宜興市區(qū)1961 年～2018 年旱澇特征及其變化趨勢(shì)分析

毛玉芳，夏雪峰，夏鵬飛，許軍良

（1.宜興市新莊街道水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214200;2.宜興市芳橋街道水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214200;3.宜興市和橋鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214200;4.宜興市周鐵鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214200）

0 前言

隨著全球氣候變暖以及人類對(duì)水資源的不合理開(kāi)發(fā)和利用，中國(guó)的洪澇干旱呈現(xiàn)出一種新的發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)生頻率增加，洪澇范圍擴(kuò)大，影響范圍擴(kuò)大，災(zāi)害損失加劇[1]。在不斷變化的環(huán)境下，生態(tài)，環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求日益增加，區(qū)域干旱和洪澇的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)正成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1～4]。

每年汛期，在宜興上游地區(qū)的大量客水和下游太湖水位共同影響下，平原區(qū)河網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)持久的高水位，給圩區(qū)防洪帶來(lái)巨大的壓力，特別是西面圩區(qū)地勢(shì)較低，圩內(nèi)防洪工程比較薄弱，洪澇問(wèn)題較為突出。隨著太湖流域、湖西區(qū)域防洪除澇工程的逐步實(shí)施，太湖流域能防御1954 年型50 年一遇洪水、湖西區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20 年一遇。但是，地區(qū)城市化進(jìn)程的加快，特別是圩區(qū)排澇動(dòng)力的增加，導(dǎo)致洪水匯流速度加快；河道洪峰流量增大，迫使防洪壓力不斷增加，地表水和地下水都失去了自排條件，水澇災(zāi)害嚴(yán)重。因此，研究市區(qū)降雨空間的時(shí)空變化特征，對(duì)于了解宜興市在氣候變化下的洪澇災(zāi)害具有重要意義[5～6]。

1 區(qū)域概況

宜興市位于江蘇省南部，并處于滬杭寧三角中心地帶東南接壤浙江長(zhǎng)興，西南臨安徽廣德，西北毗連金壇，向北同武進(jìn)相傍，向西與溧陽(yáng)相連，總面積達(dá)2038.7 km2（其中太湖面積約占總面積十分之一為208.7 km2）。宜興市區(qū)屬于太湖流域水系，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、星羅棋布。同時(shí)擁有太湖、東氿、滆湖、西氿、團(tuán)氿等五大湖泊，除此之外還包括武宜運(yùn)河、蕪申運(yùn)河、西溪河等大型河流，以及七里亭水庫(kù)、橫山水庫(kù)、黃墅水庫(kù)等水域。

2 資料來(lái)源

本文使用的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://www.nmic.gov.cn/)提供的中國(guó)地面氣候數(shù)據(jù)的月度數(shù)據(jù)。降雨采用宜興市區(qū)周邊2 個(gè)雨量站（[58345]溧陽(yáng)、[58358]東山）的逐月降水實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用算術(shù)平均法構(gòu)建流域月，季，年平均降水量的時(shí)間序列。從而對(duì)宜興市區(qū)降水量分布與枯- 豐交替進(jìn)行研究。數(shù)據(jù)年份為1961 年～2018 年，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度說(shuō)，相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間序列能夠保證研究區(qū)域分析結(jié)果的可靠性。

3 年降水量時(shí)間變化特征分析

3.1 降水量年際變化特征

圖1 宜興市區(qū)年平均降水量變化及小波方差

由圖1 可知，1961 年～2018 年宜興市區(qū)年平均降水量為1158.7 mm，年平均降水量呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)方程為y=3.2184x+1063.7，年平均降水量以3.2184mm/a的速度遞增。并且在58 a內(nèi)增加了186.67mm。2016 年降水量最大為1952.7mm，1978 年降水量最低為671.7 mm，相差1281 mm。從宜興市區(qū)年平均降水量變化的5 條移動(dòng)平均曲線可以看出，1961 年～1993 年平均年降水量波動(dòng)較小，呈緩慢上升趨勢(shì)。1994 年～2006 年的年平均降水量具有較大的振幅，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，200 年7 以后降水出現(xiàn)回升，并且在2016 年達(dá)到最大，整體來(lái)講宜興市雨量充沛。

小波方差可以反映不同時(shí)間尺度下降雨時(shí)間序列的波動(dòng)能量分布，小波方差隨時(shí)間尺度變化。該過(guò)程可以反映時(shí)間序列中包含的各種尺度（周期）的特征以及它們作為比例函數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)（能量大小）。因此，通過(guò)小波方差圖找到降雨過(guò)程中存在的主要周期非常方便。

從宜興市區(qū)降水的小波方差圖可以看出，有四個(gè)相對(duì)顯著的峰值，分別對(duì)應(yīng)27 a，17 a，10 a 和4 a 的時(shí)間尺度。其中，可測(cè)量時(shí)間尺度上的最大值對(duì)應(yīng)于27 a 的時(shí)間尺度，可以看出時(shí)間波動(dòng)在27 a 左右最強(qiáng)，這是該年度降雨變化的第一個(gè)主要時(shí)期;17 a 時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)于第二個(gè)峰值，這是降雨量變化的第二個(gè)主要時(shí)期，第三個(gè)和第四個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)于10 a 和4 a時(shí)間尺度。它們依次為市區(qū)降雨的第三和第四主周期。這表明上述四個(gè)周期的波動(dòng)決定了整個(gè)時(shí)域內(nèi)降水降雨的變化特征。

3.2 降水季節(jié)性變化特征

圖2 宜興市區(qū)1961 年～2018 年四季降水量

從圖2 可以看出，不同季節(jié)的降雨量占年降雨量的比例差異較大，其中夏季降水具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其次是秋季和春季，冬季的降水比重最少，春，夏，秋，冬季降水量與年降水量的比值分別為26.1%，40.5%，19.5%和13.9%。從降水的季節(jié)變化可知，58 a 左右宜興市區(qū)的降水變化主要表現(xiàn)為夏季變化。宜興市區(qū)的降水主要受太平洋和印度洋季風(fēng)影響，季風(fēng)環(huán)流隨季節(jié)而變化。降水量明顯增加，因此夏季降水集中，夏季降水量大，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，連續(xù)發(fā)生。地理分布的特點(diǎn)是從南到北逐漸減少。四季降水的年際變化很大，經(jīng)常導(dǎo)致持續(xù)洪澇，年內(nèi)降雨量分布不均，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，夏季降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雨量大。一般來(lái)說(shuō)，6 月～9 月的降雨量占年降雨量的50%以上。這一年的旱澇變化往往是由于流域的春季和夏季洪水以及秋季后的干旱模式造成的。

3.3 分季小波分析

為了分析不同季節(jié)降雨的振蕩周期，對(duì)四季年降雨量進(jìn)行了小波分析。四季年降水量序列的小波分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 宜興市區(qū)1961a～2018a 年降水量小波系數(shù)等值線圖

由圖3 可知，不同季節(jié)的振蕩周期略有不同。如圖3(a)所示，市區(qū)春季的年降水有 3 a～6 a、7 a～13 a 和 23 a～32 a 的振蕩周期。7 a～13 a 的振蕩周期明顯，具有全球性。圖3（b）表明，市區(qū)夏季降水的振蕩周期為 3 a～8 a，9 a～18 a 和 19 a～32 a，振蕩周期為19 a～32 a 為主要時(shí)期。三個(gè)振蕩周期不是全球性的，1985 年以后主要時(shí)期變得更加強(qiáng)烈。圖3（c）顯示，秋季區(qū)域的年降水量具有 3 a～8 a 和 9 a～19 a 的振蕩周期。在 1990 年～2018 年，振蕩周期在 3 a～8 a 左右明顯，9 a～19 a 左右的振蕩周期在整個(gè)時(shí)域是顯著的，是振蕩的主要周期。圖3（d）顯示，冬季降水的年振蕩周期約為3 a～9 a 和12 a～32 a。在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)兩個(gè)震蕩周期都較弱，規(guī)律性不強(qiáng)，且大部分為分界線說(shuō)明冬季降水偏少。

對(duì)市區(qū)四個(gè)季節(jié)的降水量分別繪制小波方差見(jiàn)圖4。

圖4 宜興市區(qū)1961 年～2018 年年降水量序列小波方差

對(duì)宜興市區(qū)四季的年均降雨量做小波分析，結(jié)果見(jiàn)圖4，宜興市區(qū)春季年均降雨存在4 a、8 a、26 a 的主周期，第一個(gè)主循環(huán)是8 a，第二個(gè)和第三個(gè)主循環(huán)是26 和4 a，這表明在宜興市區(qū)的春季降雨中主要存在約8 a 的振蕩周期。對(duì)于宜興市區(qū)夏季年均降雨，其主要周期依次為 4 a、7 a、10 a、17 a、27 a。峰值位于27 a，表明宜興市區(qū)的夏季降水主要具有約27 a 的振蕩周期。宜興市區(qū)年平均降雨量的主要周期為4 a、9 a 和15 a。從宜興市區(qū)的冬季小波方差圖可以看出，第一、第二、第三和第四振蕩周期分別為 4 a、7 a、19 a、27 a。第一主周期為 19 a。4 個(gè)季節(jié)年降雨的主周期各不相同，但它們也有相似性，都有共同4 a 的主周期，并且夏季年均降雨的主周期與全年年均降雨的主周期完全重合，進(jìn)一步說(shuō)明年降雨強(qiáng)度周期主要受夏季降雨強(qiáng)度影響。

4 結(jié)論

1）1961 年～1818 年宜興市區(qū)年平均降水量為1158.7 mm，年平均降水量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。平均年降水量以3.2184 mm/a的速率增加。市區(qū)年平均降水量每年相對(duì)不同，研究期間內(nèi)降水量最大相差1281 mm。

2）從宜興市區(qū)降雨的小波方差圖中可以看出，有4 個(gè)比較為明顯的峰值，它們分別對(duì)應(yīng)著27 a、17 a、10 a 和4 a 的時(shí)間尺度。其中，在可測(cè)的時(shí)間尺度內(nèi)最大值對(duì)應(yīng)著27 a 的時(shí)間尺度，可知在27 a 左右的周期震蕩最強(qiáng)，為市區(qū)年降雨變化的第一主周期。

3）不同季節(jié)降雨量占年降雨量比重有較大差異，其中夏季降水量占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其次是秋季和春季，冬季的降水比重最少，春、夏、秋、冬四季降水量占全年降水量的比值分別為26.1%，40.5%，19.5%和13.9%。

4）市區(qū)春季、夏季、秋季、冬季年平均降雨量分別為4 a、8 a、26 a，4 a、7 a、10 a、17 a、27 a，4 a、9 a、15 a 和4 a、7 a、19 a、27 a；四季降水的第一個(gè)主要時(shí)期分別為8 a、27 a、15 a、19 a，夏季年平均降水的主要時(shí)期與年平均降雨量的主要時(shí)期相吻合。也說(shuō)明了年均降雨變化特征主要體現(xiàn)為夏季降雨周期變化特征。