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

一、引言

降水是水資源循環(huán)過程中最重要的組成部分之一，降水量的多少、降水的時空分布影響著區(qū)域可獲得水資源量。IPCC第五次報告顯示[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]。不同時間尺度降水量變化將對該地區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重要影響。研究不同時間尺度降水量的變化規(guī)律，對于制定科學(xué)減災(zāi)戰(zhàn)略至關(guān)重要?；诖?，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)來自中國國家氣象數(shù)據(jù)共享中心(www.nmic.gov.cn)，時間序列為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。繪制時間序列圖，通過目視判斷的方法查詢可能存在的錯誤數(shù)據(jù)[6]，其中錯誤和缺失的數(shù)據(jù)通過使用相一致的長時間序列的均值進(jìn)行插補(bǔ)。

（二）方法

1.趨勢分析

線性回歸分析被廣泛應(yīng)用于水文氣象數(shù)據(jù)的時間變化趨勢分析[7]。本研究采用線性回歸分析對年尺度極端降水指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行分析。計算公式為：

式中，a為線性趨勢項，即趨勢系數(shù)；b常數(shù)項；趨勢系數(shù)為正(負(fù))表示極端降水指標(biāo)在所統(tǒng)計的時間內(nèi)具有線性增加(減少)的變化趨勢。再利用t檢驗對其線性變化趨勢進(jìn)行置信度水平檢驗。若趨勢系數(shù)通過置信度較高的顯著性檢驗，則變化趨勢顯著。

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。對于時間序列，小波變換為：

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

通過對小波方差進(jìn)行計算可以實現(xiàn)對時間序列主周期數(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?？梢钥闯鰮P(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；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；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；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；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；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。通過小波方差大小的波動，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，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)年降水小波實部等值線圖

圖5 揚(yáng)州地區(qū)降水小波方差

四、結(jié)論

本研究通過使用揚(yáng)州地區(qū)1960-2018年降水?dāng)?shù)據(jù)，采用趨勢分析和小波分析研究了不同時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,夏季降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢，秋季降水量表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢，冬季降水量表現(xiàn)為顯著增加的趨勢。年降水量表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢。

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，其他時間尺度的周期性變化較小。