1933～2015年十堰市鄖縣雨量站降水量變化特征分析

孫恒兵 賀德才 潘 華 汪炎炎 (十堰市水文水資源勘測局，湖北 十堰 442000)

1933～2015年十堰市鄖縣雨量站降水量變化特征分析

孫恒兵 賀德才 潘 華 汪炎炎 (十堰市水文水資源勘測局，湖北 十堰 442000)

降水的周期、趨勢及變異研究對區域水資源管理具有重要意義。以1933～2015年十堰市鄖縣雨量站降雨資料為基礎，采用一元線性回歸法、10 a均值比較法、Mann-kendall法和小波分析等方法，對鄖縣雨量站83 a的年降水量、汛期降水量與非汛期降水量變化和周期變化的特征進行了研究，并對暴雨特征進行了分析。結果表明，鄖縣站雨量有一定下降趨勢且呈波動狀態，在2～3 a和9～12 a之間，有一個相對顯著的豐枯交替周期。

降水量；變化特征分析；分析方法；鄖縣雨量站

十堰市地處鄂西北南水北調中線工程核心水源地，其降水量的變化特征直接關系到水源地水量的變化，是影響南水北調中線工程成功與否的重要因素之一。十堰市境內鄖縣雨量站(32°48′54″N， 110°48′33″E)位于丹江口水庫內，其雨量資料系列最長，擁有完整的83 a的逐月降水量資料。本文對鄖縣1933～2015年的年降水量、汛期(5～10月)與非汛期(11月～次年4月)降水量的變化和周期變化特征進行了研究，并對暴雨特征進行了分析，以點帶面說明鄖縣周邊地區降水量的變化特征，以期為調水水量問題提供參考。

1 研究方法

(1) 一元線性回歸法。一次函數y=kx+b(k≠0) 的圖像是一條直線。當斜率k>0時，直線從左至右呈上升趨勢；當k<0時，直線從左至右呈下降趨勢。斜率k的絕對值表示函數y在自變量x的每個單位時間內變化的快慢。當k的絕對值較大時，函數在自變量的每個單位內變化得快，在圖像上就表示為直線比較陡；當k的絕對值較小時，函數在自變量的每個單位內變化得慢，在圖像上就表示為直線比較平緩。

(2) 采用Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法(以下簡稱M-K法)檢驗降水量。一般取顯著性水平α=0.05，則臨界值U0.05=±1.96。將UFk和UBk兩個統計量序列曲線和±1.96兩條直線均繪在一張圖上。若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢；若UFk<0，則表明呈下降趨勢，當超過臨界直線±1.96時，表明上升下降趨勢顯著。由超過臨界線的范圍確定出現突變的時間區域。如果UFk和UBk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變的開始時刻。

(3) 采用小波分析法揭示隱藏在時間序列中的變化周期性。小波分析是由J. Morlet提出的一種具有時頻多分辨功能的方法，能充分反映系統在不同時間尺度中的變化趨勢，并能對系統未來發展趨勢進行定性估計。本文采用小波方差值(即小波方差圖上的最大峰就是主周期，其他的就是非主周期[1-3])，分析降水量的主周期。

(4) 本文采用水文學方法計算年降水頻率。

2 年降水量

2.1 基本情況

鄖縣雨量站多年平均降水量為801.9 mm，其中1938年為暴雨年，降水量為1 274.7 mm，比均值高58.9%；最小值出現在1997年，降水量為 478.5 mm，比均值低 40.3%[4]。降水年際間變化較大,降水量年最大值是年最小值的2.7倍。點繪降水量過程線，同時添加不同年代平均降水量過程線，1933～2015年年降水趨勢線詳見圖1。

圖1 1933～2015年鄖縣站降水量變化情況

2.2 用直線方程斜率進行的判斷

用鄖縣年降水量與時間進行關系曲線(見圖1)的趨勢擬合，得如下直線方程表達式

p=-0.7913t+2363.9

(1)

式中，p為鄖縣雨量站第t年降水量；t為時間(1932年時，t=0)。由直線方程可知，其直線方程的斜率k=-0.791 3<0，說明鄖縣年降水量呈緩慢下降趨勢，平均每10 a下降 7.9 mm。

2.3 用年代均值進行的判斷

1933～2015年的統計年代均值見表1。由表1可知，20世紀70年代和80年代，年降水量呈波動狀態；20世紀90年代以后年降水量一直在減小。

表1 鄖縣10 a期年降水量變化情況

圖2 1933～2015年鄖縣雨量站降水量M-K檢驗趨勢

2.4 用M-K檢驗法進行的判斷

由圖2可知,UFk在20世紀70年代和80年代，呈波動狀態；20世紀90年代以后UFk一直小于0，說明年降水量呈下降趨勢。

2.5 年降水量的周期分析

圖3為鄖縣年降水量小波周期分析實部圖和方差圖。圖中信號的強弱通過小波系數的大小表示，等值線從中心向四周散開，降水量從最大逐步變小。由圖3(a)可以看出，鄖縣年降水量主要存在2個時間尺度上的波動變化，在2～3 a和9～12 a的時間尺度上，周期震蕩非常明顯；圖3(b)中年降水量小波方差圖有2個峰值，分別對應時間尺度2～3 a和9～12 a。

圖3 1933～2015年鄖縣年降水量小波分析

3 汛期降水量

3.1 基本情況

鄖縣雨量站汛期降水量在汛期內變化差異顯著，汛期多年平均降水量 611.7 mm,最大值出現在1938年,為1 108.6 mm；最小值出現在2001 年,為316.8 mm[4]。點繪多年汛期降水量過程線，以及不同年代平均降水量過程線，同時添加1933～2015年汛期降水趨勢線(見圖4)。

圖4 1933～2015年鄖縣站汛期降水量變化情況

3.2 用直線方程斜率進行的判斷

用鄖縣汛期降水量與時間進行關系曲線(見圖4)的趨勢擬合，得如下直線方程表達式

p=-0.425t+1451

(2)

式中，p為鄖縣雨量站第t年汛期降水量；t為時間(1932年時,t=0)。由直線方程可知，其直線方程的斜率k=-0.425<0，說明鄖縣多年汛期降水量的變化呈緩慢下降趨勢，平均每10 a下降 4.3 mm。

3.3 用年代均值進行的判斷

由表2可以看出20世紀70年代和80年代，汛期降水量呈波動狀態；20世紀90年代以后，汛期降水量一直在減小。

表2 鄖縣10 a期汛期降水量均值情況

圖5 1933～2015年鄖縣汛期雨量站降水量M-K檢驗趨勢

3.4 用M-K檢驗法進行的判斷

由圖5可知，UFk在20世紀70年代和80年代呈波動狀態；20世紀90年代以后UFk一直在減小，說明降水量在減少。

3.5 汛期降水量的周期分析

圖6為鄖縣汛期降水量小波周期分析實部圖和方差圖。圖中信號的強弱通過小波系數的大小表示，等值線從中心向四周散開，降水量從最大逐步變小。由圖6(a)中可以看出，鄖縣汛期降水量主要存在2個時間尺度上的波動變化，在2～3 a和9～12 a的時間尺度上，周期震蕩非常明顯；圖6(b)中汛期降水量小波方差圖有2個峰值，分別對應時間尺度2～3 a和9～12 a。

圖6 1933～2015年鄖縣汛期降水量小波分析

4 非汛期降水量

鄖縣站非汛期多年平均降水量190.1 mm，最大值出現在1989年，為 418.1 mm；最小值出現在1996年，為 68.3 mm[4]。點繪多年非汛期降水量過程線，不同年代平均降水量過程線，同時添加1933～2015年非汛期降水趨勢線(見圖7)。

圖7 1933～2015年鄖縣非汛期降水量變化情況

4.1 用直線方程斜率進行的判斷

情況 2 u1,…,u10的顏色當中互不相同的僅有兩種,不妨設f(ui{1,2}, i=1,2,…,10,則當每個C(vj)是2-子集時,C(vj)不包含顏色1或2,從而可以作為Y中頂點色集合的{1,2,3,4,5,6}的子集的數目為當49≤n≤90時,48個集合不能區分Y中的n個頂點,得出矛盾。令B=B1∪B2∪B3,其中:

用鄖縣非汛期降水量與時間進行關系曲線(見圖7)的趨勢擬合，得如下直線方程表達式

p=-0.381 2t+942.6

(3)

式中，p為鄖縣雨量站第t年非汛期降水量；t為時間(1932年時,t=0)。由直線方程可知，其直線方程的斜率k=-0.381 2<0，說明鄖縣多年非汛期降水量的變化呈緩慢下降趨勢。平均每10 a下降 3.8 mm。

4.2 用年代均值進行的判斷

由表3可以看出,20世紀70年代和80年代，非汛期降水量呈波動狀態；20世紀90年代以后非汛期降水量一直在減小。

表3 鄖縣10 a期非汛期平均降水量

4.3 用M-K檢驗法進行的判斷

由圖8可知，UFk在20世紀70年代和80年代呈波動狀態；20世紀90年代以后UFk一直小于0，說明降水量在減小。

圖8 1993～2015年鄖縣非汛期降水量M-K檢驗趨勢

5 暴雨特征

圖9 1933～2015年鄖縣站降水量頻率曲線

據統計，研究期發生的暴雨全部集中在汛期內。其中7月降水量占汛期總量比值最大，為21.9%，7～9月占61.6%。逐年汛期總量占年總量的比值，最大值為93.7%，最小值為 54.9%，說明汛期降水總量決定年降水總量。由圖10統計可知，5～7月為夏汛，占汛期總量 49.7%，而秋汛占汛期總量 50.3%，也反映鄖縣站所在流域，即丹江口庫區存在夏汛和秋汛，相對而言，秋汛所占比值較大。

圖10 鄖縣多年平均汛期雨量百分比

6 結 論

(1) 1933～2015年間，鄖縣雨量站年降水量呈波動狀態并呈弱下降趨勢，平均每10 a下降7.9 mm；汛期平均每10 a下降 4.3 mm；非汛期平均每10 a下降 3.8 mm。

(2) 鄖縣站年降水量有2～3 a和9～12 a的震蕩周期；汛期降水有2～3 a ，9～12 a的震蕩周期；非汛期沒有顯著震蕩周期。

(3) 鄖縣雨量站100 a一遇降水年雨量為1 307.1 mm, 汛期是特大暴雨和大洪水的多發時間，全年幾乎所有的大雨和暴雨都集中在汛期，其中秋汛所占比值相對較大。

鄖縣雨量站地處南水北調中線工程水源地丹江口水庫庫區內，其代表丹江口水庫年降水量變化趨勢。資料分析表明，該區域降水量呈弱下降趨勢，相關部門應予以重視并采取相應措施,才能保證調水水量的供給。

[1] 張潔祥，張雨風，李瓊芳等．1971-2010年上海市降水變化特征分析[J]．水資源保護，2014，30(4)：87-92.

[2] 戴春霞．黑河流域降水量趨勢分析[J]．甘肅水利水電技術，2008，44(3)：177-180．

[3] 胡嬌，李進，陳晨，等．長江上游中小雨洪洪水特征分析[J]．人民長江，2015，46(16)：5-9．

[4] 十堰市水利水電局，十堰市水文水資源勘測局．十堰市水資源公報[R]．十堰：十堰市水文水資源勘測局，2015．

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)01-0037-04

2016-08-16

孫恒兵，男，十堰市水文水資源勘測局，高級工程師.

P426.6

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