續(xù)偏豐現(xiàn)象．據(jù)統(tǒng)計，1963年、1971年、1978年、1985年表現(xiàn)為輕旱，2011年為中旱； 1970年、1973年、1994年、2012年表現(xiàn)為輕澇，2002年為中澇．

圖3 1960-2015年湖南省年度及四季降水距平百分率(Pa)

圖3b-e所示，春季Pa正負值交替出現(xiàn)，沒有明顯的規(guī)律性，降水連豐年和連枯年較少； 夏季降水有明顯的連續(xù)偏豐、偏枯現(xiàn)象，主要集中在1963-1970年和1983-1999年2個時段； 秋季Pa變化規(guī)律與春季類似，但波動幅度較大； 冬季降水整體上偏枯現(xiàn)象較為嚴重，且較其他季節(jié)更易出現(xiàn)降水連豐和連枯現(xiàn)象，例如在1989-1995年和2002-2007年2個時期有連豐現(xiàn)象，1960-1969年和1975-1979年2時期有連枯現(xiàn)象．據(jù)統(tǒng)計，從雨澇來看，春季輕澇6 a，夏季輕澇6 a、中澇1 a，秋季輕澇13 a、中澇2 a、重澇1 a、特澇1 a，冬季輕澇7 a，從旱情來看，春季輕旱2 a，夏季輕旱7 a、中旱1 a，秋季輕旱9 a、中旱2 a，冬季輕旱14 a、中旱1 a．由此可知，研究區(qū)近56 a發(fā)生旱澇的年份秋季最多(28 a)，冬季次之(22 a)，春季最少(8 a)，其中，秋季雨澇年份最多，冬季干旱年份最多，且除了春季，其余季節(jié)均有中度及以上雨澇或旱情．

2.1.2 年內變化

1960-2015年，湖南省年內降水集中，春、夏兩季降水較多，秋、冬兩季相對較少，絕大部分年份冬季降水最少．四季降水多年均值分別為500.2，494.2，238.2，179.6 mm，春、夏兩季降水量對全年貢獻較大，合計占全年降雨量的70.4%； 氣候傾向率分別為-0.971，1.393 7，-0.199 1，0.633 6 mm/a，均未通過顯著性檢驗，表明春、秋兩季降水呈減少趨勢，夏、冬兩季降水有增加趨勢(圖4a-d)．

M-K檢驗表明，春、秋兩季多年降水無突變點，夏、冬兩季有突變特征(圖4e-h)．具體地，春季絕大部分年份M-K統(tǒng)計量為負值，顯示出降水整體呈下降趨勢(圖4e)．夏季UF曲線表明1984-1992年間降水呈下降趨勢，1992年之后降水明顯增加，1999年超出置信區(qū)間(p<0.05)，降水有顯著增加趨勢(圖4f)．秋季自1963年開始，降水呈下降趨勢(圖4)．冬季1969年為突變點(p<0.05)，1988年之前降水呈波動上升趨勢，之后單調增加，1993年超出置信區(qū)間，降水呈顯著上升趨勢(圖4h)．

圖4 1960-2015年湖南省季節(jié)性降水量(a-d)及Mann-Kendall突變檢驗(e-h)

2.1.3 空間格局

由圖5a可知，近56 a湖南省降水增速高值區(qū)主要分布于洞庭湖平原、羅霄山一帶和湘中丘陵區(qū)，合計有62個氣象站點降水呈上升趨勢，其中，增速較高的站點主要有資興(5.03 mm/a)、臨湘(3.61 mm/a)、岳陽(3.56 mm/a)、醴陵(3.5 mm/a)、江永(3.47 mm/a)、安仁(3.32 mm/a)、華容(3.23 mm/a)等，其中，僅資興(5.03 mm/a)通過了顯著性檢驗(p<0.05)，呈顯著上升趨勢．研究區(qū)降水降速較大的區(qū)域主要分布在澧水、酉水上游和資水下游，合計25個站點降水呈下降趨勢，其中，降速較大的站點主要有古丈(-2.65 mm/a)、龍山(-2.48 mm/a)、武岡(-2.32 mm/a)、花垣(-1.97 mm/a)、新寧(-1.42 mm/a)等，均未通過顯著性檢驗．

1960-2015年，春季降水整體上減少趨勢明顯，合計87.4%的站點呈下降趨勢，其中，保靖、武岡、吉首等7個站點達到了顯著性水平(p<0.05)，且洪江呈極顯著下降趨勢(2.46 mm/a)(p<0.01)，這些具有顯著性變化的站點主要分布在大湘西地區(qū)； 資興、江永、攸縣等11個站點呈增加趨勢，主要分布在湖南南嶺地區(qū)、湘東南和洞庭湖區(qū)北部(圖5b)．夏季降水整體增加趨勢明顯，90%以上的站點呈上升趨勢，其中，辰溪、漣源、株洲等8個站點達到了顯著性水平(p<0.05)，新化呈極顯著上升趨勢(3.15 mm/a)(p<0.01)，這些具有顯著性變化的站點主要分布在株洲北部、湘中和湘西地區(qū)； 古丈、嘉禾、龍山等地呈下降趨勢(圖5c)．秋季降水合計59個站點呈下降趨勢，其余28個站點趨于上升，湘西南和湘南地區(qū)減少趨勢明顯，湘東北及其向東延伸至常德、張家界地區(qū)增加趨勢明顯(圖5d)．冬季降水整體上增加趨勢最為明顯，基本表現(xiàn)為南部增速快，北部相對較慢，僅南岳和沅陵2個站點呈下降趨勢，其余85個站點趨于上升，有4個站點達到了顯著性水平(p<0.05)，資興呈極顯著上升趨勢(2.45 mm/a)(p<0.01)(圖5e)．

圖5 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水變化趨勢空間分布

2.2 湖南省降水量空間分布特征

由圖6a可知，湖南省年均降水量大致呈自東南向西北遞減趨勢，受地形因素影響，有明顯的“牛眼”現(xiàn)象．降水高值區(qū)始于雪峰山北端，延伸至連云山、羅霄山、八面山和南嶺，呈“人”字形與降水匱乏區(qū)隔開，年均降雨量最大值出現(xiàn)在南岳(2 023.4 mm)，其次是桂東(1 707.2 mm)和安化(1 704.1 mm)．降水相對偏少區(qū)域主要分布在洞庭湖平原、衡邵盆地和湘西南地區(qū)，其中新晃最少為1164.3 mm，其次是衡陽縣(1 241.3 mm)和安鄉(xiāng)(1 246.1 mm)．

春季降水空間分布特征大致與年度降水相似，雪峰山、羅霄山和南嶺一帶為降水豐富區(qū)，澧水流域、酉水流域等降水相對較少(圖6b)．夏季降水大致呈自東南、西北向中部遞減趨勢，除衡邵盆地、洞庭湖區(qū)和湘西沅水流域降水量較少以外，其他地區(qū)降水量均較多(圖6c)．秋季降水空間格局較為復雜，與春季形成強烈對比，一定程度上呈自東南向西北遞增趨勢，且降水量較春、夏兩季普遍減少(圖6d)．冬季降雨量相對偏少，高值區(qū)域沒有其他季節(jié)明顯，且降水空間格局呈明顯的自東南向西北遞減趨勢(圖6e)．

此外，結合圖1和圖6可知，山區(qū)降水明顯多于平原和盆地區(qū)域．Pearson相關分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)年度及夏、秋、冬三季降水與海拔呈極顯著正相關(p<0.01)，相關系數(shù)分別為0.48，0.589，0.575，0.571，春季降水與海拔呈顯著正相關(p<0.05)，相關系數(shù)為0.173，表明降水受地形影響較大．例如，南岳、安化、桂東等地海拔較高，從年、季尺度上看皆是區(qū)域降水極值區(qū)(圖6)．

圖6 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水空間分布

2.3 湖南省降水量未來趨勢

湖南省Hurst指數(shù)(H)介于0.008 6～0.740 7之間，高值區(qū)位于資興、宜章、平江、江華和通道等地，低值區(qū)位于張家界、慈利、沅陵、瀘溪和石門等地(圖7a)．安化、安仁、安鄉(xiāng)等45個站點的H值在0～0.5之間，其中張家界(0.008 6)和慈利(0.039 8)最為接近0，說明這2個站點的反持續(xù)性最強．郴州、辰溪、道縣等42個站點的H值在0.5～1之間，其中資興(0.740 7)最為接近1，表明該站點的持續(xù)性最強．永州Hurst指數(shù)值最接近0.5，表明其降水時序為隨機序列．

結合圖5a和圖7a進行疊加分析，得到增加轉減少、減少轉增加、持續(xù)增加和持續(xù)減少4種降水未來趨勢(圖7b)．由圖7b可知，芷江、綏寧、邵陽市、衡陽縣、嘉禾、汝城等地降水呈持續(xù)減少趨勢，其中江華下降趨勢最明顯； 資興、臨湘、岳陽、醴陵、江永等地降水呈持續(xù)增加趨勢，其中資興上升趨勢最明顯； 張家界、龍山、花垣、永順、保靖等地降水趨勢由減少轉增加，慈利、漢壽、安化等地降水趨勢由增加轉減少．據(jù)統(tǒng)計，湖南省降水未來呈增加趨勢的區(qū)域比重(60.63%)大于呈減少趨勢的區(qū)域比重(39.37%)，且未來趨勢反持續(xù)性的區(qū)域比重(51.2%)略高于持續(xù)性的區(qū)域比重(48.8%)．

圖7 湖南省降水Hurst指數(shù)(a)及未來趨勢(b)

3 結論與討論

利用湖南省87個站點1960-2015年逐月氣候資料，實現(xiàn)了該區(qū)域多站點、長時間序列的降水時空特征研究，主要結論如下：

1) 時間上，湖南省年均降水增幅為0.833 4 mm/a，無突變特征．春、夏兩季降水量較多，秋、冬兩季相對較少，四季降水多年均值分別為500.2，494.2，238.2，179.6 mm，氣候傾向率分別為-0.971，1.393 7，-0.199 1，0.633 6 mm/a．春、秋兩季多年降水無突變點，夏、冬兩季有突變特征．各站點降水變化有增有減，年度降水合計62個氣象站點呈上升趨勢，春、秋兩季分別有76個和59個站點呈下降趨勢，夏、冬兩季分別有80個和85個站點趨于上升．

2) 空間上，湖南省年均降水大致呈自東南向西北遞減趨勢，有明顯的“牛眼”現(xiàn)象．春季和年度降水空間分布特征相似； 夏季降水大致呈自東南、西北向中部遞減趨勢； 秋季降水空間格局較為復雜，一定程度上呈自東南向西北遞增趨勢，且降水量較春、夏兩季普遍減少； 冬季降雨量相對偏少，空間格局呈明顯的自東南向西北遞減趨勢．

3) 年尺度Pa顯示，降水量在1984-1999年間呈現(xiàn)明顯的連續(xù)偏枯和連續(xù)偏豐現(xiàn)象，2011年為中旱； 2002年為中澇．季尺度Pa顯示，春季正負值交替出現(xiàn)，表明降水連豐年和連枯年較少； 夏季降水集中在1963-1970年和1983-1999年這2個時段有明顯的連續(xù)偏豐、偏枯現(xiàn)象； 秋季降水變化規(guī)律與春季類似，但波動幅度較大； 冬季降水整體上偏枯現(xiàn)象較為嚴重．且研究區(qū)發(fā)生旱澇的年份秋季最多(28 a)，冬季次之(22 a)，春季最少(8 a)．

4)Hurst指數(shù)介于0.008 6～0.740 7之間，高值區(qū)位于資興、宜章、平江、江華和通道等地，低值區(qū)位于張家界、慈利、沅陵、瀘溪和石門等地．降水未來趨勢反持續(xù)性的區(qū)域比重略高于持續(xù)性的區(qū)域比重，其中，芷江、綏寧、邵陽市、衡陽縣、嘉禾、汝城等地降水呈持續(xù)減少趨勢，資興、臨湘、岳陽、醴陵、江永等呈持續(xù)增加趨勢； 張家界、龍山、花垣、永順、保靖等呈反向增加趨勢，慈利、漢壽、安化等呈反向減少趨勢．

湖南省位于南方濕潤區(qū)，受地形、西太平洋副高、社會經濟等因素共同影響，形成了典型亞熱帶季風氣候，降水變率大，導致年、季尺度降水的時空差異性，旱澇災害多發(fā)，本文僅討論了地形對降水變化的影響，后續(xù)研究可通過實驗或相關性算法挖掘更多因素．此外，空間插值是由點及面的模擬算法，進一步研究可比較不同插值方法誤差，選取適合研究區(qū)的最優(yōu)插值方法，以提高空間插值精度．