1956—2018年太湖流域降水統(tǒng)計特征及演變趨勢

許 欽,葉 鳴,蔡 晶,劉露霖,林曉清

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.長江保護與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029； 4.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

太湖流域是我國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，人口眾多，河網(wǎng)如織，湖泊密布，流域面積僅占全國國土面積0.4%，2020年末全流域GDP約占全國的9.8%[1]，而流域人均水資源占有量為456 m3，遠(yuǎn)低于全國平均水平[2-3]。太湖流域多年平均年降水量為1 218 mm，屬于相對豐水地區(qū)，然而受局地環(huán)流和地形影響，年降水空間分布不均，自東南向西北呈減少趨勢[4]。因此，對太湖流域整體及分區(qū)進行統(tǒng)計特征分析和降水演變趨勢診斷，精細(xì)化掌握區(qū)域降水特征，對合理規(guī)劃區(qū)域水資源及防汛減災(zāi)工作具有重要意義。Zhou等[5]基于太湖流域96個雨量站的年最大降水，利用L矩陣方法，發(fā)現(xiàn)極端降水逐漸集中在城市區(qū)域；董滿宇等[6]基于1960—2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，運用R/S分析方法揭示了年降水總量中，中雨量占比最大，為32.05%；包云軒等[7]采用EOF正交經(jīng)驗法、線性傾向率法研究環(huán)太湖地區(qū)20世紀(jì)80年代以來的氣候變化，發(fā)現(xiàn)區(qū)域降水表現(xiàn)為北部增加、南部減少；楊鳳等[8]利用Mann-Kendall(M-K)檢驗分析太湖流域及其水利分區(qū)的降水變化趨勢，發(fā)現(xiàn)其降水指標(biāo)均呈上升趨勢，且東部地區(qū)上升趨勢更明顯。現(xiàn)有研究大多基于日降水?dāng)?shù)據(jù)，利用單一數(shù)理統(tǒng)計方法分析整個流域的降水規(guī)律，無法詳盡展示太湖流域及其水利分區(qū)的降水規(guī)律。

本文基于太湖流域內(nèi)133個代表性雨量站的實測日降水資料，采用P-Ш型頻率曲線、M-K檢驗、Morlet小波分析等方法分析太湖流域1956—2018年降水趨勢、周期波動等規(guī)律，同時診斷流域水利分區(qū)的降水變化特征，以期為太湖流域水資源綜合管理提供參考。

1 研究區(qū)概況及站點分布

1.1 研究區(qū)概況

太湖流域地處長江三角洲南緣，是我國東部平原河湖分布最密集的區(qū)域[9]。流域范圍東經(jīng)119°08′～121°55′、北緯30°05′～32°08′，行政隸屬于江蘇、浙江、安徽和上海三省一市，流域總面積為3.69萬km2。流域地勢呈西高東低、四周高、中間低的碟形，地貌主要分為山地丘陵及平原兩大類，其中山丘區(qū)約占20%，平原區(qū)約占80%。

太湖流域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)環(huán)流控制[10]，四季分明，氣候溫和，雨量豐沛，降雨主要集中在5—9月。形成流域徑流量的主要降水為梅雨及臺風(fēng)雨[11]，其中梅雨多發(fā)生在6月中旬至7月中旬，總量大、歷時長、范圍廣；臺風(fēng)雨多發(fā)生在7月下旬至9月中旬，雨強大、歷時短、范圍小。城市化對水文過程的影響很大[12]，歷史上，太湖流域曾于1954、1991、1999、2016年發(fā)生特大洪水，1971、1978、2003年發(fā)生嚴(yán)重干旱。

1.2 站點分布

考慮到流域的空間變異性，根據(jù)地形及水系特點，將太湖流域劃分為湖西區(qū)、浙西區(qū)、太湖區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浦西區(qū)和浦東區(qū)8個水利分區(qū)[13]。全流域水文站有80余處，主要監(jiān)測項目是水位以及上游入太湖、長江的水量，浙西山區(qū)分布著一些控制中小流域的水文測站；雨量站穩(wěn)定在200處以上，可以較好地控制流域雨量的時空分布；蒸發(fā)站穩(wěn)定在30處左右。本文選用的具有長期觀測資料的雨量代表站共計133個，其中湖西區(qū)21個，武澄錫虞區(qū)11個，陽澄淀泖區(qū)12個，太湖區(qū)6個，杭嘉湖區(qū)25個，浦西區(qū)5個，浦東區(qū)7個，浙西區(qū)46個。

2 研究方法

2.1 P-Ш型頻率曲線法

P-Ш型頻率曲線法是一種在我國大多數(shù)地區(qū)應(yīng)用且取得水文業(yè)界認(rèn)可的方法[14-15]。P-Ш型頻率曲線主要考慮均值Ex、變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs3個參數(shù)的影響。Ex代表系列的平均情況，能夠說明系列的總體水平高低，是頻率曲線分布的重要參數(shù)，也是水文現(xiàn)象的重要特征值；Cv又稱離差系數(shù)或離勢系數(shù)，能夠說明系列的離散程度，在水文現(xiàn)象中，其大小能反映水文要素的多年變化情況；Cs是衡量系列偏態(tài)(不對稱)程度的參數(shù)。

2.2 M-K檢驗法

M-K檢驗法是目前廣泛應(yīng)用于水文要素的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[16]，既可以檢驗時間序列變化趨勢的顯著性，也可以進行突變分析[17]。統(tǒng)計值Z及傾斜度β分別代表序列的變化幅度和長期變化趨勢[18-19]。在給定0.05置信水平下，若Z|≥1.96，則時間序列上升或下降趨勢顯著。傾斜度β>0表示時間序列呈上升趨勢，反之則表示呈下降趨勢。本文選取置信水平0.05、統(tǒng)計臨界值1.96進行降水趨勢分析。

2.3 Morlet小波分析法

在水文要素周期性變化分析中，常用Morlet函數(shù)作為基函數(shù)。Morlet小波分析法能夠通過局部變換時域和頻域來提取信號信息，從而定量分析研究區(qū)降水序列的周期性變化特征，廣泛應(yīng)用于水文領(lǐng)域[20-22]。在一定時間尺度下，小波方差峰值對應(yīng)序列主要周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征值

圖1為1956—2018年太湖流域降水量變化情況。采取平均年降水量及降水量距平百分率反映降水量趨勢變化。1956—2018年太湖流域年降水以0.557 mm/a的速率緩慢增長，期間31年高于多年平均降水，32年低于多年平均降水。典型異常偏低年為1971年、1978年和2003年，典型異常偏高年為1991年、1999年、2016年，分別對應(yīng)太湖流域典型干旱年和典型洪水年。

圖1 1956—2018年太湖流域降水量變化情況Fig.1 Precipitation change in Taihu Lake Basin from 1956 to 2018

利用P-Ш型頻率曲線將太湖流域及其水利分區(qū)的最大1 d、3 d、7 d降水量進行適線，設(shè)計頻率分別取20%(5年一遇)、10%(10年一遇)、5%(20年一遇)、2%(50年一遇)、1%(100年一遇)，Cs=3.5Cv[23]，得到各水利分區(qū)不同設(shè)計頻率下最大1 d、3 d、7 d降水量(圖2～4)。由圖2～4可見，1%設(shè)計頻率的降水空間分差異性大，其中最大7 d降水量表現(xiàn)最顯著，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最弱。各水利分區(qū)相同設(shè)計頻率的降水特征值存在空間差異，呈現(xiàn)自西向東、自南向北逐漸增大的趨勢。浙西山丘區(qū)由于地形抬升、下墊面變化劇烈等原因，各設(shè)計頻率的降水特征值都較其他分區(qū)大，1%設(shè)計頻率的最大1 d降水量為248.38 mm，最大3 d降水量為357.80 mm，最大7 d降水量為478.45 mm。除此之外，杭嘉湖區(qū)的降水特征值也比較大，因此湖州、安吉、嘉興等浙西山丘區(qū)和杭嘉湖區(qū)城市的防洪壓力較大。

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

圖2 各水利分區(qū)不同設(shè)計頻率最大1 d降水量Fig.2 Maximum 1 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

圖3 各水利分區(qū)不同設(shè)計頻率最大3 d降水量Fig.3 Maximum 3 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

圖4 各水利分區(qū)不同設(shè)計頻率最大7 d降水量Fig.4 Maximum 7 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

各分區(qū)最大1 d、3 d、7 d的Cv值存在空間差異，均由北向南、由西向東逐漸增大，東南部平原區(qū)的降水波動大于西北部山丘區(qū)。Cv值變化幅度為0.30～0.66，呈正偏態(tài)分布，說明太湖流域及各水利分區(qū)出現(xiàn)小于平均降水的小降水概率較高，概率從北部向南部減小。各分區(qū)中杭嘉湖區(qū)的最大1 d、3 d、7 d的Cv值最大，分別為0.66、0.60、0.54；湖西區(qū)最小，分別為0.38、0.39、0.42，說明1956—2018年，最大1 d、3 d、7 d降水量波動幅度杭嘉湖區(qū)最大，湖西區(qū)最小。原因是杭嘉湖區(qū)南臨錢塘江、杭州灣，相較湖西區(qū)水汽豐富，且杭嘉湖區(qū)屬于平原區(qū)，便于水汽輸送，而湖西區(qū)內(nèi)有茅山山脈、界嶺山脈阻擋水汽輸送。另外，最大1 d降水量變幅最大，最大3 d降水量次之，最大7 d降水量最小，這一現(xiàn)象一定程度反映了太湖流域內(nèi)降水日數(shù)增多且極端降水多發(fā)的趨勢，這與IPCC第六次評估報告中結(jié)果吻合，即全球尺度陸地強降水頻率及強度都可能增加[24]。

3.2 M-K檢驗結(jié)果

利用M-K檢驗法分析1956—2018年太湖流域及其水利分區(qū)降水的趨勢變化和突變節(jié)點，計算Z值及β值，綜合判斷時間序列的變化趨勢，判斷降水序列的突變年份，檢驗結(jié)果見表1。

表1 M-K檢驗結(jié)果Table 1 M-K inspection results

由表1可見，1956—2018年太湖流域內(nèi)整體年降水量變化規(guī)律基本一致，均呈增長趨勢，全流域年降水量M-K傾斜度達(dá)每10a 19.8 mm，但各水利分區(qū)的變化幅度不同，整體呈自東向西逐漸減弱的趨勢。流域東北部年降水量變幅大多在每10a 17.3～33.0 mm，而西南部大多在每10a 3.30～22.2 mm。其中，浦東區(qū)、浦西區(qū)增長最為顯著，分別達(dá)每10a 33.0 mm和32.7 mm；湖區(qū)及浙西山丘區(qū)盡管都呈增長趨勢，但增幅遠(yuǎn)不如平均水平，僅為每10a 8.0 mm及3.3 mm。另外，陽澄淀泖區(qū)及湖區(qū)正逆序列交點范圍較廣，分別在1996—2000年及1986—1993年發(fā)生較為頻繁和復(fù)雜的波動。太湖流域在20世紀(jì)六七十年代存在持續(xù)時間較長的少雨期，年降水量連續(xù)低于平均水平，20世紀(jì)80年代后降水有所增多[25]。2000—2007年，太湖流域年降水量平均每年減少81.6mm，造成流域連續(xù)干旱。1999年和2016年發(fā)生特大洪水，均由當(dāng)年強降水引起。

3.3 Morlet小波分析結(jié)果

圖5、圖6為1956—2018年太湖流域及其水利分區(qū)降水量Morlet小波實部時頻變化及小波方差，圖中清晰地揭示了年降水量的周期變化、突變點分布及其相位結(jié)構(gòu)。由圖5、圖6可見，太湖流域37～58 a時間尺度非常突出，中心時間尺度在48 a左右，經(jīng)歷了2 次準(zhǔn)震蕩，1981年后10～13 a表現(xiàn)顯著，存在20 a、13 a主周期；湖西區(qū)和浙西山丘區(qū)的中心時間尺度均為20 a左右，且都在1978年后18～27 a 震蕩周期顯著；武澄錫虞區(qū)存在39～58 a主震蕩周期，具有全域性，正負(fù)相位交替出現(xiàn)，豐枯特性表現(xiàn)明顯，20 a主周期顯著；陽澄淀泖區(qū)存在3個震蕩周期，分別為41～56 a、17～23 a、11～13 a，其中17～23 a在1964年后較為顯著，經(jīng)歷了4次準(zhǔn)震蕩；湖區(qū)和杭嘉湖區(qū)存在全域性較強的38～59 a震蕩周期；浦東區(qū)、浦西區(qū)周期變化較為相似，存在39～57 a震蕩周期，中心時間尺度約為46 a，均經(jīng)歷2次準(zhǔn)震蕩，浦東區(qū)20 a第一主周期較為明顯。

(a) 太湖流域

(b) 湖西區(qū)

(c) 武澄錫虞區(qū)

(d) 陽澄淀泖區(qū)

(e) 太湖區(qū)

(f) 杭嘉湖區(qū)

(j) 浙西區(qū)

(h) 浦東區(qū)

(i) 浦西區(qū)圖5 1956—2018年太湖流域及其水利分區(qū)降水量Morlet小波實部時頻變化Fig.5 Wavelet analysis of the Taihu Lake Basin and its water conservancy divisions from 1956 to 2018

圖6 1956—2018年太湖流域及其水利分區(qū)降水量小波方差Fig.6 Variance diagram of the Taihu Lake Basin and its water conservancy divisions in the past 63 years

4 結(jié) 論

a.1956—2018年太湖流域年降水以0.557 mm/a的速率緩慢增長。太湖流域及其水利分區(qū)降水演變特征不一致，東南部平原區(qū)的降水波動大于西北部山丘區(qū)。不同設(shè)計頻率的降水特征值中1%頻率的空間分布差異性大，其中最大7 d降水量表現(xiàn)最顯著，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最弱。最大1 d、3 d和7 d降水量變化存在空間差異性，最大7 d降水量變幅最大，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最小，一定程度上反映太湖流域內(nèi)降水日數(shù)增多且極端降水多發(fā)趨勢。

b.太湖流域各水利分區(qū)年降水量的增長幅度不同，整體呈自東向西逐漸減弱的趨勢，流域東北部變幅為每10 a 17.3～33.0 mm，西南部為每10 a 3.30～22.2 mm。

c.Morlet小波實部時頻變化及方差圖顯示太湖流域及其水利分區(qū)年降水量呈現(xiàn)多尺度周期變化，35～62 a周期變化最顯著，均在20世紀(jì)80年代后變得穩(wěn)定，湖西區(qū)及杭嘉湖區(qū)的年降水周期變化較其他水利分區(qū)模糊。