近百年洞庭湖區可利用降水量變化特征

彭嘉棟，李鋼，吳芳

1. 湖南省氣候中心//氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118；2. 藍山縣氣象局，湖南 藍山 425800

近百年洞庭湖區可利用降水量變化特征

彭嘉棟1,2，李鋼2，吳芳2

1. 湖南省氣候中心//氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118；2. 藍山縣氣象局，湖南 藍山 425800

洞庭湖區是久負盛名的魚米之鄉，同時又是國際著名的重要濕地自然保護區。全球氣候變暖、極端天氣和氣候事件的頻繁發生必然對湖區水資源產生不可忽視的影響。可利用降水量是可被實際利用的降水資源，其變化直接影響到湖區的農業生產、濕地保護等方方面面。利用洞庭湖區21個氣象站構建的1910—2013年區域平均逐月氣溫、降水序列，采用陸面蒸發經驗模型計算得到逐月蒸發量，并驗證其可靠性；再根據水量平衡關系，得到可利用降水量，最后采用數理統計方法分析洞庭湖區可利用降水量的變化特征。結果表明，洞庭湖區可利用降水主要集中在3—6月，占全年的60.0%；1910—2013年湖區年可利用降水量無顯著線性變化趨勢，以20～25 a周期的年代際波動為主；洞庭湖區可利用降水量變化存在季節差異，近百年來冬季和夏季可利用降水量有所增多，秋季可利用降水量略有減少，春季無明顯變化，但各季節可利用降水量的變化趨勢均未通過顯著性檢驗，整體仍以年代際波動為主。突變檢驗結果顯示，近百年洞庭湖區年、冬季、夏季可利用降水量均存在1個顯著增多的突變點，表明盡管年、冬季、夏季可利用降水量呈現以年代際波動為主的變化特征，但一定時段內仍存在突然增多的現象。小波分析結果顯示，近百年來年和四季可利用降水量均存在多時間尺度的周期振蕩，均經歷了10～13個偏多或偏少期的轉換，且在這些偏多或偏少期內可利用降水量仍存在明顯的年際波動。文章旨在為今后洞庭湖區的農業生產和防汛抗旱提供理論依據，同時為制定洞庭湖區應對氣候變化的戰略提供一定的理論指導。

洞庭湖區；可利用降水量；變化特征

隨著地球人口的不斷增長、社會經濟的不斷發展和人類生活用水標準的不斷提高，人們對水的需求量越來越大，水資源匱乏已成為當今很多國家和地區經濟發展的嚴重障礙。同時，全球氣候變暖，氣溫升高，極端天氣和氣候事件頻繁發生（秦大河等，2014；中國氣象局氣候變化中心，2015）等對水資源產生了不可忽視的影響。目前，對區域水資源的研究已成為研究熱點（郭渠等，2011；克來木汗·買買提等，2013；羅伯良等，2010；陶云等，2010；徐利崗等，2012）。

洞庭湖區內擁有中國第二大淡水湖——洞庭湖，是長江中下游地區對河川徑流具有天然調節效應的大湖，也是久負盛名的魚米之鄉，同時又是國際著名的重要濕地自然保護區。由于地處亞熱帶季風區，降水季節性強，多集中在春夏兩季，尤其是汛期集中了全年70%以上的雨量。相關研究表明，近50年洞庭湖區年降水日數呈減少趨勢，而年大雨和暴雨日數呈增多趨勢（潘志祥等，2013），導致降水更加趨于集中。而以往對該區域的水資源研究主要集中在降水量上（黃菊梅等，2013；彭嘉棟等，2015），降水雖然是水資源的主要補給來源，但并不等于是可利用的水資源，相當一部分降水以蒸發的形式返回到大氣中，剩下部分才能形成地面徑流。可利用降水則是大氣降水各分量中（降水量、蒸發量和可利用降水量）可被人們實際利用的降水資源。因此，探討氣候變暖背景下洞庭湖區可利用降水資源的變化規律尤其是長時間尺度的變化規律可為當地管理部門指導農業生產和防汛抗旱提供參考依據，同時對制定洞庭湖區應對氣候變化的戰略具有一定的指示意義。

1 資料與方法

利用洞庭湖區21個地面氣象站（其中湖北省3個，湖南省18個，站名及觀測資料起始年限見表1的逐月氣溫及降水資料，其中，長沙和岳陽站資料始于1909年，常德始于1932年，由于戰爭及社會不穩定等原因，這3個臺站1950年之前的資料有

部分缺失；除上述3站外，其余18站資料完整，建站于1954—1959年間。在對上述21站逐月氣溫、降水資料進行均一性檢驗和訂正，并對1950年之前因戰爭等原因而缺失的部分資料進行統計插補基礎上，建立各站自建站以來的完整序列，然后通過分析兩個長序列臺站（長沙和岳陽）1960年以來的氣溫、降水序列與21個臺站平均的同時段同類序列的相關性，選擇相關性較好的臺站并以此為基準轉換構建洞庭湖區域1910—2013年平均逐月氣溫和降水量序列（彭嘉棟等，2014；彭嘉棟等，2015）。

表1 洞庭湖區21個地面氣象觀測站及其觀測資料的起始時間Table 1 The 21 meteorological stations and its beginning time of observation in Dongting Lake region

一般地，一個地區水資源的量取決于降水、蒸發和徑流量等要素。從氣象角度來考慮，降水量與蒸發量之差基本能表征可利用降水資源的量，降水量反映了一個地區的水分收入狀況，而蒸發量則是表示一個地區水分消耗程度的指標。目前，關于蒸發量的計算方法較多，一般根據空氣飽和差、氣溫及積溫、輻射平衡等來確定，具體的經驗公式主要有彭曼公式、桑斯威特公式、哈格里韋斯公式以及高橋浩一郎公式等（高橋浩一郎，1979）。其中，高橋浩一郎經驗公式僅用了月平均降水和氣溫兩個要素即可估算月平均地面蒸發，方法簡便，應用廣泛。考慮到洞庭湖區的氣候特點及百年尺度資料（指1960年之前）僅有氣溫和降水兩個觀測要素的現實狀況，本文采取高橋公式估算洞庭湖區百年逐月的蒸發量，并用降水量減去蒸發量得到可利用降水量。

高橋浩一郎的陸面蒸發經驗公式為：

式中，E、P、T分別為月地面蒸發量（mm）、月降水量（mm）、月平均氣溫（℃）。降水與蒸發量之差稱為可利用降水量，可以將其作為衡量水資源豐枯的指標。可利用降水資源F（mm）可定義為：

降水可利用率α定義為：

利用（1）、（2）、（3）式計算各月的蒸發量、可利用降水量和降水可利用率。

同時，由于洞庭湖區大部分臺站建站于1954—1959年之間，在這之前有氣溫降水資料的臺站僅有3個，因此本文的洞庭湖區近百年蒸發量序列是用前期構建的同時段區域平均逐月氣溫、降水資料通過公式（1）計算得到的。為驗證該百年蒸發量序列的可靠性，基于1960年后區域內21個臺站的氣溫、降水資料均完整，對1960—2013年區域平均逐月氣溫、降水資料通過公式（1）計算得到年蒸發量序列（以下簡稱方法一序列）和同時段21站逐月氣溫、降水序列計算得到各站蒸發量之后再進行區域平均后得到的序列（以下簡稱方法二序列）進行比較，圖1顯示了兩序列的對比情況。由圖可知，兩序列呈高度相關，相關系數高達0.991（通過0.01顯著性檢驗），t檢驗和F檢驗的結果均顯示兩序列的均值和方差無顯著差異。兩種方法得到的各月蒸發量序列相關系數均超過0.970，且均值和方差均無顯著差異（圖略），因此可以認為利用方法一得到的洞庭湖區域近百年蒸發量序列是可靠的。

本文采用線性趨勢分析、低通濾波、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析法對可利用降水量的變化特征進行分析（魏鳳英，1999）。

2 結果分析

2.1 可利用降水量的年內分布

由近百年來洞庭湖區各月平均降水量和蒸發量分布可知，區內降水主要集中在春夏季（3—8月），占全年降水量的70.1%，其中又以4—6月降水量最多，各月均超過150 mm（圖2a）。蒸發主要集中在夏半年（4—9月），占全年蒸發量的70.5%，其中又以5—8月蒸發量最大，各月均超過80 mm（圖2b）。降水量和蒸發量的月際分布導致洞庭湖區可利用降水量以5月最大，其次依次是4月、6月和3月，9月最小（圖2c）。可利用降水量主要集中在春季和夏初（3—6月），占全年的60.0%。從各月降水可利用率分布狀況可知，上半年（1—6月）降水可利用率高，除1月外，普遍在40%以上，其中2—4月均超過50%；下半年（7—12月）降水可利用率低，除11月外，普遍低于30%，其中9月僅為14.1%（圖2d）。

圖1 兩種方法得到的1960—2013年洞庭湖區年蒸發量序列Fig. 1 Annual evaporation series during 1960—2013 derived from two methods over Dongting Lake region

圖2 洞庭湖區逐月降水量（a）、蒸發量（b）、可利用降水量（c）和降水可利用率（d）Fig. 2 Monthly precipitation (a), evaporation (b), utilizable precipitation (c) and utilization ratio (d) of Dongting Lake region

2.2 可利用降水量的時間變化

2.2.1 年可利用降水量

近百年洞庭湖區年可利用降水量無顯著線性變化趨勢，低通濾波（過濾掉周期小于4 a的高頻振蕩信號，下同）后顯示其變化以20～25 a尺度的年代際波動為主，其中20世紀10年代、30年代、50年代中期和90年代可利用降水量總體偏多，而20世紀20年代、40年代、60年代、80年代和21世紀初以來可利用降水量總體偏少。近百年洞庭湖區年平均可利用降水量為617.0 mm，其中，年可利用降水量最大的年份為1954年（1300.7 mm），其次為2002年（1131.8 mm）；年可利用降水量最小的年份為1927年（258.4 mm），其次為2011年（300.5 mm）（圖3a）。近百年洞庭湖區年蒸發量同樣無顯著線性變化趨勢，低通濾波值顯示20世紀10年代和90年代中前期至今蒸發量以偏多為主，其他時期以偏少為主（圖3b）。

從洞庭湖區年可利用降水量Mann-Kendall統計曲線可知，近百年以來洞庭湖區年可利用降水量基本呈波動變化，至20世紀70年代后期出現1個明顯增多的突變點，根據UF和UB曲線的交點，確定突變點為1979年（圖4a）。同樣，洞庭湖區年蒸發量存在1個明顯減少的突變點（1921年）和1個明顯增大的突變點（2006年）（圖4b）。由此表明，雖然近百年來區域年可利用降水量和蒸發量整體上無明顯增減趨勢，但在某些時段仍有出現突然增多或減少的狀況。

圖3 1910—2013年洞庭湖區年可利用降水量距平（a）和蒸發量距平（b）序列（相對1981—2010年平均值）Fig. 3 Annual utilizable precipitation anomalies (a) and evaporation anomalies (b) from1910 to 2013 over Dongting Lake region (to average level of 1981—2010)

圖4 1910—2013年洞庭湖區年可利用降水量（a）和蒸發量（b）Mann-Kendall突變檢驗Fig. 4 Mann-Kendall abrupt change test of annual utilizable precipitation (a) and evaporation (b) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

UF

對近百年洞庭湖區年可利用降水量序列進行Morlet小波變換可知，中短周期振蕩信號近百年來一直存在準3～6 a周期波，1970年之后才出現準8～10 a周期波。此外，還存在其他較長時間尺度的振蕩，如1970年以前主要有準20 a周期波，1970年以后則出現25 a左右周期波（圖5）。從長時間尺度的振蕩信號可知，近百年來洞庭湖區年可利用降水量均經歷了10個偏多或偏少期的轉換，且在這些偏多或偏少期內可利用降水量仍存在明顯的年際波動。

圖5 1910—2013年洞庭湖區年可利用降水量序列Morlet小波變換Fig. 5 Morlet wavelet transformation of annual utilizable precipitation from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

2.2.2 季可利用降水量

1910—2013年洞庭湖區冬季和夏季可利用降水量有所增多，增速分別為24.6 mm/100 a和16.2 mm/100 a；秋季可利用降水量有所減少，減少速率為21.7 mm/100 a；春季無明顯變化趨勢。各季可利用降水量的線性變化趨勢均未通過顯著性檢驗（表2）。洞庭湖區冬季可利用降水量有1次明顯的偏多期和2次明顯的偏少期，偏多期為20世紀80年代末期至21世紀10年代中期，偏少期為20世紀10年代初期至80年代末期及21世紀10年代中期至今（圖6a）；Mann-Kendall突變檢測顯示，洞庭湖區冬季可利用降水量存在1個顯著增多的突變點，為1978年（圖7a）。洞庭湖區春季可利用降水量有2次明顯的偏多期和3次明顯的偏少期，偏多期為20世紀30年代初期至30年代末期及20世紀50年代初期至60年代中前期，偏少期為20世紀30年代末期至40年代末期、20世紀80年代初期至80年代末期以及21世紀10年代前期至10年代末（圖6b）；Mann-Kendall突變檢測顯示，洞庭湖區春季可利用降水量無顯著增多或減少的突變（圖7b）。洞庭湖區夏季可利用降水量有2次明顯的偏多期和3次明顯的偏少期，偏多期為20世紀10年代初期至10年代后期及20世紀90年代初期至90年代后期，偏少期為20世紀10年代后期至20年代后期、20世紀40年代初期至60年代末以及21世紀初至今（圖6c）；Mann-Kendall突變檢測顯示，洞庭湖區夏季可利用降水量有1個顯著增多的突變點，為1990年（圖7c）。洞庭湖區秋季可利用降水量除20世紀20年代初期至30年代前期以偏少為主外，其他階段均呈波動狀態，無明顯偏多或偏少期存在（圖6d）；Mann-Kendall突變檢測顯示，洞庭湖區秋季可利用降水量無顯著增多或減少的突變點（圖7d）。盡管近百年來各季節可利用降水量以波動為主，整體無明顯變化趨勢，但部分季節可利用降水量在特定時段仍有出現突然增多的狀況。

表2 1910—2013年洞庭湖區四季降水量線性傾向率及線性趨勢線與降水量序列的相關系數Table 2 Seasonal utilizable precipitation trend rates and correlation coefficient between linear trend and precipitation series from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

圖6 1910—2013年洞庭湖區冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量距平序列（相對于1981—2010年平均值）Fig. 6 Time series of utilizable precipitation anomalies in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region (to average level of 1981—2010)

圖7 1910—2013年洞庭湖區冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig. 7 Mann-Kendall abrupt change test of utilizable precipitation in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

對洞庭湖區各季節可利用降水量序列進行Morlet小波變換可知，近百年來四季可利用降水量均存在若干中短周期振蕩信號，還均包含有15～25 a長時間尺度的振蕩信號（圖8）。從長時間尺度的振蕩信號可知，近百年來洞庭湖區各季節可利用降水量均經歷了10～13個偏多或偏少期的轉換，且在這些偏多或偏少期內可利用降水量仍存在明顯的年際波動。

3 結論

（1）近百年來洞庭湖區區內降水主要集中在春夏季（3—8月），占全年降水量的70.1%；蒸發主要集中在夏半年（4—9月），占全年蒸發量的70.5%；可利用降水量主要集中在春季和夏初（3—6月），占全年的60.0%。上半年（1—6月）降水可利用率高，普遍在40%以上；下半年（7—12月）降水可利用率低，普遍低于30%。

（2）近百年洞庭湖區年可利用降水量無顯著線性變化趨勢，以20～25 a周期的年代際波動為主；近百年洞庭湖區年蒸發量同樣無顯著增減趨勢。雖然近百年來整體增減趨勢不顯著，但兩者均在一定時段存在突然增多或減少的現象。

（3）洞庭湖區可利用降水量變化存在季節差異，近百年來冬季和夏季可利用降水量有所增多，秋季可利用降水量略有減少，春季無明顯變化。但四季可利用降水量的增減趨勢均未通過顯著性檢驗，整體仍以年代際波動為主，均存在多個顯著的偏多或偏少期。

（4）通過突變檢驗可知，近百年洞庭湖區年、冬季、夏季可利用降水量均存在1個顯著增多的突變點，突變年份以冬季最早，為1978年；年次之，為1979年；夏季最晚，為1990年。春、秋兩季可利用降水量無顯著增多或顯著減少的突變點。盡管近百年來各季節可利用降水量以波動為主，整體無明顯變化趨勢，但部分季節可利用降水量在特定時段仍有出現突然增多的狀況。

圖8 1910—2013年洞庭湖區冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量序列Morlet小波變換Fig. 8 Morlet wavelet transformation of utilizable precipitation in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) during 1910—2013 over Dongting Lake region

（5）小波分析結果顯示，近百年來洞庭湖年及四季可利用降水量均存在若干中短周期振蕩信號，還均包含有1個較顯著的15～25 a長時間尺度的振蕩信號。近百年來洞庭湖區年及各季可利用降水量均經歷了10～13個偏多或偏少期的轉換，且在這些偏多或偏少期內可利用降水量仍存在明顯的年際波動。

值得說明的是，由于洞庭湖區只有長沙和岳陽臺站1950年之前的氣溫和降水資料相對完整，大部分臺站1950年之前無氣象觀測記錄，限于資料的可獲取性問題，本文構建的百年尺度洞庭湖區域可利用降水量序列是根據高橋浩一郎公式并利用前期構建的區域平均逐月氣溫降水序列計算得到的。由于該公式是經驗公式，計算蒸發量時考慮的氣象因子較少，故本研究可利用降水量序列存在一定的不確定性。

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Analysis on the Changes of Utilizable Precipitation over Dongting Lake Region during the Past 100 Years

PENG Jiadong1,2, LI Gang2, WU Fang2

1. Hunan Climate Center//Key Laboratory of Preventing-Diminishing Meteorological Disasters in Hunan Province, Changsha 410118, China; 2. Lanshan Meteorological Bureau, Lanshan 425800, Hunan, China

Dongting Lake region is known as the land of fish and rice, and world famous Wetland Nature Reserve. Global warming and the frequent occurrences of extreme weather and climate events are inevitably affecting the water resources of the region. Utilizable precipitation is a kind of water resource that can be utilized in actual use and its changes directly affect the agricultural production, wetland protection and other aspects of the region. Based on the regional mean monthly temperature and precipitation series from 1910 to 2013 constructed by the all 21 meteorological stations in Dongting Lake region, the evaporation was calculated by Takahashi’s equation and its reliability was verified, then utilizable precipitation was obtained by the relationship of water balance. After that, the statistical methods were used to analyze the changes of utilizable precipitation series. The results indicated that utilizable precipitation of Dongting Lake region concentrated from Mar. to Jun., accounting for 60.0% of the whole year. Annual utilizable precipitation of Dongting Lake region over the past 104 years had no significant linear change trend but had obvious inter-decadal fluctuation with a periodic oscillation of 20～25 a. The changes of utilizable precipitation had seasonal differences, it had ascending trends in winter and summer, but descending in autumn and no significant change in spring. However, the linear trend of precipitation in each season did not pass the significance test and inter-decadal fluctuation was the main characteristics of change. The abrupt change test showed that the annual utilizable precipitation over recent 100 years had a abrupt rising jump and the same phenomenon in winter and summer, and it showed that although the utilizable precipitation in the year and the above seasons was characterized by the inter-decadal variability, there were also sudden increases in a certain period. The results of Morlet wavelet transformation showed that the annual and seasonal utilizable precipitation series had several periodic oscillations of multi time scales over Dongting Lake region and all have experienced 10～13 shifts of wet or dry periods , and each wet or dry period existed inter-annual fluctuations. This article aims to provide an important theoretical basis for future agricultural production, flood prevention and drought resistance in this region, and provide theoretical guidances for the development of climate change strategy.

Dongting Lake region; utilizable precipitation; change characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.016

P468.0+21; X16

A

1674-5906（2017）01-0104-07

彭嘉棟, 李鋼, 吳芳. 2017. 近百年洞庭湖區可利用降水量變化特征[J]. 生態環境學報, 26(1): 104-110.

PENG Jiadong, LI Gang, WU Fang. 2017. Analysis on the changes of utilizable precipitation over Dongting Lake region during the past 100 Years [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 104-110.

公益性行業（氣象）科研專項項目（GYHY201406016）

彭嘉棟（1984年生），男，高級工程師，主要從事為氣候與氣候變化監測評估研究。E-mail: 14865976@qq.com

2017-01-11