無錫市近50年降水變化特征分析

周 旋 李小韻

(1.無錫市濱湖區(qū)水利局,江蘇 無錫 214000;2.無錫市水利局,江蘇 無錫 214000)

1 研究背景

氣候在水文循環(huán)過程中是一個重要的因素,氣候的變化不僅直接影響流域水資源的配置,對自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)和人們的生活也會帶來不同程度的影響[1]。目前,全球氣候變暖已經(jīng)得到了各國研究人員的一致認(rèn)可,在此背景下,降水作為氣候要素中最直接、最敏感的要素,其變化情況對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生著最直接的影響。尤其是近些年出現(xiàn)的極端降雨天氣,給群眾財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。因此,及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握降雨演變規(guī)律具有重要意義。近年來,許多學(xué)者對于江蘇省內(nèi)的降雨特征及其變化趨勢展開了相關(guān)研究。鄧自旺等[2]利用江蘇省60個氣象站1961—2001年的逐月降水量資料,計(jì)算了逐月、逐季和逐年降水量距平百分率,以此來探究江蘇降水的長期趨勢和年代際變化特征及其空間差異;邱新法等[3]以江蘇省62個氣象站1961—2005年降水資料為基礎(chǔ),系統(tǒng)分析了江蘇省近45年來降水變化趨勢;鄭騰飛等[4]以江蘇省1961—2010年逐日降水?dāng)?shù)據(jù),利用去趨勢波動分析法確定了全省13個站點(diǎn)的極端降水閾值,并通過Morlet小波及Mann-Kendall法分析了江蘇省極端降水頻數(shù)的振蕩周期及其突變;方功先等[5]基于南京站1951—2020年逐日實(shí)測降水資料,采用多種特征指標(biāo)分析了南京市近70年降水變化特征。

無錫市地處江蘇省蘇南地區(qū)中部,是江蘇省蘇南城市群的重要組成部分,研究無錫市的降水對于整個蘇南地區(qū)具有一定參考價(jià)值。鑒于此,本文采用多種時(shí)間序列分析方法,系統(tǒng)性地對無錫市降水特征進(jìn)行了研究分析。

2 研究區(qū)域概況

無錫市位于長江三角洲長江和太湖間走廊部分,江蘇省的東南部,東鄰蘇州,南瀕太湖,西接常州,北臨長江,下轄江陰、宜興兩個縣級市,梁溪、錫山等6個區(qū),總面積4627.47km2。無錫市地處北亞熱帶和北溫帶過渡帶,屬北亞熱帶濕潤的季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣候溫和,雨水充沛,日照充足。夏季受來自海洋的夏季季風(fēng)控制,盛行東南風(fēng),天氣炎熱多雨;冬季受大陸盛行的冬季季風(fēng)控制,天氣寒冷干燥。

3 資料和方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集整理大運(yùn)河(無錫)站1971—2020共50年的降水量資料,統(tǒng)計(jì)月降水量、四季降水量、年降水量。其中,約定春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至次年2月。

3.2 研究方法

使用滑動平均法、線性回歸法、Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法以及Morlet小波分析法對降水量變化趨勢及其周期性進(jìn)行分析。

滑動平均法是一種趨勢外推方法,在簡單平均數(shù)法基礎(chǔ)上,通過順序逐期增減新舊數(shù)據(jù)求算移動平均值。此方法可以減小偶然變動因素影響,推算事物發(fā)展趨勢。

線性回歸作為一種統(tǒng)計(jì)方法,用來確定因變量與自變量之間的相關(guān)關(guān)系,采用的原理是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析。

M-K檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,能夠用來檢驗(yàn)序列的變化趨勢是否顯著。它的優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要服從某一特定分布,且受異常值的影響較小。目前,在水文序列的趨勢檢驗(yàn)中,M-K檢驗(yàn)方法有著廣泛的應(yīng)用。其檢驗(yàn)原理如下:

(1)

(2)

式中:xk和xi為樣本值;n為序列長度。

若|ZC|≤Z(1-α/2),則該序列無顯著性趨勢;若ZC<-Z(1-α/2),則序列呈顯著下降趨勢;若ZC>Z(1-α/2),則序列呈顯著上升趨勢。

小波分析是一種調(diào)和分析方法,目前被廣泛應(yīng)用于水文序列的周期性和趨勢性分析。Morlet小波變換系數(shù)有實(shí)部、虛部兩部分,實(shí)部表示信號在不同時(shí)間位置上的分布和相位信息,用來區(qū)分不同特征的時(shí)間尺度信號;小波系數(shù)的模值反映了特征時(shí)間尺度信號的強(qiáng)弱程度[6]。對于給定的水文序列f(t),連續(xù)小波變換為

(3)

在實(shí)際應(yīng)用中,通常對水文序列進(jìn)行離散化處理。離散形式的小波變換為

(4)

4 降水量變化分析

4.1 降水量年內(nèi)分配特點(diǎn)

根據(jù)1971—2020年降水量資料計(jì)算平均降水量,總體來講,無錫市降水豐沛,多年平均年降水量可達(dá)1145.2mm。年內(nèi)各月降水量分配不均,從圖1中可以看出,無錫市年內(nèi)降水量分布呈單峰型,變化范圍為37.1～197.8mm。年內(nèi)降水量最大在6月,出現(xiàn)在夏季;降水量最小在12月,出現(xiàn)在冬季。從圖2四季分布來看,無錫市夏季降水量最多,約占全年降水總量的44%,冬季降水量最少,約占全年總降水量的14%。從氣象角度分析認(rèn)為,無錫市地處東南沿海地區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季東南季風(fēng)從太平洋和印度洋帶來大量暖濕氣流,因此,夏季降水較多。冬季風(fēng)主要來自寒冷干燥的西伯利亞地區(qū),因此,冬季氣溫降低,降水較少。

圖1 無錫市降水量年內(nèi)分布

圖2 無錫市降水量四季分配

4.2 降水年際變化趨勢

為了分析無錫市降水量的年際變化特征,對歷年降水量進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖3所示,無錫市1971—2020年這50年的降水量呈現(xiàn)一個波動上升的趨勢。線性趨勢線顯示,年降水量增加幅度為58.68mm/10a?；瑒悠骄€顯示,降水量年際變化的幅度總體不是很大,個別年份出現(xiàn)較大變幅,其中降水量最大的是2016年的1978.2mm,降水量最小的是1978年的552.9mm。

圖3 無錫市降水量年際變化趨勢

為了驗(yàn)證無錫市降水量的變化是否表現(xiàn)出顯著的趨勢性特征,采用Mann-Kendall方法進(jìn)行檢驗(yàn)。通過計(jì)算,得出無錫降水量的Kendall值為2.14,|Zs|>1.96。結(jié)果表明:無錫市1971—2020年的降水量序列呈上升趨勢,且在95%的置信水平下,上升趨勢顯著。Mann-Kendall的統(tǒng)計(jì)量曲線如圖4所示,無錫市降水量UF序列從1971年開始均大于0,表明序列呈現(xiàn)上升趨勢。UF序列與UB序列在95%置信區(qū)間內(nèi)共有11個交點(diǎn),其中1986年和2005年這兩個點(diǎn)為突變點(diǎn),UF序列與UB序列相交后分別于1991年和2016年超越置信區(qū)間,因此,降水量在1986年和2005出現(xiàn)了突變,且突變趨勢為增加趨勢。其余交點(diǎn)有可能為突變點(diǎn),由于UF序列與UB序列相交后沒有超越置信區(qū)間,因此無法確認(rèn)。

圖4 無錫市降水量M-K檢驗(yàn)

4.3 年降水量周期分析

圖5為無錫市降水量小波系數(shù)的實(shí)部等值線,從該圖中能夠得出降水量序列在不同時(shí)間尺度下的周期變化,從而根據(jù)周期特性推斷出降水量未來一定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢。

圖5 無錫市降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖5中,橫坐標(biāo)表示年份,縱坐標(biāo)表示時(shí)間尺度。小波系數(shù)實(shí)部的數(shù)值越大,顏色越亮,表明降水量越大,該時(shí)期為豐水期;實(shí)部的數(shù)值越小,顏色越暗,表明降水量越小,該時(shí)期為枯水期。無錫市的年降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年的小尺度這3類時(shí)間尺度的周期性變化。在18～20年時(shí)間尺度上,降水量經(jīng)歷了枯→豐→枯→豐→枯→豐這6個豐枯循環(huán)的周期。1975年之前和2020年之后的等值線均未閉合,從該時(shí)間尺度上的等值線推測,1975年之前可能存在一個豐水期,2020年后可能存在一個枯水期。在11～12年的時(shí)間尺度上,降水量經(jīng)歷了豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐這11個循環(huán)周期。從這一時(shí)間尺度上的等值線的閉合情況推測,1972年之前以及2020年之后會有一段時(shí)間的枯水期。在4～5年的時(shí)間尺度上,降水量豐枯循環(huán)周期的情況更加復(fù)雜,豐枯交替頻率更高。根據(jù)等值線的閉合情況推測,2020年開始會有一個短期的豐水期。

小波方差可以反映降水量序列的波動幅度隨著時(shí)間尺度變化的分布情況,方差曲線的峰值所對應(yīng)的時(shí)間尺度即為顯著的周期,本文采用小波方差曲線來檢驗(yàn)降水量主周期。從圖6可以看出,曲線最高峰值對應(yīng)的時(shí)間尺度約為12年。因此,無錫市年降水量變化最為顯著的主周期為12年。

圖6 無錫市降水量小波系數(shù)方差

5 結(jié) 論

通過采用滑動平均、回歸分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)以及小波分析方法對無錫市1971—2020年降水量進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

a.以大運(yùn)河無錫水文站為代表,分析無錫市近50年降水量發(fā)現(xiàn),無錫市多年平均降水量年內(nèi)分布呈單峰型,降水量最大在6月,出現(xiàn)在夏季,夏季降水量約占全年總降水量的44%;降水量最小在12月,出現(xiàn)在冬季,冬季降水量約占全年總降水量的14%。從氣象學(xué)角度來說,這與無錫市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)有直接關(guān)系。

b.無錫市降水量年際變化呈上升趨勢,上升幅度約58.68mm/10a。利用Mann-Kendall方法分析降水量變化趨勢可知,上升趨勢顯著,且在1986年和2005年出現(xiàn)突變增加。

c.無錫市降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年小尺度這3類時(shí)間尺度的周期性變化。根據(jù)小波方差的檢驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為無錫市降水量變化最為顯著的主周期為12年。從這一主周期來看,2020年處的等值線尚未閉合。推測在這一時(shí)間尺度上,無錫市未來的10～12年總體會出現(xiàn)一個枯水期。