近45年來瀏陽河流域極端降水變化

于澤興, 胡國華, 陳 肖, 顧慶福, 邵全喜,3, 宋荷花

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院, 長沙 410114; 2.湖南省水文水資源勘測局,長沙 410007; 3.澳大利亞國家數(shù)據(jù)研究所, 佛意特 WA6014; 4.長沙水文水資源勘測局, 長沙 410001)

近45年來瀏陽河流域極端降水變化

于澤興1, 胡國華1, 陳 肖1, 顧慶福2, 邵全喜1,3, 宋荷花4

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院, 長沙 410114; 2.湖南省水文水資源勘測局,長沙 410007; 3.澳大利亞國家數(shù)據(jù)研究所, 佛意特 WA6014; 4.長沙水文水資源勘測局, 長沙 410001)

利用1969—2013年瀏陽河流域12個雨量站的降水資料，結(jié)合百分位方法定義極端降水閾值，采用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall檢驗、累積距平聯(lián)合滑動t檢驗和Morlet小波分析等方法分析了極端降水指數(shù)的演變規(guī)律。結(jié)果表明：(1) 極端降水量、極端降水強度、極端降水比率表現(xiàn)為上升趨勢，10年上升率分別為7.3 mm，9.5 mm/d，0.3%，極端降水日數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢，下降率為-0.054 d/10 a。(2) 極端降水量、極端降水強度分別在1991年、1992年存在明顯突變，極端降水日數(shù)、極端降水比率突變不顯著。(3) 極端降水指數(shù)均存在7～8 a,10～11 a和25～27 a的主周期，且豐枯交替變化明顯。研究結(jié)果對于指導(dǎo)瀏陽河流域的防洪減災(zāi)具有重要意義。

極端降水; Mann-Kendall檢驗; Morlet小波分析; 累積距平聯(lián)合滑動t檢驗; 瀏陽河流域

受全球變暖和水循環(huán)加劇的影響，區(qū)域氣候也在發(fā)生著變化，極端降水事件的頻率增加，干旱、洪澇災(zāi)害等極值事件頻發(fā)，對區(qū)域的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。分析極端降水事件的演變規(guī)律有利于科學(xué)理解洪旱災(zāi)害的時空分布，為減少災(zāi)害損失以及水資源管理提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。目前針對不同的地理區(qū)位和氣候環(huán)境，對中尺度流域極端降水事件的研究取得了許多成果，如對我國的淮河流域、東江流域、紅河流域、黑河流域、涇河流域和湘江流域等區(qū)域極端降水事件的時空變化進行了相關(guān)研究[5-10]。極端降水事件在不同的時空尺度都有其各自的特點，大尺度區(qū)域的氣候變化特點和趨勢變化具有較高的相似性和一致性，而對于中、小區(qū)域尺度上的降水變化規(guī)律卻存在著較大的差異和相反的變化特征，由于不同區(qū)域在地形、氣候環(huán)境方面存在著差異，具體的區(qū)域仍急需開展相關(guān)的研究和評估工作。

瀏陽河流域位于湖南省東北部，途徑瀏陽市、長沙縣及長沙市區(qū)。該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達，2015年瀏陽市縣域經(jīng)濟與縣域基本競爭力排名躍升至全國百強28位。瀏陽河流域上游的株樹橋水庫是長沙市的飲用水源地，影響著瀏陽和長沙數(shù)百萬人口和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但受氣候和地理因素的制約，旱澇頻率高，已成為影響瀏陽市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一大氣象災(zāi)害，是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的主要因素[11]。本文使用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall檢驗、累積距平聯(lián)合滑動t聯(lián)合檢驗和Morlet小波分析等統(tǒng)計方法，研究近45 a來瀏陽河流域極端降水事件的演變規(guī)律，以期為當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對極端氣候和旱澇災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

瀏陽河是湘江的一級支流，發(fā)源于大圍山北部的橫山坳，有大溪河和小溪河兩個源流，全長235 km，流域面積4 665 km2。瀏陽河流域地勢自東北向西南傾斜，以山地丘陵為主。流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和，降水充沛，光照充足，全年四季差異明顯，年平均氣溫17.6℃，年平均降水量1 568 mm。瀏

陽河流域水系及雨量站分布見圖1。

圖1瀏陽河流域水系與雨量站點圖

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本研究采用的原始數(shù)據(jù)為瀏陽河流域內(nèi)12個雨量站1969—2013年實測逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測局。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和錯誤修正。為便于分析，依據(jù)世界氣象組織的規(guī)定，采用國際通用的百分位計算法來確定極端降水事件的閾值[12]。本文選取極端降水量、極端降水日數(shù)、極端降水強度和極端降水比率4個降水指數(shù)來反映瀏陽河流域極端降水事件的基本特征(表1)。瀏陽河流域各雨量站的極端降水指數(shù)通過RClimDex軟件計算得到。瀏陽河全流域的極端降水指數(shù)則通過12個雨量站的算術(shù)平均值求得，并通過建立極端降水指數(shù)的時間序列來分析極端降水指數(shù)的年際變化特征。

表1 采用的極端降水指標(biāo)

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析 采用線性回歸法和5 a滑動平均法進行極端降水時間序列趨勢分析，該方法能夠有效消除序列波動的影響以及簡單判斷時間序列的增減趨勢。

Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗法[13-14](以下簡稱MK檢驗)是由世界氣象組織(WMO)推薦的一種非參數(shù)檢驗法，常用于檢驗降水、徑流和溫度等水文氣象要素的趨勢顯著變化，其優(yōu)點在于樣本可以不滿足一定的分布，同樣不受異常值的干擾，且計算簡便。該法適用于水文氣象序列服從非正態(tài)分布并且已得到廣泛應(yīng)用。

2.2.2 突變分析 累積距平曲線聯(lián)合滑動t聯(lián)合檢驗[15]的原理是先通過找出累積距平曲線的最大值和最小值來初步確定為變點,然后初步識別的變點利用滑動t檢驗進行精確識別。

2.2.3 周期分析 小波變換具有時域和頻域上同時局部化的特點，水文氣象序列時域的變換具有局部性和多尺度性。小波分析給出了水文氣象要素時間序列不同層次下的變化尺度，通過小波系數(shù)分析可以識別降雨時間序列的多時間尺度的周期性和突變性[16]。因此，本文選用Morlet小波對瀏陽河流域45 a的極端水文氣象序列進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水變化趨勢

用線性回歸和5 a滑動平均法分析得到的瀏陽河流域各極端降水指數(shù)的時間序列趨勢變化見圖2。分析可知，極端降水量呈上升趨勢，上升率為7.3 mm/10 a。極端降水量的多年平均值為468.41 mm，其中20個年份的極端降水量高于平均值，25個年份的極端降水量低于平均值，極端降水量最多的年份為1998年的1 102.5 mm，極端降水量最少的年份為2007年的119.5 mm。極端降水日數(shù)呈微弱下降趨勢，下降率為-0.054 d/10 a，極端降水日數(shù)的多年平均值為9 d，其中有15個年份的極端降水日數(shù)高于平均值，21個年份的極端降水日數(shù)低于平均值，4個年份極端降水日數(shù)等于平均值。極端降水日數(shù)最多的年份為1998年的15 d，極端降水日數(shù)最少的年份為2007年的3 d。極端降水強度總體呈上升趨勢，上升率為9.5 mm/(d·10 a)，極端降水強度的多年平均值為57.03 mm/d，其中有20個年份的極端降水強度高于平均值，25個年份的極端降水強度低于平均值。極端降水強度最大值為1997年的74.9 mm/d，極端降水強度最小值為2007年的44.95 mm/d。極端降水比率呈微弱上升趨勢，上升率為0.3%/10 a，表明極端降水對瀏陽河流域降水量的影響越來越大。極端降水率的多年平均值為28%，其中21個年份的極端降水比率高于平均值，23個年份的極端降水比率低于平均值。極端降水比率最大值為1969年的50%，極端降水比率最小值為2007年的11%。

圖2極端降水指數(shù)的線性趨勢

計算瀏陽河流域12個雨量站點的逐年極端降水指數(shù)的算術(shù)平均值，并建立各極端降水指數(shù)的時間序列。通過MK檢驗獲得瀏陽河流域各極端降水指數(shù)的統(tǒng)計量，在95%的置信區(qū)間下，極端降水指數(shù)中極端降水量、極端降水強度和極端降水比率均呈上升趨勢，極端降水日數(shù)呈下降趨勢，變化趨勢均不顯著(表2)，這與線性回歸趨勢分析的結(jié)果一致。

表2 極端降水指數(shù)MK統(tǒng)計量Z值

3.2 極端降水突變分析

從圖3可以看出，極端降水量累積距平曲線的最高點年份為1970年，最低點年份為1991年，由于1970年前后資料長度的限制，無法判定其是否為變異點，因此初步選取1991年為極端降水量的變異點。同理選取極端降水日數(shù)、極端降水強度和極端降水比率的初步變點分別為1991年、1992年和1991年。

對累積距平曲線法初步確定的變異點，運用滑動t檢驗法進行精確識別。分別在變異點前取10 a和后取10 a，計算出變異點對應(yīng)的t值；通過表3可知，極端降水量和極端降水強度分別在1991年、1992年超過了α=0.05的顯著性水平，均發(fā)生顯著性均值突變。極端降水日數(shù)和極端降水比率在初始變點1991年均無顯著性均值突變發(fā)生。

3.3 極端降水周期分析

采用Morlet小波對近45 a來瀏陽河流域極端降水指數(shù)進行周期分析，得到極端降水指數(shù)距平序列小波變換系數(shù)的實部二維等值線圖，見圖4。實部圖中的實線表示小波變換系數(shù)為正值，表示極端降水指數(shù)處于偏大期；虛線表示為負值，表示極端降水指數(shù)處于偏小期。

圖3極端降水指數(shù)累積距平曲線

表3 極端降水指數(shù)滑動t檢驗

極端降水量存在8 a、11 a和25 a的主周期，以25 a左右周期的相位變化最為顯著，存在2個偏多期和3個偏少期，經(jīng)歷了“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”的5個交替變化。1978—1985年和1997—2002年處于正相位，極端降水為偏多期，其余時段處于負相位，極端降水為偏少期，且負相位的等值線未完全閉合，可以推斷2013年以后的一段時間極端降水仍然可能處于偏少期。以8 a為中心尺度的相位變化主要發(fā)生在1998—2013年，交替變化十分劇烈。以11 a為中心尺度的相位變化主要發(fā)生在1969—1985年。以上3個主周期波動控制著瀏陽河流域極端降水量在整個時間域內(nèi)的變化。極端降水日數(shù)存在8 a、11 a和27 a的主周期，以8 a左右周期的相位變化最為顯著。在1990年之前表現(xiàn)為11 a左右的周期變化，在1990—2000年表現(xiàn)為8 a左右的周期振蕩。以27 a左右為中心尺度的相位變化存在2個偏多期和1個偏少期。

極端降水強度存在10 a、18 a和27 a的主周期，以27 a左右周期的相位變化最為顯著，經(jīng)歷了“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”的5個交替變化。以18 a左右為中心尺度的相位變化存在4個偏多期和3個偏少期。以10 a左右為中心尺度的相位變化基本貫穿于整個時間序列，且交替變化十分劇烈。極端降水比率存在8 a、11 a和27 a的主周期，以27 a左右周期的相位變化最為顯著。在1969—1995年表現(xiàn)為11 a左右的周期變化，在1995年之后表現(xiàn)為8 a左右的周期變化?？傊?，極端降水指數(shù)的主周期和相位變化大體一致，都體現(xiàn)為小尺度的相位變化嵌套在大尺度的相位變化中。

4 結(jié)論與討論

(1) 通過線性回歸和5 a滑動平均法分析得到的瀏陽河流域極端降水量、極端降水強度和極端降水比率呈上升趨勢，極端降水日數(shù)呈下降趨勢，極端降水對瀏陽河流域降水量的影響越來越大。在95%的置信區(qū)間下，采用MK檢驗得到結(jié)果與線性回歸的結(jié)果一致，且變化趨勢在不同時期都不顯著。

(2) 通過累積距平聯(lián)合滑動t聯(lián)合檢驗發(fā)現(xiàn)瀏陽河流域極端降水量和極端降水強度分別在1991年、1992年發(fā)生顯著性均值突變。極端降水日數(shù)和極端降水比率的初始變點在1991年，均未發(fā)生顯著性均值突變。

(3) 通過Morlet小波進行周期分析可以發(fā)現(xiàn)，各極端降水指數(shù)均存在7～8 a、10～11 a和25～27 a左右的主周期，且豐枯交替變化明顯。各極端降水指數(shù)的相位時間變化尺度大體一致，均表現(xiàn)為小尺度嵌套于大尺度相位變化中。

圖4極端降水指數(shù)的小波變換系數(shù)二維等值線

(4) 引起極端降水變化的原因是復(fù)雜的，可能與人類活動、大氣環(huán)流、太陽黑子及地形等因素有關(guān)，各極端降水指數(shù)在空間上是如何變化的，具體的影響機理是什么，有待進一步研究，以期為瀏陽市的旱澇管理和防洪決策調(diào)度提供決策依據(jù)。

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ChangeinExtremePrecipitationinLiuyangRiverBasinDuringthePast45Years

YU Zexing1, HU Guohua1, CHEN Xiao1, GU Qingfu2, SHAO Quanxi1,3, SONG Hehua4

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China; 2.Hydrology&WaterResourcesBureauofHunanProvince,Changsha410007,China; 3.CSIROData,FloreatWA6014,Australia; 4.Hydrology&WaterResourcesBureauofChangsha,Changsha410014,China)

Based on daily precipitation data from 12 weather stations in Liuyang River Basin during the period of 1969—2013 and the percentile-based threshold method, the extreme precipitation indices were analyzed by using linear regression, moving average, Mann-Kendall test, accumulative anomaly combined with movingttest and Morlet wavelet. The results indicated that: (1) extreme precipitation, precipitation intensity and precipitation ratio displayed increasing trends at the rates of 7.3 mm/decade, 9.5 mm/d and 0.3%, respectively, while the number of extreme precipitation days represented a decreasing trend at the rate of -0.054 d/decade; (2) abrupt changes in the extreme precipitation and precipitation intensity were detected in 1991 and 1992, respectively, while the number of extreme precipitation days and the ratio of extreme precipitation ratio to the total precipitation amounts were not statistically significant; (3) the extreme precipitation indices had the main oscillation cycles of 7～8 years, 10～11 years and 25～27 years, respectively, together with clear alternation between dry and wet years. The results are of great importance in flood control and disaster reduction in Liuyang River Basin.

extreme precipitation; Mann-Kendall test; morlet wavelet analysis; accumulative anomaly combined movingttest; Liuyang River Basin

2016-07-23

：2016-10-27

湖南省重大水利科技計劃項目(2013-243-2);湖南省(長沙理工大學(xué))研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B359)

于澤興(1991—),男,湖南岳陽人,碩士研究生,研究方向為水文預(yù)報研究。E-mail:423552622@qq.com

胡國華(1965—),男,湖南新田人,教授,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向為水資源演變規(guī)律研究。E-mail:g.h.hu@163.com

TV122+.1

：A

：1005-3409(2017)05-0139-05