許廣東，蔣 煜

（1.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇徐州 221018；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 概 述

降水作為水文循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，與大氣、土壤、植被等要素的聯(lián)系十分密切，其過程變化將帶來環(huán)境擾動，進(jìn)而產(chǎn)生了水文響應(yīng)［1-2］。因此，分析降水變化過程及其時空分布，研究水文序列的統(tǒng)計規(guī)律，分析其趨勢性、跳躍性和周期性等，具有十分重要的意義。

近年來，相關(guān)學(xué)者對水文序列的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行了研究，其成果主要體現(xiàn)在徑流、洪水和降水等要素中。在徑流方面，楊燁等［3-4］對金沙江上游流域多年徑流的時空變化特征進(jìn)行Mann-Kendall檢驗，表明年徑流增加趨勢不顯著，但月徑流量在5 月和6 月顯著增加。在洪水要素方面，許世超等［5］對贛江中下游流域多個站點(diǎn)洪水要素資料進(jìn)行趨勢與突變分析，表明贛江中下游年最大洪峰無趨勢變化，但贛江下游年最高水位存在顯著的下降趨勢和突變。在降水方面，欒承梅等［6］研究了江蘇省里下河地區(qū)的多年降水量，對其年降水的趨勢性、突變性及周期性進(jìn)行分析，研究年降水發(fā)生跳躍性變異的時間及趨勢。

2 研究方法

本文主要開展針對性研究，揭示短歷時降水極值的演變規(guī)律，旨在為防洪設(shè)計提供支持。以江蘇省新沂河流域為研究對象，對其短歷時（年最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h）降水極值序列進(jìn)行統(tǒng)計規(guī)律分析，研究其趨勢性、跳躍性和周期性。對降水等時間序列事件進(jìn)行趨勢性分析時，Mann-Kendall檢驗法因為有很高的定量化程度和不需要先假定樣本分布的優(yōu)點(diǎn)，被學(xué)者們廣泛使用。本文采用Mann-Kendall趨勢檢驗法［7-9］開展趨勢性分析，采用Mann-Kendall 突變檢驗法［10］進(jìn)行跳躍性分析，并用Morlet 小波分析法［11-12］進(jìn)行周期性分析。相關(guān)研究成果可為當(dāng)?shù)厮?guī)劃與設(shè)計、防洪減災(zāi)等方面提供數(shù)據(jù)支撐。

3 實(shí)例分析

3.1 流域概況

江蘇省新沂河流域位于該省北部，地處暖溫帶與亞熱帶過渡地帶，屬暖溫帶季風(fēng)氣候。流域多年平均降水量為883.6 mm，最大年降水量1 396.0 mm，最小年降水量531.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為982.6 mm。流域降水年內(nèi)分布極不均勻，其中70%的降水集中在6—9月。本文研究區(qū)為新沂河沭陽站以上區(qū)域，采用流域內(nèi)10 個雨量站1981—2020 年的降水量資料開展研究。研究區(qū)水系及雨量站點(diǎn)空間分布如圖1所示。

圖1 新沂河流域水系及雨量站分布

3.2 趨勢性分析

3.2.1 單站短歷時降水規(guī)律分析

由于降水在空間上具有隨機(jī)性和變異性，為揭示研究區(qū)10個雨量站的不同歷時降水極值是否存在趨勢性變化規(guī)律，本次采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對各個雨量站逐一分析。以沭陽站和穿城站為例，顯著性水平、趨勢變化速率及上升幅度見表1。

表1 沭陽站、穿城站降水量極值序列檢驗趨勢

為進(jìn)一步分析各站趨勢變化速率及幅度，繪制各站點(diǎn)不同歷時降水極值的趨勢變化速率圖和上升幅度圖（變化速率及上升幅度均取實(shí)際計算結(jié)果的絕對值），分別見圖2和圖3。

圖2 各站不同歷時降水極值趨勢變化速率

圖3 各站不同歷時降水極值變化幅度

經(jīng)分析計算可知，年最大1 h、3 h、6 h、12 h 和24 h 降水量統(tǒng)計值均小于1.96，所以未通過在顯著性水平α=0.05條件下的趨勢檢驗，表明各站點(diǎn)不同歷時降水極值無顯著趨勢性變化。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，新安、桐槐樹、來龍庵、時集和阿湖水庫站不同歷時降水極值呈不顯著下降趨勢，嶂山閘、沭陽、穿城、桃林和高流站不同歷時降水極值均為不顯著上升趨勢。此外，同一站點(diǎn)不同歷時降水極值變化趨勢相同，結(jié)合圖1可知，各站點(diǎn)趨勢性和站點(diǎn)地理位置之間沒有明顯規(guī)律。

就變化速率而言，由圖2 和圖3 可知，不同站點(diǎn)不同歷時降雨極值趨勢變化速率和變化幅度存在較大的差別，不同歷時降水極值趨勢變化速率為0.01～1.18 mm/a，相應(yīng)變化幅度范圍為每10 a 0.1～11.8 mm。

3.2.2 面平均短歷時降水規(guī)律分析

為分析流域不同歷時面雨量極值的趨勢性，以最大1 h 面雨量為例，使用線型趨勢法對新沂河流域1981—2020年面雨量過程進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 年最大1 h面雨量極值及線性趨勢

在顯著性水平α=0.05 條件下，再次對1981—2020年面雨量年極值進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗，檢驗成果見表2。

表2 不同歷時面雨量極值序列檢驗趨勢

通過計算可知，年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h面雨量極值統(tǒng)計值分別為0.18、0.33、0.40、0.53 和0.69，均小于在顯著性水平α=0.05條件下的值1.96，所以趨勢性檢驗不顯著。不同歷時的面降水量年極值序列在年際上均呈增長趨勢，但趨勢性也不顯著。

綜上可以得出，1981—2020年新沂河流域年最大1 h、3 h、6 h、12 h 和24 h 面降水量極值呈上升趨勢，但趨勢不顯著。

3.3 跳躍性分析

從流域防洪的角度而言，流域面雨量極值的統(tǒng)計規(guī)律更具現(xiàn)實(shí)意義。本次以研究區(qū)1981—2020年的年最大1 h、3 h、6 h、12 h 和24 h 面降水極值序列為對象，采用Mann-Kendall 法對其進(jìn)行跳躍性分析。檢測突變點(diǎn)年份可知，新沂河流域年最大1 h面平均雨量極值突變點(diǎn)年份為1986 年和2002 年，年最大3 h、6 h、12 h和24 h面雨量極值突變點(diǎn)年份為2002年。

3.4 周期性分析

為揭示研究區(qū)不同歷時面雨量極值周期性規(guī)律，本文采用小波分析對年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h 的面雨量極值序列進(jìn)行了周期分析，可知年最大12 h 流域面雨量序列主周期為38 a 和6 a。對其余不同歷時進(jìn)行周期性分析，其主周期結(jié)果見表3。

表3 各歷時面雨量極值序列周期

由表3 可知，研究區(qū)所選短歷時時段的面雨量極值周期性具有一定的規(guī)律。其中，第一主周期為38 a 和39 a，各短歷時面雨量極值第一主周期具有一定的同步性；第二主周期隨歷時不同而變化，最大3 h、6 h 和24 h 面雨量極值第二主周期表現(xiàn)較為一致，分別為13 a 和14 a，最大1 h 和12 h 面雨量極值第二主周期分別為10 a和6 a。

4 結(jié) 語

上述研究結(jié)果表明，研究區(qū)單站不同歷時降水極值不存在顯著的上升或下降趨勢，變化幅度范圍為每10 a 0.1～11.8 mm；不同歷時流域面雨量極值呈現(xiàn)不顯著增長趨勢，增加幅度范圍為每10 a 0.5～2.2 mm；在周期性分析方面，年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h 面雨量極值的第一主周期為38 a 和39 a；年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h面雨量極值的變異點(diǎn)均出現(xiàn)在2002年，不同歷時面雨量極值周期具有一定的同步性。

本文分別從單站和流域兩個維度開展短歷時降水極值趨勢性分析，兩者均未呈現(xiàn)顯著趨勢性變化。在跳躍性分析方面，面雨量極值的變異點(diǎn)均出現(xiàn)在2002 年。相關(guān)研究對于揭示區(qū)域短歷時降水極值統(tǒng)計規(guī)律和指導(dǎo)防洪規(guī)劃設(shè)計具有一定意義。隨著降水資料的累積，未來可進(jìn)一步開展1 h以內(nèi)降水極值統(tǒng)計演變規(guī)律分析，從而揭示氣候變化及人類活動對中小尺度降水極值的影響。