1960-2018年揚(yáng)州地區(qū)降水變化特征研究*

揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 吳灝，陶雨欣，卞朝陽(yáng)

一、引言

降水是水資源循環(huán)過(guò)程中最重要的組成部分之一，降水量的多少、降水的時(shí)空分布影響著區(qū)域可獲得水資源量。IPCC第五次報(bào)告顯示[1]，在全球變暖背景下，中緯度大部分地區(qū)的降水強(qiáng)度及降水頻率有所增加，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重要影響[2]。因降水引發(fā)的洪水、泥石流、雪災(zāi)等自然災(zāi)害，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成了嚴(yán)重的損失[3-4]，受到政府、學(xué)者的廣泛關(guān)注。

揚(yáng)州地區(qū)位于長(zhǎng)江北岸、江淮平原南端，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，雨量豐沛[5]。不同時(shí)間尺度降水量變化將對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重要影響。研究不同時(shí)間尺度降水量的變化規(guī)律，對(duì)于制定科學(xué)減災(zāi)戰(zhàn)略至關(guān)重要。基于此，本研究利用揚(yáng)州日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析揚(yáng)州地區(qū)降水量年內(nèi)、年際變化及周期性變化特征，以期為農(nóng)田排水工程的實(shí)施及自然災(zāi)害防御等提供參考數(shù)據(jù)。

二、材料及方法

（一）數(shù)據(jù)

本文采用的日降水量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)國(guó)家氣象數(shù)據(jù)共享中心(www.nmic.gov.cn)，時(shí)間序列為1960年-2018年。將每年的1月、2月和12月劃分為冬季，3-5月劃分為春季，6-8月劃分為夏季，9-11月劃分為秋季。繪制時(shí)間序列圖，通過(guò)目視判斷的方法查詢(xún)可能存在的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)[6]，其中錯(cuò)誤和缺失的數(shù)據(jù)通過(guò)使用相一致的長(zhǎng)時(shí)間序列的均值進(jìn)行插補(bǔ)。

（二）方法

1.趨勢(shì)分析

線(xiàn)性回歸分析被廣泛應(yīng)用于水文氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間變化趨勢(shì)分析[7]。本研究采用線(xiàn)性回歸分析對(duì)年尺度極端降水指標(biāo)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。計(jì)算公式為：

式中，a為線(xiàn)性趨勢(shì)項(xiàng)，即趨勢(shì)系數(shù)；b常數(shù)項(xiàng)；趨勢(shì)系數(shù)為正(負(fù))表示極端降水指標(biāo)在所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間內(nèi)具有線(xiàn)性增加(減少)的變化趨勢(shì)。再利用t檢驗(yàn)對(duì)其線(xiàn)性變化趨勢(shì)進(jìn)行置信度水平檢驗(yàn)。若趨勢(shì)系數(shù)通過(guò)置信度較高的顯著性檢驗(yàn)，則變化趨勢(shì)顯著。

2.小波分析

小波分析(wavelet analysis)能夠解析和推斷氣象及水文時(shí)間序列中存在的周期性的變化特征[8-9]。使用Morlet小波分析極端降水指標(biāo)的周期性變化特征。對(duì)于時(shí)間序列，小波變換為：

式中，a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子，反應(yīng)時(shí)間上的平移。對(duì)于給定的能量有限信號(hào)，離散小波變換形式為：

通過(guò)對(duì)小波方差進(jìn)行計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間序列主周期數(shù)值的確定，其中該數(shù)據(jù)的積分形式可以通過(guò)下式表示[10]：

三、結(jié)果及分析

（一）降水年內(nèi)變化特征

揚(yáng)州地區(qū)多年平均降水量的年內(nèi)變化如圖1所示。可以看出揚(yáng)州地區(qū)降水年內(nèi)分布不均。在月尺度，10月至次年4月降水偏少，5月-9月降水偏多。多年平均月降水量最大值為227.5mm，出現(xiàn)在7月，約占全年總降水量的22.0%；最小值為25.7mm，出現(xiàn)在12月，約占全奶奶總降水量的4.7%。在季節(jié)尺度，夏季降雨量最大，其次為春季、秋季、冬季；其降水量分別為530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm，約占全年降水量的51.4%、20.4%、19.5%及8.7%。

圖1 揚(yáng)州地區(qū)多年平均降水量年內(nèi)變化(a.月尺度; b.季節(jié)尺度)

（二）降水年際變化特征

揚(yáng)州地區(qū)降水量的年際變化如圖2、3所示。在季節(jié)尺度，春季降水量表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì)；最大值為467.2mm，出現(xiàn)在1998年，最小值為50.2mm, 出現(xiàn)在2001年。夏季降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)；最大值為1188.8mm，出現(xiàn)在1991年，最小值為165.5mm,出現(xiàn)在1973年。秋季降水量表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì)；最大值為592.7mm，出現(xiàn)在2016年，最小值為47.8mm,出現(xiàn)在1995年。冬季降水量表現(xiàn)為顯著增加的趨勢(shì)；最大值為231.4mm，出現(xiàn)在2001年，最小值為9.1mm, 出現(xiàn)在1960年。年尺度，降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)；最大值為1823.9mm，出現(xiàn)在1991年；最小值為472.7mm,出現(xiàn)在1978年。

圖2 揚(yáng)州地區(qū)不同季節(jié)多年平均降水量年際變化(a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季)

（三）降水周期性變化特征

圖3 揚(yáng)州地區(qū)多年平均降水量年際變化

小波分析顯示揚(yáng)州地區(qū)年降水量存在多種尺度的周期變化規(guī)律(圖4)。存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的變化周期。30-47a、48-64a的變化周期，降水的豐枯交替比較平穩(wěn)，具有全局性。30-47a存在豐-枯交替準(zhǔn)兩次震蕩，48-64a存在豐-枯交替準(zhǔn)一次震蕩。通過(guò)小波方差大小的波動(dòng)，進(jìn)一步揭示了揚(yáng)州地區(qū)降水的周期震蕩強(qiáng)度。由圖5可見(jiàn)，小波方差中存在6a、18a、37a和63a的峰值。其中63a尺度為最大峰值，是降水變化第一主周期，第二、三、四主周期分別為37a、18a和6a，幾個(gè)周期共同控制著年降水的變化周期。

圖4 揚(yáng)州地區(qū)年降水小波實(shí)部等值線(xiàn)圖

圖5 揚(yáng)州地區(qū)降水小波方差

四、結(jié)論

本研究通過(guò)使用揚(yáng)州地區(qū)1960-2018年降水?dāng)?shù)據(jù)，采用趨勢(shì)分析和小波分析研究了不同時(shí)間尺度降水量的變化特征及周期性變化規(guī)律。得到以下結(jié)論：

在月尺度，10月至次年4月降水偏少，5月-9月降水偏多。在季節(jié)尺度，夏季降雨量最大，其次為春季、秋季、冬季；其降水量分別為530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm。春季降水量表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì),夏季降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)，秋季降水量表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì)，冬季降水量表現(xiàn)為顯著增加的趨勢(shì)。年降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)。

揚(yáng)州地區(qū)年降水量存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的變化周期。30-47a、48-64a的變化周期，降水的豐枯交替比較平穩(wěn)，具有全局性，周期變化最明顯，其他時(shí)間尺度的周期性變化較小。