周牡丹，賴爾林

（湖南省聯(lián)宏水利科技有限公司，湖南 株洲 412007）

降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有重要影響，許多學(xué)者對降水在時(shí)間和空間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，劉政鴻[1]研究表明，陜西省近50 a降水呈現(xiàn)減少趨勢并出現(xiàn)2次突變；李加順等[2]研究表明昆明地區(qū)降水量在65 a 期間緩慢減小，有5 個(gè)明顯的主周期；郭銘[3]研究表明朝陽市降水量在63 a長系列上存在3個(gè)主周期變化并預(yù)測未來3 a降水量偏少；常周梅等[4]研究表明西寧市近65 a氣溫與降水均呈現(xiàn)上升趨勢，變化的3 個(gè)主周期為45、32、18 a；段詳佩等[5]研究表明近54 a重慶市年降水量與各季降水量均呈下降趨勢。

1 研究區(qū)概況

株洲市是湖南省重要的交通樞紐，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明、雨量充足，年平均氣溫16～18℃。株洲市域的河流長度5 km 以上的341 條，30 km 以上的19 條，100 km 以上的7 條，均屬湘江水系[6]。研究資料來源于株洲市的原始實(shí)測資料。降水量的模比過程線總趨勢呈單一直線關(guān)系，說明降水資料的一致性較好[7]。株洲市1954—2012 年降水量差積曲線呈現(xiàn)豐、平、枯變化周期，1954—1982 年屬于平水年，1983—1994 年屬于枯水年，1995—2012 年屬于豐水年。降水量累積模比系數(shù)隨著降水周期的增加而增加，在降水周期長達(dá)50 a時(shí)，降水量模比系數(shù)累積平均值有漸趨近于1 的趨勢，具有較好的收斂性，系列穩(wěn)定性較好[7]。

使用滑動平均值法、距平分析法對株洲市1954—2012 年降水量變化規(guī)律進(jìn)行分析，并利用Mann-Kendall 非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法、t 檢驗(yàn)對比分析了年降水量突變情況，運(yùn)用小波分析方法研究了年降水量在不同時(shí)間尺度的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)厮Y源合理開發(fā)利用提供了依據(jù)。

2 年降水量特性分析

2.1 降水量年際變化和年代變化

1954—2012 年株洲市年降水量變化過程線，如圖1所示。由圖1可以看出，59 a長系列年降水呈現(xiàn)“增加—減少—增加”的波動形態(tài)。采用10 a滑動平均曲線對年降水的變化過程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，株洲市在59 a時(shí)段內(nèi)降水量總體趨勢與時(shí)間軸接近平行且略有增加，增加27.3 mm/10 a。

圖1 株洲市1954—2012年降水量變化

株洲市不同年代降水量變化詳見表1，20 世紀(jì)70 年代降水量比20 世紀(jì)60 年代有所增加；20 世紀(jì)80 年代降水量與20 世紀(jì)70 年代相比，呈下降趨勢；20 世紀(jì)90 年代與20 世紀(jì)80 年代相比，降水又出現(xiàn)大幅度增加；進(jìn)入21世紀(jì)，降水出現(xiàn)下降趨勢，但相對20世紀(jì)60、80年代降水量有所增加。

表1 株洲市不同年代降水量變化情況

2.2 年降水量距平分析

根據(jù)1954—2012 年降水量序列，做出年降水量距平圖及距平趨勢線，如圖2所示。由圖2可以看出，在1954—2012 年期間，正距平最大值出現(xiàn)在2002年，負(fù)距平最大值出現(xiàn)在1954 年。線性趨勢線表示年降水量呈增加趨勢，變化幅度不大。株洲市59 a降水量平均值為1 395.3 mm，高于平均值的有24 a，低于平均值的有24 a，十分接近平均值的有11 a。因此可以看出，株洲市豐水年與枯水年頻次十分接近，高降水量、正常降水量及低降水量出現(xiàn)的頻次表明株洲市降水變化比較有規(guī)律。

圖2 株洲市1954—2012年降水量距平變化

2.3 干旱等級分析

按照旱澇對稱原則結(jié)合湖南省實(shí)際情況對降水量距平百分率進(jìn)行分級[8]，詳見表2；根據(jù)旱澇等級劃分株洲市干旱等級情況，詳見表3。

表2 湖南省降水量旱澇等級劃分

表3 株洲市干旱等級情況

由表3可知，在1954—2012年期間，株洲市發(fā)生了7 次特大干旱，頻率為11.86%；嚴(yán)重干旱發(fā)生了6次，分別為1958、1959、1968、1974、1978、2007 年；中等干旱發(fā)生了6 次；輕度干旱發(fā)生了5 次；不澇不旱發(fā)生了11次，頻率為18.64%；其余24 a為濕潤年。

3 降水量突變分析

用Mann-Kendall 非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法檢測株洲市降水序列變化趨勢，結(jié)果如圖3 所示。M-K 趨勢指標(biāo)U＝1.36＞1.28，通過90%顯著性檢驗(yàn)，呈增加趨勢，說明株洲市近59 a的降水呈顯著的增加趨勢。在M-K 曲線中，UF 和UB 曲線有19 個(gè)交點(diǎn)，出現(xiàn)在20 世紀(jì)50—80 年代之間，說明存在突變，但突變點(diǎn)不明顯，也可能存在偽突變點(diǎn)。UF 曲線在1999—2006 年期間超過置信區(qū)間1.96 水平，在這8 a 期間增加趨勢相對明顯，存在突變點(diǎn)。對可能存在的突變點(diǎn)進(jìn)行10 a 滑動t 檢驗(yàn)，如圖4 所示。結(jié)果顯示，當(dāng)顯著水平為0.01、子系列長度為10 時(shí)，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)統(tǒng)計(jì)量t在1988—1994年期間及2002—2003年期間超過置信區(qū)間，結(jié)合M-K 檢驗(yàn)結(jié)果，說明在2002年株洲市降水量出現(xiàn)突變點(diǎn)。

圖3 降水量突變分析

圖4 降水量滑動t檢驗(yàn)

4 降水周期特征分析

4.1 小波系數(shù)實(shí)部分析

小波系數(shù)實(shí)部等值線，如圖5 所示。在整個(gè)時(shí)間周期上，年降水量變化過程存在4～6、8～12、18～22 a 3 種尺度周期變化規(guī)律，其中在1954—1975年期間，存在5次枯—豐交替變換，中心時(shí)間尺度約為5 a，1975 年以后震蕩變化幅度較大；在1976—2010年期間，存在4次枯—豐交替變換，中心時(shí)間尺度約為10 a；在18～22 a 時(shí)間尺度上出現(xiàn)3 次枯—豐交替變換，中心時(shí)間尺度約為20 a，20 a 時(shí)間尺度震蕩能量變化最強(qiáng)、周期變化最明顯，是主要枯—豐震蕩周期。

圖5 小波系數(shù)實(shí)部等值線

4.2 小波系數(shù)方差分析

小波方差，如圖6 所示，年降水量小波方差變幅圖存在3 個(gè)明顯的峰值，對應(yīng)周期為5、10 和20 a。其中，20 a時(shí)間尺度所對應(yīng)的小波方差峰值最大，周期震蕩最強(qiáng)，是59 a 降水量變化的第一周期，而10和5 a 周期尺度對應(yīng)年降水量變化的第二、第三周期。這3個(gè)周期的波動控制著年降水量在整個(gè)研究的59 a內(nèi)的變化特征。

圖6 小波方差

4.3 周期趨勢分析

根據(jù)小波方差圖，繪制第一主周期20 a 和第二周期10 a時(shí)間尺度的年降水量小波系數(shù)實(shí)部過程曲線，如圖7所示。在不同時(shí)間尺度下，年降水量存在枯—豐變化特征。由圖7（a）可以看出，在20 a 時(shí)間尺度下，年降水量的平均周期為10 a 經(jīng)歷1 個(gè)半豐—枯演變期，2012 年以后小波系數(shù)為正值，到2017年降水將處于偏多時(shí)期。由圖7（b）可以看出，在10 a時(shí)間尺度下，年降水量的平均周期為5 a 經(jīng)歷1 個(gè)半豐—枯演變期，2010 年以后小波系數(shù)由負(fù)變正，年降水量呈增加趨勢，直至2017 年降水量都將處于偏多時(shí)期。

圖7 不同時(shí)間尺度年降水量小波系數(shù)實(shí)部過程線

5 結(jié)論

使用滑動平均值法、距平分析法、Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法、t 檢驗(yàn)及小波分析法對株洲市1954—2012 年降水量變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）株洲市在59 a時(shí)段內(nèi)降水量總體呈增加趨勢，每年增加2.73 mm，降水量在2002 年達(dá)到最高，在1954 年達(dá)到最低，呈現(xiàn)先增加再減少再增加的趨勢。

（2）選用距平百分率建立干旱評價(jià)指標(biāo)，將株洲市干旱劃分為9個(gè)等級，其中不澇不旱年出現(xiàn)11次，頻率為18.64%，特大干旱年出現(xiàn)7 次，頻率為11.68%；嚴(yán)重干旱和中度干旱各出現(xiàn)6 a；輕度干旱出現(xiàn)5 a；其余24 a為濕潤年。

（3）通過M-K 法檢驗(yàn)及滑動t檢驗(yàn)可知，在研究期內(nèi)該地區(qū)降水通過90%顯著性檢驗(yàn)，呈增加趨勢，出現(xiàn)突變的時(shí)間是2002年。

（4）20 a時(shí)間尺度所對應(yīng)的小波方差峰值最大，是59 a 降水量變化的第一周期，而10 和5 a 周期尺度對應(yīng)年降水量變化的第二、第三周期。這3 個(gè)周期的波動控制著年降水量在整個(gè)研究的59 a內(nèi)的變化特征。