湖州市近50年降水變化特性分析

凌　燕，陳　光

(湖州市水文站，浙江　湖州　313000)

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湖州市近50年降水變化特性分析

凌燕，陳光

(湖州市水文站，浙江湖州313000)

摘要：選取湖州市33個站點日降水資料(1964—2013年)，統(tǒng)計年、汛期、非汛期降水量及年強降水頻數(shù)，采用Mann-Kendall和小波分析法，對各統(tǒng)計指標(biāo)進行趨勢和周期分析。分析結(jié)果表明，近50 a來湖州市年、汛期、非汛期降水量均存在不顯著的上升趨勢，而年強降水頻數(shù)則呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；年、汛期、非汛期降水量均存在明顯的周期性。

關(guān)鍵詞：Mann-Kendall；小波分析法；統(tǒng)計指標(biāo)；年強降水頻數(shù)

1問題的提出

近年來，隨著氣候變暖和人類活動的不斷加劇，全球氣候變化顯著。氣候變化勢必引起降水模式、降水強度的改變[1]。降水作為水資源的一個重要方面，會影響到區(qū)域水資源的重新分配與自然生態(tài)環(huán)境的變化，嚴(yán)重時也會引發(fā)不同程度的自然災(zāi)害，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。湖州市位于浙江省北部，太湖南岸，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候濕潤、雨量充沛；全市范圍內(nèi)地形起伏高差大，河流水系發(fā)達，既有源短流急的山區(qū)性河流，又有縱橫交錯的平原河網(wǎng)水系，同時還受太湖水位的影響，極易出現(xiàn)洪澇或旱情。因此，研究區(qū)域內(nèi)的降水變化規(guī)律，揭示降水演變趨勢，對合理利用水資源、防御旱澇災(zāi)害等具有重要現(xiàn)實意義[2]。

2資料和方法

2.1資料

湖州市代表性好，且具有近50 a來(1964—2013年)完整資料系列的33個站點逐日降水資料，對其進行統(tǒng)計分析。主要應(yīng)用的統(tǒng)計指標(biāo)有年降水量、汛期降水量、非汛期降水量，年強降水頻數(shù)(站次)。根據(jù)浙江省防汛部門統(tǒng)一規(guī)定，湖州市汛期為4月15日至10月15日，非汛期為10月16日至次年4月14日。年強降水頻數(shù)為一年中單站日降水量(當(dāng)日8：00時至次日8：00時)有超過50.0 mm(單日n個資料站日降水量超過50.0 mm,計為nd)的33個站點天數(shù)總和。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall(MK)非參數(shù)趨勢檢驗法

Mann-Kendall(MK)法，最初由H.B.Mann和M.G.Kendall[3-4]提出并發(fā)展，現(xiàn)已廣泛使用于氣溫、降水、徑流等水文氣象時間序列資料長期變化趨勢的檢驗[5-6]。其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計算簡便，并且檢測范圍寬，定量化程度高。

原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗。對于所有的i,j≤n,且i≠j,xi和xj的分布是不相同的。定義檢測統(tǒng)計量S如下：

(1)

(2)

式中：sgn( )為符號函數(shù)；S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

M-K統(tǒng)計量計算公式如下：

(3)

若Z為正，表明上升趨勢；Z為負，表明下降趨勢。在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。

2.2.2小波分析方法

小波分析由法國地質(zhì)學(xué)家Morlet提出，因其具有時域和頻域多分辨功能，對分辨時間序列在不同尺度上的演變特征非常有效，目前已在大氣科學(xué)、水文學(xué)等諸多科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于水文氣候資料序列中包含多種時間尺度的周期變化，而復(fù)數(shù)形式的Morlet小波因其實部和虛部的位相差為π/2，當(dāng)用復(fù)值小波變化系數(shù)的模判別序列中包含的各個尺度周期性的大小、這些周期在時域中的分布時，就能消除用實型小波變化系數(shù)作為判據(jù)產(chǎn)生的虛假振蕩，所以本文采用連續(xù)的Morlet小波作為基函數(shù)進行小波變換。

Morlet小波函數(shù)公式如下：

φ(t)=eiω0te-t2/2

(4)

式中：φ(t)為高斯包絡(luò)下的復(fù)指數(shù)函數(shù)；i表示虛數(shù)；ω0為常數(shù)[6-8]；t為時間(可為s，d等)。

3降水趨勢分析

3.1年降水量

統(tǒng)計33個站點降水資料可知，湖州市近50 a(1964—2013年)的平均年降水量約1 412.1 mm(包括 豐、平、枯年組)，年降水量最小值888.2 mm發(fā)生在1978年，最大值1 950.5 mm發(fā)生在1999年，最大值約為最小值的2.2倍，年際間差異較大。經(jīng)過計算，湖州市年降水量(MK)趨勢檢驗值Z=0.50，大于0，但絕對值小于1.28(置信度90%)，說明湖州市年降水量雖呈上升趨勢，但不顯著，線性上升幅度約為18.5 mm/10 a(見圖1)。

3.2汛期、非汛期降水量

經(jīng)計算，湖州市汛期降水量(MK)趨勢檢驗值Z=0.42,大于0，絕對值小于1.28，呈不顯著的上升趨勢，線性上升幅度略低于年降水量，約為10.6 mm/10 a(見圖2)；非汛期降水量(MK)趨勢檢驗值Z=0.31,大于0，絕對值小于1.28，呈不顯著的上升趨勢，與年、汛期降水量趨勢走向一致，線性上升幅度約為8.9 mm/10a(圖3)。

3.3年強降水頻數(shù)

湖州市年強降水頻數(shù)多年平均為112站次，最多年份1999年為298站次，最少年份1972年為32站次，一般情況下年降水較多的年份， 強降水頻數(shù)也相對較大。對湖州市近50 a年強降水頻數(shù)進行(MK)趨勢檢驗，檢驗值Z=1.57，大于0，且絕對值大于1.28，呈顯著增加趨勢，線性上升幅度約為8站次/10 a(見圖4)，即每10年33個資料站中日降水量有超過50.0 mm(單日n個資料站日降水量超過50.0 mm,計為nd)天數(shù)會增加8 d，說明湖州市局地性強降水事件發(fā)生的頻率在逐漸增大。

4降水周期分析

4.1年降水量

根據(jù)Morlet小波原理及小波變化方法，繪制出湖州市年降水量小波實部時頻分布圖(見圖5)和方差圖(見圖6)。圖5中實線表示小波系數(shù)實部值為正，降水量比常年偏多；虛線表示小波系數(shù)實部值為負，降水量比常年偏少。由圖5可知，湖州市年降水存在時間尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu)，小尺度嵌套在較大尺度的變化中。從圖6可知，小波方差序列出現(xiàn)了3個明顯峰值，說明湖州市年降水量序列存在3個不同時間尺度的周期變化，分別為27，9，3 a；其中后2個振幅比較小，27 a振幅較大，為主周期，其次為9，3 a。從主周期上看，湖州市目前正處于振蕩的增多變幅范圍內(nèi)，且尚未達到峰值，因此，在未來(2013年以后)的7～8 a內(nèi)仍處于降水偏多階段。

4.2汛期、非汛期降水量

對湖州市近50 a來汛期、非汛期降水量進行小波分析，分別得出其Morlet小波方差圖(見圖7～8)。由圖7可知，汛期降水量存在27 a、3 a兩個不同時間尺度的周期變化，27 a振幅很大，為主周期；與年降水量相比，少了9 a的周期振蕩。由圖8可知，非汛期降水量存在3個明顯周期27 a、3 a、9 a，以27 a周期振幅最大，其次為3 a、9 a；其周期特性與年降水量相似但又略有不同，不同在于年降水量的第二周期為9 a，第三周期為3 a，而非汛期正好相反?？傮w上，湖州市年、汛期、非汛期降水的周期性存在一定的相似性而又各不相同。

5結(jié)論

本文利用Mann-Kendall(MK)非參數(shù)趨勢檢驗法和Morlet小波分析法對湖州市近50 a來年、汛期、非汛期降水量以及年強降水頻數(shù)進行趨勢和周期分析，得出以下結(jié)論：

(1)年降水量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢。在時間尺度上存在27 a、9 a、3 a三個振蕩周期，主振蕩周期為27 a，其次為9 a、3 a，從主周期上看，湖州市在未來(2013年以后)的7～8 a內(nèi)仍將處于降水偏多階段。

(2)汛期降水量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢。在時間尺度上存在27 a、3 a兩個振蕩周期，主振蕩周期為27 a，比年降水量少了1個9 a的振蕩周期。

(3)非汛期降水量也呈現(xiàn)微弱的上升趨勢。在時間尺度上存在27 a、3 a、9 a三個振蕩周期，主振蕩周期為27 a，其次為3 a、9 a；與年降水量相比，3 a、9 a周期的排序正好相反。

(4)年強降水頻數(shù)呈現(xiàn)明顯的逐年增多趨勢，說明區(qū)域內(nèi)單點出現(xiàn)強降水的頻數(shù)在增大，湖州市局地性強降水事件的發(fā)生頻率有逐漸增大的趨向。

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(責(zé)任編輯張書花)

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：凌燕(1984-)，女,工程師,碩士，主要從事水文情報預(yù)報工作。E-mail:lingy0808@163.com

中圖分類號：TV125

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-701X(2016)02-0075-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.021