淮河入江水道萬福閘站近52年來降雨量變化特征分析

王 江 孫正蘭 王駿秋

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200)

近年來，隨著全球氣候變暖和人類活動導致一些區(qū)域極端氣候的發(fā)生。降水量異常是引起許多地區(qū)旱澇災害的最主要原因。淮河流域地處中國東部南北氣候過渡帶，氣候復雜，汛期降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。本文對萬福閘站1966—2017年的降水資料進行分析，得到52年的降水變化特征和趨勢預測分析結(jié)果，為淮河入江水道尾閭行洪工程的防汛抗旱和科學調(diào)度提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

萬福閘地處揚州市廣陵區(qū)，位于淮河入江水道廖家溝上，是淮河排洪的主要控制工程之一，主要作用是擔負淮河排洪入江水量的65%，引納江水，改善邵伯湖沿湖地帶農(nóng)田灌溉用水條件，控制揚州段京杭大運河水位，改善通航、城市工業(yè)和生活用水條件。該閘共65孔，每孔凈寬6m，總長469.2m，總凈寬390m，設計流量為8270m3/s。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L氣候，四季氣候分明，降水集中在夏秋兩季，6—7月經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)梅雨天氣，7—9月由于受當?shù)嘏_風影響，或者臺風與其他天氣系統(tǒng)一起遭遇時，常造成淮河地區(qū)的特大暴雨。

2 資料來源及分析方法

2.1 資料來源

本文選用萬福閘水文站1966—2017年的逐日降水量觀測資料，統(tǒng)計出逐月和逐年降水量，其中汛期為每年的5—9月。

2.2 分析方法

降水屬非平穩(wěn)隨機水文現(xiàn)象，降水具有趨勢性、周期性和平穩(wěn)隨機性等多項特征，所以對降水進行趨勢和周期性分析是有必要的。本文采用氣象上普遍采用的Mann-Kendall檢驗法對萬福閘站降水進行趨勢分析，得出該時期內(nèi)降水的整體變化趨勢和發(fā)生突變的年份。對降水周期分析的方法有方差分析法、滑動平均值法、譜分析法和小波分析法，本文采用Morlet小波法對該站降水進行周期性分析，得到降水系列的多時間尺度下的變化周期，從而預測未來的降水趨勢。

3 結(jié)果及分析

3.1 降水量年內(nèi)、年際特征

萬福閘站降水量年際變化較大，1966—2017年萬福閘站的多年平均年降水量為1028.5mm，最大年降水量為1821.5mm，發(fā)生年份為2016年；最小年降水量410.8mm，發(fā)生年份為1978年；最大年降水量是最小年降水量的4.43倍。

從圖1可以看出該站降水量年內(nèi)季節(jié)性變化很大，年內(nèi)降水量分配不均。全年汛期(5—9月)降水比較集中，汛期降水量達 664.7mm，占年降水量的64.6%；10月至次年4月的降水量為363.8mm，僅占全年降水量的35.4%。連續(xù)最大3個月(6—8月)降水量為490.1mm，占全年降水量的47.7%；連續(xù)最小3個月(12—2月)降水量為114.8mm，占全年降水量的11.2%。最大月(7月)降水量為201.8mm，占全年降水量的19.6%；最小月(12月)降水量為29.9mm，占全年降水量的2.9%。形成汛期降水量集中、夏澇冬旱的特點。

圖1 萬福閘站月降水量年內(nèi)分配

3.2 降水量周期變化

小波分析法是一種時頻多分辨率分析方法，具有時頻局部化功能。小波分析法可以將降水時間系列的頻率特征在時間域上展現(xiàn)出來，分析出其主要周期。小波分析法的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)。

小波函數(shù)ψ(t)連續(xù)小波變換后成離散小波變換形式：

式中：Wf(a，b)為小波變換系數(shù)；f(t)為一個信號或平方可積函數(shù)；a為伸縮尺度；b平移參數(shù)的復共軛函數(shù)。

將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，即

小波系數(shù)的模值反映了不同時間尺度變化周期所對應的能量密度，模值越大，說明周期變化越明顯。圖2為萬福閘站年降水量小波系數(shù)模等值線圖，從圖2中可以明顯看出20～25年時間尺度的模值最大，10～15年和3～6年時間尺度的周期變化次之。

為進一步分析小波的主周期，可以通過小波方差圖分析。圖3為萬福閘站年降水量小波方差圖，從圖3中可以明顯看出4個較為明顯的峰值(23年、14年、10年和4年)。其中，23年時間尺度的周期變化最為明顯，為降雨量變化的第一主周期，14年、8年和4年分別對應時間尺度為第二、第三和第四主周期。這個結(jié)論與小波系數(shù)模等值線圖分析的結(jié)果是一致的。

通過對圖3的分析，可以得到不同主周期特征時間尺度小波實部過程線，見圖4。不同時間尺度下的小波系數(shù)可反映不同時間尺度下的水文序列變化，正的小波系數(shù)對應豐水期，負的小波系數(shù)對應枯水期，其中23年、14年主周期特征時間尺度變化最為明顯。在23年時間尺度上，流域徑流變化的平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了3.5個豐-枯轉(zhuǎn)換期；而在14年時間尺度上，流域的平均變化周期為10年左右，大約5個周期的豐-枯變化。

3.3 降水量變化趨勢分析

許多學者不斷應用改進的Mann-Kendall方法分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時間序列趨勢變化。該方法的優(yōu)點是不一定要滿足一定的分布特征，而且不受異常值的擾動，適用于水文時間序列，計算也比較簡單。

圖2 年降水量小波系數(shù)模等值線

圖3 年降水量小波方差

圖4 不同主周期特征時間尺度小波實部過程線

在Mann-Kendall趨勢檢驗中，假設有n個樣本量(x1，…，xn) 的時間序列，對于所有 k，j≤n，且k≠ j，xk和xj的分布是不同的，檢驗統(tǒng)計量S通過下式計算：

方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當 n＞10時，統(tǒng)計值Z計算如下：

統(tǒng)計值Z＞0時，是增加趨勢；統(tǒng)計值Z＜0時，則是減少趨勢。如果Z的絕對值在大于等于1.28、1.96時，就表示通過了置信度90%和95%的顯著性檢驗。

在Mann-Kendall突變檢驗中，檢驗統(tǒng)計量與趨勢檢驗中Z有所不同，通過構(gòu)造序列

分析繪出的UFk和UBk曲線圖。若UFk的值大于0，則表明降水呈上升趨勢，反之則表明降水呈下降趨勢。如果超過臨界線說明變化趨勢顯著，如果兩條曲線相交，則交點為降水變化的突變年份。

在Mann-Kendall趨勢檢驗中，計算得萬福閘站S值為 159，var(S)值為 16059，Z 值為 1.25，小于1.28，表明萬福閘站52年來降水量呈上升的趨勢，但是沒有通過置信度90%的顯著性檢驗，說明萬福閘站的年降水量增加趨勢不明顯。

從圖5上可以看出，萬福閘站年降水量在1969—1975年、1986—2016年呈增加趨勢，其他年份呈減少趨勢，但都沒有通過0.05顯著性檢驗(U0.05=1.96)，說明變化趨勢均不明顯，根據(jù)兩條曲線交點的位置，得出萬福閘站年降水量在1969年、1973年、1976年、1987年、1991年、1998年、2003年、2008年、2013年存在突變。

圖5 萬福閘站年降水量UFk和UBk曲線

4 結(jié)語

本文通過對萬福閘站1966—2017年52年降水量資料的研究，得出入江水道萬福閘站多年平均降水量為1028.5mm，全年降水年內(nèi)分配不均，汛期占了全年降水量的64.6%；降水年際變化具有豐水和枯水年組交替出現(xiàn)的周期性趨勢，降水系列存在23年、14年、10年和4年4個多時間尺度的周期變化，其中23年時間尺度的周期變化最為顯著，降水變化的平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了3.5個豐-枯轉(zhuǎn)換期。萬福閘站52年來降水量整體呈上升的趨勢，但年降水量增加趨勢不明顯。