株洲市近59 a降水變化規律分析

周牡丹，賴爾林

（湖南省聯宏水利科技有限公司，湖南 株洲 412007）

降水對農業生產、社會經濟可持續發展有重要影響，許多學者對降水在時間和空間的變化規律進行了研究，劉政鴻[1]研究表明，陜西省近50 a降水呈現減少趨勢并出現2次突變；李加順等[2]研究表明昆明地區降水量在65 a 期間緩慢減小，有5 個明顯的主周期；郭銘[3]研究表明朝陽市降水量在63 a長系列上存在3個主周期變化并預測未來3 a降水量偏少；常周梅等[4]研究表明西寧市近65 a氣溫與降水均呈現上升趨勢，變化的3 個主周期為45、32、18 a；段詳佩等[5]研究表明近54 a重慶市年降水量與各季降水量均呈下降趨勢。

1 研究區概況

株洲市是湖南省重要的交通樞紐，屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明、雨量充足，年平均氣溫16～18℃。株洲市域的河流長度5 km 以上的341 條，30 km 以上的19 條，100 km 以上的7 條，均屬湘江水系[6]。研究資料來源于株洲市的原始實測資料。降水量的模比過程線總趨勢呈單一直線關系，說明降水資料的一致性較好[7]。株洲市1954—2012 年降水量差積曲線呈現豐、平、枯變化周期，1954—1982 年屬于平水年，1983—1994 年屬于枯水年，1995—2012 年屬于豐水年。降水量累積模比系數隨著降水周期的增加而增加，在降水周期長達50 a時，降水量模比系數累積平均值有漸趨近于1 的趨勢，具有較好的收斂性，系列穩定性較好[7]。

使用滑動平均值法、距平分析法對株洲市1954—2012 年降水量變化規律進行分析，并利用Mann-Kendall 非參數趨勢檢驗法、t 檢驗對比分析了年降水量突變情況，運用小波分析方法研究了年降水量在不同時間尺度的變化規律，為當地水資源合理開發利用提供了依據。

2 年降水量特性分析

2.1 降水量年際變化和年代變化

1954—2012 年株洲市年降水量變化過程線，如圖1所示。由圖1可以看出，59 a長系列年降水呈現“增加—減少—增加”的波動形態。采用10 a滑動平均曲線對年降水的變化過程進行擬合，結果表明，株洲市在59 a時段內降水量總體趨勢與時間軸接近平行且略有增加，增加27.3 mm/10 a。

圖1 株洲市1954—2012年降水量變化

株洲市不同年代降水量變化詳見表1，20 世紀70 年代降水量比20 世紀60 年代有所增加；20 世紀80 年代降水量與20 世紀70 年代相比，呈下降趨勢；20 世紀90 年代與20 世紀80 年代相比，降水又出現大幅度增加；進入21世紀，降水出現下降趨勢，但相對20世紀60、80年代降水量有所增加。

表1 株洲市不同年代降水量變化情況

2.2 年降水量距平分析

根據1954—2012 年降水量序列，做出年降水量距平圖及距平趨勢線，如圖2所示。由圖2可以看出，在1954—2012 年期間，正距平最大值出現在2002年，負距平最大值出現在1954 年。線性趨勢線表示年降水量呈增加趨勢，變化幅度不大。株洲市59 a降水量平均值為1 395.3 mm，高于平均值的有24 a，低于平均值的有24 a，十分接近平均值的有11 a。因此可以看出，株洲市豐水年與枯水年頻次十分接近，高降水量、正常降水量及低降水量出現的頻次表明株洲市降水變化比較有規律。

圖2 株洲市1954—2012年降水量距平變化

2.3 干旱等級分析

按照旱澇對稱原則結合湖南省實際情況對降水量距平百分率進行分級[8]，詳見表2；根據旱澇等級劃分株洲市干旱等級情況，詳見表3。

表2 湖南省降水量旱澇等級劃分

表3 株洲市干旱等級情況

由表3可知，在1954—2012年期間，株洲市發生了7 次特大干旱，頻率為11.86%；嚴重干旱發生了6次，分別為1958、1959、1968、1974、1978、2007 年；中等干旱發生了6 次；輕度干旱發生了5 次；不澇不旱發生了11次，頻率為18.64%；其余24 a為濕潤年。

3 降水量突變分析

用Mann-Kendall 非參數趨勢檢驗法檢測株洲市降水序列變化趨勢，結果如圖3 所示。M-K 趨勢指標U＝1.36＞1.28，通過90%顯著性檢驗，呈增加趨勢，說明株洲市近59 a的降水呈顯著的增加趨勢。在M-K 曲線中，UF 和UB 曲線有19 個交點，出現在20 世紀50—80 年代之間，說明存在突變，但突變點不明顯，也可能存在偽突變點。UF 曲線在1999—2006 年期間超過置信區間1.96 水平，在這8 a 期間增加趨勢相對明顯，存在突變點。對可能存在的突變點進行10 a 滑動t 檢驗，如圖4 所示。結果顯示，當顯著水平為0.01、子系列長度為10 時，整個研究時段內統計量t在1988—1994年期間及2002—2003年期間超過置信區間，結合M-K 檢驗結果，說明在2002年株洲市降水量出現突變點。

圖3 降水量突變分析

圖4 降水量滑動t檢驗

4 降水周期特征分析

4.1 小波系數實部分析

小波系數實部等值線，如圖5 所示。在整個時間周期上，年降水量變化過程存在4～6、8～12、18～22 a 3 種尺度周期變化規律，其中在1954—1975年期間，存在5次枯—豐交替變換，中心時間尺度約為5 a，1975 年以后震蕩變化幅度較大；在1976—2010年期間，存在4次枯—豐交替變換，中心時間尺度約為10 a；在18～22 a 時間尺度上出現3 次枯—豐交替變換，中心時間尺度約為20 a，20 a 時間尺度震蕩能量變化最強、周期變化最明顯，是主要枯—豐震蕩周期。

圖5 小波系數實部等值線

4.2 小波系數方差分析

小波方差，如圖6 所示，年降水量小波方差變幅圖存在3 個明顯的峰值，對應周期為5、10 和20 a。其中，20 a時間尺度所對應的小波方差峰值最大，周期震蕩最強，是59 a 降水量變化的第一周期，而10和5 a 周期尺度對應年降水量變化的第二、第三周期。這3個周期的波動控制著年降水量在整個研究的59 a內的變化特征。

圖6 小波方差

4.3 周期趨勢分析

根據小波方差圖，繪制第一主周期20 a 和第二周期10 a時間尺度的年降水量小波系數實部過程曲線，如圖7所示。在不同時間尺度下，年降水量存在枯—豐變化特征。由圖7（a）可以看出，在20 a 時間尺度下，年降水量的平均周期為10 a 經歷1 個半豐—枯演變期，2012 年以后小波系數為正值，到2017年降水將處于偏多時期。由圖7（b）可以看出，在10 a時間尺度下，年降水量的平均周期為5 a 經歷1 個半豐—枯演變期，2010 年以后小波系數由負變正，年降水量呈增加趨勢，直至2017 年降水量都將處于偏多時期。

圖7 不同時間尺度年降水量小波系數實部過程線

5 結論

使用滑動平均值法、距平分析法、Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法、t 檢驗及小波分析法對株洲市1954—2012 年降水量變化規律進行分析，得出以下結論。

（1）株洲市在59 a時段內降水量總體呈增加趨勢，每年增加2.73 mm，降水量在2002 年達到最高，在1954 年達到最低，呈現先增加再減少再增加的趨勢。

（2）選用距平百分率建立干旱評價指標，將株洲市干旱劃分為9個等級，其中不澇不旱年出現11次，頻率為18.64%，特大干旱年出現7 次，頻率為11.68%；嚴重干旱和中度干旱各出現6 a；輕度干旱出現5 a；其余24 a為濕潤年。

（3）通過M-K 法檢驗及滑動t檢驗可知，在研究期內該地區降水通過90%顯著性檢驗，呈增加趨勢，出現突變的時間是2002年。

（4）20 a時間尺度所對應的小波方差峰值最大，是59 a 降水量變化的第一周期，而10 和5 a 周期尺度對應年降水量變化的第二、第三周期。這3 個周期的波動控制著年降水量在整個研究的59 a內的變化特征。