周 旋 李小韻

(1.無錫市濱湖區(qū)水利局,江蘇 無錫 214000;2.無錫市水利局,江蘇 無錫 214000)

1 研究背景

氣候在水文循環(huán)過程中是一個重要的因素,氣候的變化不僅直接影響流域水資源的配置,對自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)和人們的生活也會帶來不同程度的影響[1]。目前,全球氣候變暖已經(jīng)得到了各國研究人員的一致認(rèn)可,在此背景下,降水作為氣候要素中最直接、最敏感的要素,其變化情況對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生著最直接的影響。尤其是近些年出現(xiàn)的極端降雨天氣,給群眾財產(chǎn)帶來巨大的損失。因此,及時、準(zhǔn)確地掌握降雨演變規(guī)律具有重要意義。近年來,許多學(xué)者對于江蘇省內(nèi)的降雨特征及其變化趨勢展開了相關(guān)研究。鄧自旺等[2]利用江蘇省60個氣象站1961—2001年的逐月降水量資料,計算了逐月、逐季和逐年降水量距平百分率,以此來探究江蘇降水的長期趨勢和年代際變化特征及其空間差異;邱新法等[3]以江蘇省62個氣象站1961—2005年降水資料為基礎(chǔ),系統(tǒng)分析了江蘇省近45年來降水變化趨勢;鄭騰飛等[4]以江蘇省1961—2010年逐日降水?dāng)?shù)據(jù),利用去趨勢波動分析法確定了全省13個站點(diǎn)的極端降水閾值,并通過Morlet小波及Mann-Kendall法分析了江蘇省極端降水頻數(shù)的振蕩周期及其突變;方功先等[5]基于南京站1951—2020年逐日實(shí)測降水資料,采用多種特征指標(biāo)分析了南京市近70年降水變化特征。

無錫市地處江蘇省蘇南地區(qū)中部,是江蘇省蘇南城市群的重要組成部分,研究無錫市的降水對于整個蘇南地區(qū)具有一定參考價值。鑒于此,本文采用多種時間序列分析方法,系統(tǒng)性地對無錫市降水特征進(jìn)行了研究分析。

2 研究區(qū)域概況

無錫市位于長江三角洲長江和太湖間走廊部分,江蘇省的東南部,東鄰蘇州,南瀕太湖,西接常州,北臨長江,下轄江陰、宜興兩個縣級市,梁溪、錫山等6個區(qū),總面積4627.47km2。無錫市地處北亞熱帶和北溫帶過渡帶,屬北亞熱帶濕潤的季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣候溫和,雨水充沛,日照充足。夏季受來自海洋的夏季季風(fēng)控制,盛行東南風(fēng),天氣炎熱多雨;冬季受大陸盛行的冬季季風(fēng)控制,天氣寒冷干燥。

3 資料和方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集整理大運(yùn)河(無錫)站1971—2020共50年的降水量資料,統(tǒng)計月降水量、四季降水量、年降水量。其中,約定春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至次年2月。

3.2 研究方法

使用滑動平均法、線性回歸法、Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法以及Morlet小波分析法對降水量變化趨勢及其周期性進(jìn)行分析。

滑動平均法是一種趨勢外推方法,在簡單平均數(shù)法基礎(chǔ)上,通過順序逐期增減新舊數(shù)據(jù)求算移動平均值。此方法可以減小偶然變動因素影響,推算事物發(fā)展趨勢。

線性回歸作為一種統(tǒng)計方法,用來確定因變量與自變量之間的相關(guān)關(guān)系,采用的原理是數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析。

M-K檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,能夠用來檢驗(yàn)序列的變化趨勢是否顯著。它的優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要服從某一特定分布,且受異常值的影響較小。目前,在水文序列的趨勢檢驗(yàn)中,M-K檢驗(yàn)方法有著廣泛的應(yīng)用。其檢驗(yàn)原理如下:

(1)

(2)

式中:xk和xi為樣本值;n為序列長度。

若|ZC|≤Z(1-α/2),則該序列無顯著性趨勢;若ZC<-Z(1-α/2),則序列呈顯著下降趨勢;若ZC>Z(1-α/2),則序列呈顯著上升趨勢。

小波分析是一種調(diào)和分析方法,目前被廣泛應(yīng)用于水文序列的周期性和趨勢性分析。Morlet小波變換系數(shù)有實(shí)部、虛部兩部分,實(shí)部表示信號在不同時間位置上的分布和相位信息,用來區(qū)分不同特征的時間尺度信號;小波系數(shù)的模值反映了特征時間尺度信號的強(qiáng)弱程度[6]。對于給定的水文序列f(t),連續(xù)小波變換為

(3)

在實(shí)際應(yīng)用中,通常對水文序列進(jìn)行離散化處理。離散形式的小波變換為

(4)

4 降水量變化分析

4.1 降水量年內(nèi)分配特點(diǎn)

根據(jù)1971—2020年降水量資料計算平均降水量,總體來講,無錫市降水豐沛,多年平均年降水量可達(dá)1145.2mm。年內(nèi)各月降水量分配不均,從圖1中可以看出,無錫市年內(nèi)降水量分布呈單峰型,變化范圍為37.1～197.8mm。年內(nèi)降水量最大在6月,出現(xiàn)在夏季;降水量最小在12月,出現(xiàn)在冬季。從圖2四季分布來看,無錫市夏季降水量最多,約占全年降水總量的44%,冬季降水量最少,約占全年總降水量的14%。從氣象角度分析認(rèn)為,無錫市地處東南沿海地區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季東南季風(fēng)從太平洋和印度洋帶來大量暖濕氣流,因此,夏季降水較多。冬季風(fēng)主要來自寒冷干燥的西伯利亞地區(qū),因此,冬季氣溫降低,降水較少。

圖1 無錫市降水量年內(nèi)分布

圖2 無錫市降水量四季分配

4.2 降水年際變化趨勢

為了分析無錫市降水量的年際變化特征,對歷年降水量進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖3所示,無錫市1971—2020年這50年的降水量呈現(xiàn)一個波動上升的趨勢。線性趨勢線顯示,年降水量增加幅度為58.68mm/10a?；瑒悠骄€顯示,降水量年際變化的幅度總體不是很大,個別年份出現(xiàn)較大變幅,其中降水量最大的是2016年的1978.2mm,降水量最小的是1978年的552.9mm。

圖3 無錫市降水量年際變化趨勢

為了驗(yàn)證無錫市降水量的變化是否表現(xiàn)出顯著的趨勢性特征,采用Mann-Kendall方法進(jìn)行檢驗(yàn)。通過計算,得出無錫降水量的Kendall值為2.14,|Zs|>1.96。結(jié)果表明:無錫市1971—2020年的降水量序列呈上升趨勢,且在95%的置信水平下,上升趨勢顯著。Mann-Kendall的統(tǒng)計量曲線如圖4所示,無錫市降水量UF序列從1971年開始均大于0,表明序列呈現(xiàn)上升趨勢。UF序列與UB序列在95%置信區(qū)間內(nèi)共有11個交點(diǎn),其中1986年和2005年這兩個點(diǎn)為突變點(diǎn),UF序列與UB序列相交后分別于1991年和2016年超越置信區(qū)間,因此,降水量在1986年和2005出現(xiàn)了突變,且突變趨勢為增加趨勢。其余交點(diǎn)有可能為突變點(diǎn),由于UF序列與UB序列相交后沒有超越置信區(qū)間,因此無法確認(rèn)。

圖4 無錫市降水量M-K檢驗(yàn)

4.3 年降水量周期分析

圖5為無錫市降水量小波系數(shù)的實(shí)部等值線,從該圖中能夠得出降水量序列在不同時間尺度下的周期變化,從而根據(jù)周期特性推斷出降水量未來一定時間內(nèi)的變化趨勢。

圖5 無錫市降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖5中,橫坐標(biāo)表示年份,縱坐標(biāo)表示時間尺度。小波系數(shù)實(shí)部的數(shù)值越大,顏色越亮,表明降水量越大,該時期為豐水期;實(shí)部的數(shù)值越小,顏色越暗,表明降水量越小,該時期為枯水期。無錫市的年降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年的小尺度這3類時間尺度的周期性變化。在18～20年時間尺度上,降水量經(jīng)歷了枯→豐→枯→豐→枯→豐這6個豐枯循環(huán)的周期。1975年之前和2020年之后的等值線均未閉合,從該時間尺度上的等值線推測,1975年之前可能存在一個豐水期,2020年后可能存在一個枯水期。在11～12年的時間尺度上,降水量經(jīng)歷了豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐這11個循環(huán)周期。從這一時間尺度上的等值線的閉合情況推測,1972年之前以及2020年之后會有一段時間的枯水期。在4～5年的時間尺度上,降水量豐枯循環(huán)周期的情況更加復(fù)雜,豐枯交替頻率更高。根據(jù)等值線的閉合情況推測,2020年開始會有一個短期的豐水期。

小波方差可以反映降水量序列的波動幅度隨著時間尺度變化的分布情況,方差曲線的峰值所對應(yīng)的時間尺度即為顯著的周期,本文采用小波方差曲線來檢驗(yàn)降水量主周期。從圖6可以看出,曲線最高峰值對應(yīng)的時間尺度約為12年。因此,無錫市年降水量變化最為顯著的主周期為12年。

圖6 無錫市降水量小波系數(shù)方差

5 結(jié) 論

通過采用滑動平均、回歸分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)以及小波分析方法對無錫市1971—2020年降水量進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

a.以大運(yùn)河無錫水文站為代表,分析無錫市近50年降水量發(fā)現(xiàn),無錫市多年平均降水量年內(nèi)分布呈單峰型,降水量最大在6月,出現(xiàn)在夏季,夏季降水量約占全年總降水量的44%;降水量最小在12月,出現(xiàn)在冬季,冬季降水量約占全年總降水量的14%。從氣象學(xué)角度來說,這與無錫市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)有直接關(guān)系。

b.無錫市降水量年際變化呈上升趨勢,上升幅度約58.68mm/10a。利用Mann-Kendall方法分析降水量變化趨勢可知,上升趨勢顯著,且在1986年和2005年出現(xiàn)突變增加。

c.無錫市降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年小尺度這3類時間尺度的周期性變化。根據(jù)小波方差的檢驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為無錫市降水量變化最為顯著的主周期為12年。從這一主周期來看,2020年處的等值線尚未閉合。推測在這一時間尺度上,無錫市未來的10～12年總體會出現(xiàn)一個枯水期。