1969—2018年緊水灘流域降水特征分析

李亞敏， 李松平， 王亞蘭， 呂維翔， 白云霞

(麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

緊水灘水電站位于浙江省西南山區云和縣境內甌江上游的龍泉溪上，系國家開發甌江流域龍泉溪干流梯級發電的第一級水電站，是以發電為主，兼顧航運、防洪、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程[1]。緊水灘水庫流域屬于亞熱帶季風氣候，年內降水極不均勻，主要集中在3—8月，占全年降水量的74%，明顯高于其他月份雨量，其中6月降水量為全年最多[2]。特定的地理環境和氣候，使得緊水灘水庫流域水汽供應充沛。降水量直接關系著水庫蓄水量的多少，對水庫的運營調度有至關重要的影響，系統分析降水變化特征有助于進一步有針對性的做好專業氣象服務，進而為電力部門組織安排電網調度、工程管理、防洪保安等水庫運行管理提供依據。

近年來，已經有不少學者對降水的氣候變化特征做過深入研究。吳昊旻等[3]根據1953—2008年麗水汛期逐月降水量資料對汛期降水多時間尺度演變特征進行研究；黃亞等[4]運用Mann-Kendall突變檢驗法以及Morlet連續復小波等氣象統計分析方法對龍灘水庫流域的氣溫、降水變化趨勢、突變位置、周期性進行了分析；姜燕敏等[5]利用1953—2011年麗水市的逐日降水觀測資料研究了不同等級降水日數在多時間尺度上的變化特征。本研究旨在利用緊水灘水電站壩址以上設有的13個觀測報汛站1969—2018年逐月降水數據資料，對緊水灘近50 a降水特征進行分析，鑒別其突變性和周期性，以便為流域中長期降水預報提供參考依據，進而有效提高防洪抗旱和水資源調度等氣象服務能力，以期取得更好的經濟效益和社會效益。

1 材料與方法

1.1 數據資料

采用的數據為緊水灘水電站(圖1)壩址以上的13個雨量(水位)觀測報汛站(小梅、源底、官浦垟、壇湖、上錦、龍泉、上東、大白岸、安仁、緊水灘、崇頭、石塘、竹坑)1969—2018年逐月降水資料，各雨量站控制面積按照泰森多邊形法則[6]進行劃分計算。

圖1 緊水灘水庫觀測報汛站點的分布

1.2 研究方法

本文對緊水灘流域降水年際、年代際變化、季節變化進行研究。季節劃分為：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(11月至次年2月)。采用一元線性擬合、滑動平均分析降水序列的變化趨勢；采用Mann-Kendall非參數統計檢驗法以及滑動t檢驗法辨析降水序列的突變情況[7]；采用Morlet小波變換[8-9]分析降水序列的周期性。

2 結果與分析

2.1 緊水灘降水量變化特征分析

2.1.1 年降水量變化

由圖2可知，1969—2018年緊水灘水庫年平均降水量為1 759.8 mm，最大年降水量出現在2010年，達2 622.3 mm，最小年降水量出現在1978年，為1 183.9 mm。對近50 a緊水灘水庫降水過程進行線性回歸分析可以看出，近50 a降水量總體呈微弱增長趨勢，每10 a以9.4 mm的速度增加，其中2009—2014年降水量變化較大，奇偶年份差異明顯。

圖2 緊水灘水庫1969—2018年年降水量變化

通過降水序列的5 a滑動平均可以看出，年降水量存在“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”的年際波動變化。在20世紀70年代后期到80年代末期、21世紀第1個10 a表現為降水偏少狀態，20世紀60年代末到70年代中期、20世紀90年代、21世紀10年代表現降水偏多狀態。

2.1.2 季節降水量變化

緊水灘1969—2018年四季降水變化如圖3所示。春季平均降水量為652.5 mm，占年降水量的37.1%，極大值為1975年的1 100.2 mm，極小值為1985年的368.6 mm；夏季平均降水量為640.0 mm，占年降水量的36.4%，極大值為1998年的1 001.9 mm，極小值為1991年的256.1 mm；秋季平均降水量為236.3 mm，占年降水量的13.4%，極大值為2016年的445.8 mm，極小值為1996年的100.1 mm；冬季平均降水量為230.9 mm，占年降水量的13.1%，極大值為2010年的423.7 mm，極小值為1999年的83.8 mm。

根據線性趨勢來看，春季降水量呈下降趨勢，每10 a下降速度為17.3 mm，其中2010年降水量明顯增多，可能與厄爾尼諾現象導致東亞地區初春時節降水量異常增多有一定關系[10]；夏、秋、冬季降水均呈增加趨勢，夏季降水量增長趨勢相對較大，以每10 a約16.4 mm速度增加，秋季、冬季每10 a降水增加分別為6.1和4.3 mm。緊水灘四季降水量變化均未通過α=0.05的顯著性檢驗，說明降水量變化趨勢總體不顯著。

從年代際尺度看，春季降水量20世紀70—80年代在波動中平緩下降，90年代以后呈“偏多—偏少—偏多”的波動變化；夏季降水量和年降水量的變化特征相似，呈現“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”波動變化；秋季降水量1970—2005年有2個較明顯的“偏多—偏少”波動，之后小幅波動至21世紀10年代呈明顯增長趨勢；冬季降水量20世紀70年代中期至80年代末期降水總體呈下降趨勢，20世紀90年代和21世紀10年代總體呈增長趨勢。

圖3 緊水灘水庫1969—2018年四季降水量序列變化

2.2 緊水灘降水序列變化趨勢和突變分析

2.2.1 年降水量序列變化趨勢和突變分析

氣候突變是指氣候從一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態的現象[11]。為了解緊水灘水庫年降水變化情況，利用Mann-Kendall(M-K)檢驗對1969—2018年的年降水量進行突變檢驗，給定顯著性水平α=0.05的置信檢驗，即U0.05=±1.96，構造UF和UB統計序列。

從圖4可以看出，在1977年以前，年降水量UF普遍大于0，總體呈增長趨勢；1978—1995年UF小于0，呈下降趨勢；1995—2018年UF大于0的區間明顯多于小于0的區間，說明這段時間總體呈增長趨勢。近50 a年降水量UF值均在95%的置信區間范圍內，可見在這50 a內降水量變化趨勢不顯著。在0.05的置信區間內，UF和UB曲線存在多個交點，由于M-K檢驗不能用于多個突變點的檢查，當同時檢測出多次交點時，需使用滑動t檢驗法對突變點進一步確定。取子序列長度10 a進行滑動t檢驗,年降水序列沒有檢驗出突變點，說明近50 a緊水灘年降水量只存在年代際的低頻振蕩，不存在明顯突變。

圖4 緊水灘水庫1969—2018年年降水量的Mann-Kendall檢驗

2.2.2 季節降水序列的突變檢驗

對緊水灘1969—2018年四季的M-K檢驗給定顯著性水平α=0.05。從圖5中可以看出，春季降水量在1999年以前的UF曲線大于零的區間較多，上升多于下降，1999年之后均小于零，說明1999年以后呈下降趨勢；取子序列長度10 a進行滑動t檢驗顯示，1999年(t值為2.14)通過0.05(tα=2.10)顯著性檢驗，由此可見，春季降水量在1999年出現由降水增多到降水減少的突變。

圖5 緊水灘水庫1969—2018年四季降水量的Mann-Kendall檢驗

夏季降水量在1969—1995年以前總體呈下降趨勢，1995年以后均呈上升趨勢。UF、UB曲線在臨界線內存在3個交點，其中2個在1990年左右，說明這個時間段可能發生突變。使用滑動t檢驗去除雜點，結果顯示，1991年(t值為2.97)通過0.05顯著性檢驗，為突變點，可知夏季降水量在1991年發生由降水減少到降水增多的突變。

秋季降水量UF、UB曲線存在3個交點，在1976年以前，UF曲線波動較大，1976—2018年UF曲線普遍小于零，以下降趨勢為主，滑動t檢驗未發現突變點，說明秋季降水量不存在突變。

冬季降水量1991年以前UF曲線均小于零，降水量呈下降趨勢；1991年以后，UF曲線普遍大于零，降水量呈增長趨勢。使用滑動t檢驗去除雜點，結果顯示，1987年(t值為-2.45)通過0.05顯著性檢驗，為突變點，所以冬季降水量在1987年發生了由降水減少到降水增多的突變。

2.3 緊水灘水庫降水序列周期分析

2.3.1 年降水量周期分析

小波分析作為一種統計分析方法，同時具有數學意義上嚴格的突變診斷能力，所以近年來被廣泛應有于天氣氣候的多尺度統計分析[12-14]。

小波系數實部等值線能反映降水量序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上降水量的變化趨勢。小波系數為正，表示降水偏多，值越大，降水量越大；小波系數為0，則對應著突變點；小波系數為負，表示降水偏少，值越小，降水量越少[15-17]。

圖6可以清楚看出，年降水量序列存在多時間尺度特征。從小波系數實部等值線圖可以看到，緊水灘流域年降水量演變過程中存在2～4、5～10及13～22 a尺度的周期變化規律。從代際上看，20世紀70和80年代存在著5～10 a的周期特征，并且正負周期交替出現，說明在這段時間內出現了偏旱期和偏澇期的交替進行；20世紀90年代以后，在2～4、13～22 a的時間尺度上震蕩周期較為清晰，其中21世紀10年代初2 a的周期較明顯，與圖2的分析一致。因此，緊水灘近50 a降水變化并沒有一個固定周期，而是大、中、小多種周期尺度相互嵌套。根據降水周期演變規律可以預測未來發展趨勢，從圖中可以看出，2018年在4 a尺度和10～15 a尺度還有虛線還沒有閉合，預測未來將經歷一個降水偏少期。

圖6 緊水灘水庫1969—2018年年降水小波分析

小波系數方差隨尺度變化的過程稱為小波方差變化圖，該圖能反映時間序列中所包含的各種尺度(周期)的波動及其強弱(能量大小)隨尺度變化的特性，可以用來確定降水量演化過程中存在的主周期[18]。從圖6中可以看出，年降水量存在4個明顯的峰值，依次對應著2、6、13～14、20 a的時間尺度。6 a尺度的變化周期最為突出，說明在該尺度下降水信號的周期性震蕩最強烈，即是緊水灘降水量變化的第1主周期，2 a尺度為降水量變化的第2主周期。

2.3.2 季節降水序列的周期分析

從圖7中可以看出，春季降水量在大尺度15～20 a周期震蕩較明顯，并且偏澇期和偏旱期的交替進行，在2018年虛線等值線仍未閉合，預測之后處于降水偏少期；對于10 a以下的尺度來說，則有較多正負周期交替進行，2～3 a和5～6 a尺度周期貫穿整個降水期。夏季降水量在20世紀70年代至90年代初期，18～25、5～8 a尺度的降水周期較明顯，1993年以后大尺度周期縮短至13～18 a，在2018年虛線未閉合，之后處于降水偏少期；小尺度來看，2～3 a尺度的降水周期較明顯。秋季降水量從大尺度來看，13～16 a周期正負交替進行，貫穿整個降水周期，2018年之后由降水偏多向偏少過渡；小尺度來看，與夏季降水周期特征類似，20世紀90年代以前5～6 a較為明顯，之后以2～3 a為主。冬季降水量在大尺度上以18～24 a周期震蕩表現為正-負3個循環交替進行，貫穿整個降水過程；從小尺度來看，20世紀70年代到80年代以6～8 a為主，20世紀90年代以后降水周期增大為8～11 a，此外2～3 a的小尺度也較明顯，在2018年仍是虛線未閉合，說明2018年之后處于降水偏少期。

圖7 緊水灘水庫1969—2018年四季降水量Morlet小波變換

3 小結

通過對緊水灘水庫1969—2018年的降水變化特征分析可知，近50 a緊水灘年降水量總體呈微弱的增長趨勢，每10 a以9.4 mm的速度增加。降水量年內分布極不均勻，主要集中在春季和夏季，占全年降水量的73.5%。近50 a春季降水量呈下降趨勢，每10 a下降速度為17.3 mm，其他季節均呈增加趨勢，其中夏季降水量增長趨勢相對明顯，每10 a以16.4 mm的速度增加。

利用Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗對緊水灘水庫1969—2018年的年降水量進行突變檢驗，結果表明，緊水灘降水量僅存在年代際的低頻振蕩，不存在突變點。

結合緊水灘四季降水量的Mann-Kendall和滑動t檢驗結果可以得出，春季降水序列在1999年發生由降水增多到降水減少的突變；夏季降水序列在1991年發生由降水減少到降水增多的突變；秋季降水序列不存在突變點；冬季降水序列在1987年發生由降水減少到降水增多的突變。

用Morlet小波變換對近50 a降水資料序列做周期診斷分析發現，6 a尺度下降水信號周期震蕩最強烈，為水庫周期變化的第1主周期，2 a尺度為水庫降水量變化的第2主周期。大尺度來看，緊水灘年降水量在13～22 a的時間尺度上經歷了3個交替循環，未來幾年內將處于降水偏少期。

緊水灘四季降水量20世紀90年代以前5～8 a的周期尺度較為明顯，20世紀90年代以后2～3 a表現較明顯。春季降水量存在2～3、5～6和15～20 a的周期，15～20 a時間尺度上，2018年之后處于降水偏少期；夏季降水量存在2～3、5～8、13～18、18～25 a的周期，在13～18 a尺度上，2018年之后將處于降水偏少期；秋季降水量存在2～3、5～6、13～16 a的降水周期，在13～16 a尺度上，2018年之后由降水偏多向偏少過渡；冬季降水量存在2～3、6～8、18～24 a的周期，在2～3 a的小尺度上2018年之后處于降水偏少期。

大氣降水是緊水灘水庫水分的主要補充源，上述年降水量和季節降水量的變化趨勢及其周期性研究，對于做好緊水灘流域中長期降水預報具有重要參考意義。