湘江株洲水文站近60年降雨特性分析

楊芳，楊盼，盧路，熊昱

(1.長江水資源保護科學研究所，湖北武漢430051； 2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443000)

全球變暖對水資源的影響問題，包括水循環過程、水量時空分布、極端降雨事件與洪澇災害等改變，事關人類的生存與發展[1]。降雨是氣候變化影響的重要指標之一[2]。在全球變暖的背景下，降水事件普遍呈現出極端化趨勢，因極端降水引發的洪水、雪災等自然災害頻發，對社會穩定、經濟發展和人民生活產生了嚴重影響，成為全球變化研究的一項重要課題。在過去的幾年里，國內外學者利用長期的降水觀測資料對不同區域的極端降水事件變化進行了大量研究。近年來，相關學者已通過對降雨資料的深入分析，得出了中國大部分地區的降雨變化規律[3-12]。

湘江屬長江流域洞庭湖水系，是湖南省最大河流，是生產生活、農業灌溉用水的主要來源，先后流經湖南省永州市、衡陽市、株洲市、湘潭市和長沙市，至岳陽市的湘陰縣樟樹鎮濠河口注入洞庭湖。在湖南省境內里程670 km，流域面積為85 383 km2，占湖南省全省總面積的40%。降雨是湘江水資源量的主要來源，其變化趨勢對水資源的開發利用和合理配置有著重要意義。

湘江湖南境內自上而下設置有永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙和岳陽6個水文站觀測流域水量、水位和雨量信息。株洲站位于流域下游，流域面積71 919 km2，距河口130 km。本文對湘江株洲站1955—2016年逐日降雨數據進行探索分析，研究其降雨變化特征，以期為湘江流域水資源變化特征研究、水資源規劃管理、防澇抗旱、農牧林業生產提供數據支持[13]。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文采用株洲站1955—2016年逐日降雨觀測數據。株洲站地理位于東經113°09′,北緯27°49′，設立于1954年1月，是國家級重要水文站。

1.2 研究方法

采用數理統計法分析研究區降雨強度；采用線性趨勢法和5 a滑動平均法[14-15]分析降雨量和降雨天數(降雨天數為日降雨量≥0.1 mm天數的總和)的年際變化；采用Mann-Kendall檢驗法對降雨量和降雨天數的演變特征進行分析并檢驗是否存在突變特征，在此基礎上采用Morlet小波分析方法研究降雨量和降雨天數的多時間尺度周期變化規律。

其中，世界氣象組織推薦的Mann-Kendall檢驗法，由于其可有效區分某個自然過程是處于自然波動或者是確定變化的趨勢，對于非正態水文氣象數據具有突出的適用性。Mann-Kendall檢驗法的方法原理及在國內許多流域降雨演變分析中的應用見參考文獻[14-20]。如果順序統計檢驗曲線UFk和逆序統計檢驗曲線UBk在置信區間內出現交點，即為可能的突變點。但是使用 Mann-Kendall檢驗法有時會檢測到很多的突變點，究竟哪個點是突變點有時很難下結論，甚至會得到錯誤的結論，因此，在檢驗中不能簡單的把順序序列和逆序序列的曲線的交點當作是突變點，應當用其他突變檢驗方法進行驗證?；瑒觮檢驗是通過考察2組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變。如果2段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平，可以認為均值發生了質變，有突變發生[21]。

小波分析(wavelet analysis)方法是在傅立葉(Fourier)變換基礎上引入窗口函數，把時間序列分解為時間和頻率的貢獻，它對于獲取一個復雜時間序列的調整規律，診斷氣候變化內在層次結構，分辯時間序列在不同尺度上的演變特征非常有效。通過小波分析可得到研究對象序列在不同時間尺度上周期結構和異常變化的規律，為短期氣候預測提供科學依據。小波分析方法原理及在氣象學、工程學等方面的應用見參考文獻[18-20,22-25]。

2 結果分析

2.1 降雨年內分配

2.1.1年內降雨量分析

湘江株洲站近60 a多年年均降雨量為1 637 mm，受季風活動影響，降雨年內分配極不均勻，但比較有規律，月際分配一般呈鈴型分布。通過圖1的多年平均降雨量分布可以看出，4—6月流域進入梅雨季節，降雨量增大，降雨量占年降雨量41.4%，其中6月暴雨強度和總降雨量均最大，為241.4 mm；12月降雨量最小，為64.8 mm。

多年年均降雨天數為176.5 d，占全年天數的48.5%，降雨天數較多，密度較大。通過圖1可以看出，該區域降雨月際分布較均，6月降雨天數最大為20 d，9月降雨天數最小為10 d。

圖1 多年平均降雨量及降雨天數年內分配

2.1.2年內降雨強度分析

根據國家氣象局頒布的降雨強度等級，分析多年平均降雨強度年內分配(圖2)和多年平均降雨強度天數年內分配(圖3)，結果顯示該區域小雨發生頻率最大占71.3%,50 mm以上暴雨(含大暴雨和特大暴雨)發生頻率為2.4%，中雨對降雨量貢獻占比最大，為32.5%，暴雨以上降雨量貢獻占比18.8%。全年暴雨主要集中在6—9月，占71.4%，其中6月最大，占26.7%。降雨強度年內分配與降雨量、降雨天數分配基本一致，說明降雨多的月份，出現暴雨的概率也大。

圖2 多年平均降雨強度年內分配

圖3 多年平均降雨強度天數年內分配

2.2 年際降雨特征分析

2.2.1年際降雨變化趨勢分析

湘江株洲站近60 a平均年降雨量的時間變化見圖4。在研究時段內，多年平均降雨量總體表現出增加趨勢，降雨傾向率為4.88 mm/10a，最小值出現在1971年，為1 047.1 mm，遠低于多年平均降雨量；最大值在2016年，為2 551.7 mm，是最小值的2.5倍，是多年平均值的1.6倍。由圖4中5 a滑動平均線可知，降雨量總體呈“增—減—增—平—減—增”6個階段的變化過程，1955—1984年，降雨量在小幅波動下持續上升，之后從1984—1990年表現為減下降趨勢；1990—1994年大幅上升；1994—2002年趨于平穩；2002—2009年又大幅下降，之后2010—2016年呈大幅上升趨勢。

圖4 降雨量年際變化曲線

近60 a平均年降雨天數的時間變化見圖5。在研究時段內，多年平均降雨天數雖呈波動變化，但總體趨勢表現平穩。最小值出現在1956年，為141 d，最大值在1994年，為220 d。5 a滑動平均線可知，降雨天數總體呈“減—增—減—增—減—增”6個波動變化過程，其中以2001—2007年間變幅最大。

2.2.2年際降雨突變分析

運用Mann-Kendall檢驗法對湘江株洲站近60 a多年平均降雨量和降雨天數的突變特征進行分析。

根據圖6，UFk和UBk曲線于1989年、2007年和2010年相交，該3個時間點可能為突變點。為了確定突變點，將降雨量數據進行滑動t突變檢驗見圖7，檢驗值|t|=3.23>t(0.05/2)=1.64，數據系列在1989年前后均值發生顯著跳躍，結合圖6可以確定湘江株洲站近60 a降雨過程中1989年為突變年。1955—1989年平均降雨量1 545 mm，1989—2016年平均降雨量1 755 mm，相差210 mm。

圖5 降雨天數年際變化曲線

圖6 降雨量Mann-Kendall突變檢驗

圖7 降雨量滑動t突變檢驗

降雨天數Mann-Kendall突變檢測見圖8，降雨總體表現為上升趨勢，但不顯著。UFk曲線和UBk曲線在1960—1966年間相交多次，2003年相交但超出置信區間。將降雨天數數據進行滑動t突變檢驗見圖9，檢驗值|t|=1.22

圖8 降雨天數Mann-Kendall突變檢驗

圖9 降雨天數滑動t突變檢驗

2.2.3年際降雨周期分析

前述降雨趨勢、突變分析很難看出短周期的變化信息，對此，圖10、11給出了降雨量和降雨天數相應的小波分析變換。該兩圖清楚地顯示了湘江株洲站近60 a來降水在不同時間尺度上的周期振蕩和突變點特征。圖中信號振蕩的強弱通過灰度的大小來表示，灰度越大表示年降雨量(或降雨天數)越小于常年，灰度越小表示年降雨量(或降雨天數)越大于常年。由圖可見，降雨量和降雨天數存在多重時間周期尺度上的嵌套復雜結構現象。

圖10 降雨量小波變換

圖11 降雨天數小波變換

其中降雨量周期性檢驗結果(圖10)明顯地存在5 a的短期振蕩周期、14 a的中期振蕩周期和32 a的長期振蕩周期。5 a短期振蕩上，1955—1972年間降雨量變幅較大，1972年后變幅平緩。14 a中期振蕩周期經歷了多—少13個循環交替，規律性明顯，且2016年振蕩周期等值線遠未閉合，說明2016年后短時間內降雨會相對減少，隨后又會增加；在32 a時間尺度上呈現4個多—少交替變化，且等值線仍未閉合，說明2016年后在該周期上降水量將繼續維持稍微偏少趨勢。從降雨量小波方差圖中也可以看出(圖12)，波峰出現在周期為14 a一處，說明14 a左右的周期振蕩最強，為第一主周期。

圖12 降雨量小波方差

由降雨天數的周期性檢驗結果(圖11)，可知，株洲市降雨天數在8 a時間尺度上具有較明顯的規律性變化，震蕩劇烈，變化頻繁；在20 a時間尺度上，呈現貫穿整個時間序列的周期性變化，共經歷了11個多—少循環交替，且到2016年降雨天數增多的等值線未閉合，說明2016年后短時間內降雨天數會相對減少，隨后又會增加；在32 a時間尺度上，具有與降雨量一致的周期性變化。通過降雨天數小波方差可看出(圖13)，波峰出現在周期為4，8，20 a3處，最高峰值出現在周期20 a處，說明20 a左右的周期振蕩最強，為第一主周期，第二、第三主周期分別為8、4 a。

圖13 降雨天數小波方差

3 結論

本文以湘江株洲站近60 a日降雨量數據為基礎，采用數理統計、線性趨勢、滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗、滑動t突變檢驗和小波分析等方法對株洲水文站降雨特性進行了分析，得出以下主要結論。

a) 近60 a來的多年年均降雨量為1 637 mm，降雨年內分配不均，但有規律；多年年均降雨天數為176.5 d，降雨天數較多，密度較大。降雨強度上小雨發生頻率最大，為71.3%，中雨對降雨量貢獻占比最大，為32.5%，降雨強度年內分配與降雨量、降雨天數分配基本一致。4—6月是降雨的集中期，流域及地方需要對防洪和山洪地質災害做好相關預防工作。

b) 多年年均降雨量主要呈現豐枯交替變化過程，總體呈上升趨勢顯著。1990—2002年間上升趨勢最明顯。近60 a降雨過程中1989年為突變年，呈現偏少向偏多變化規律，1955—1989年平均降雨量與1989—2016年平均降雨量相差210 mm。多年年均降雨量在14 a左右時間尺度上的周期振蕩最強，2016年后2～3 a內降雨量會相對減少，隨后又會增加，流域及地方要做好洪水預報預警。

c) 多年平均降雨天數雖呈波動變化，但總體趨勢表現平穩。近60 a平均降雨天數沒有發生突變，多年平均降雨天數在20 a左右時間尺度上的周期振蕩最強，2016年后2～3 a內降雨天數會相對減少，隨后又會增加。