1960-2018年揚州地區降水變化特征研究*

揚州大學水利科學與工程學院 吳灝，陶雨欣，卞朝陽

一、引言

降水是水資源循環過程中最重要的組成部分之一，降水量的多少、降水的時空分布影響著區域可獲得水資源量。IPCC第五次報告顯示[1]，在全球變暖背景下，中緯度大部分地區的降水強度及降水頻率有所增加，對工農業生產、人民生活和生態環境等產生重要影響[2]。因降水引發的洪水、泥石流、雪災等自然災害，對經濟發展和人民生活造成了嚴重的損失[3-4]，受到政府、學者的廣泛關注。

揚州地區位于長江北岸、江淮平原南端，屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，日照充足，雨量豐沛[5]。不同時間尺度降水量變化將對該地區農業、生態環境等產生重要影響。研究不同時間尺度降水量的變化規律，對于制定科學減災戰略至關重要。基于此，本研究利用揚州日降水數據，分析揚州地區降水量年內、年際變化及周期性變化特征，以期為農田排水工程的實施及自然災害防御等提供參考數據。

二、材料及方法

（一）數據

本文采用的日降水量數據來自中國國家氣象數據共享中心(www.nmic.gov.cn)，時間序列為1960年-2018年。將每年的1月、2月和12月劃分為冬季，3-5月劃分為春季，6-8月劃分為夏季，9-11月劃分為秋季。繪制時間序列圖，通過目視判斷的方法查詢可能存在的錯誤數據[6]，其中錯誤和缺失的數據通過使用相一致的長時間序列的均值進行插補。

（二）方法

1.趨勢分析

線性回歸分析被廣泛應用于水文氣象數據的時間變化趨勢分析[7]。本研究采用線性回歸分析對年尺度極端降水指標的變化趨勢進行分析。計算公式為：

式中，a為線性趨勢項，即趨勢系數；b常數項；趨勢系數為正(負)表示極端降水指標在所統計的時間內具有線性增加(減少)的變化趨勢。再利用t檢驗對其線性變化趨勢進行置信度水平檢驗。若趨勢系數通過置信度較高的顯著性檢驗，則變化趨勢顯著。

2.小波分析

小波分析(wavelet analysis)能夠解析和推斷氣象及水文時間序列中存在的周期性的變化特征[8-9]。使用Morlet小波分析極端降水指標的周期性變化特征。對于時間序列，小波變換為：

式中，a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反應時間上的平移。對于給定的能量有限信號，離散小波變換形式為：

通過對小波方差進行計算可以實現對時間序列主周期數值的確定，其中該數據的積分形式可以通過下式表示[10]：

三、結果及分析

（一）降水年內變化特征

揚州地區多年平均降水量的年內變化如圖1所示。可以看出揚州地區降水年內分布不均。在月尺度，10月至次年4月降水偏少，5月-9月降水偏多。多年平均月降水量最大值為227.5mm，出現在7月，約占全年總降水量的22.0%；最小值為25.7mm，出現在12月，約占全奶奶總降水量的4.7%。在季節尺度，夏季降雨量最大，其次為春季、秋季、冬季；其降水量分別為530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm，約占全年降水量的51.4%、20.4%、19.5%及8.7%。

圖1 揚州地區多年平均降水量年內變化(a.月尺度; b.季節尺度)

（二）降水年際變化特征

揚州地區降水量的年際變化如圖2、3所示。在季節尺度，春季降水量表現為不顯著減小的趨勢；最大值為467.2mm，出現在1998年，最小值為50.2mm, 出現在2001年。夏季降水量表現為不顯著增加的趨勢；最大值為1188.8mm，出現在1991年，最小值為165.5mm,出現在1973年。秋季降水量表現為不顯著減小的趨勢；最大值為592.7mm，出現在2016年，最小值為47.8mm,出現在1995年。冬季降水量表現為顯著增加的趨勢；最大值為231.4mm，出現在2001年，最小值為9.1mm, 出現在1960年。年尺度，降水量表現為不顯著增加的趨勢；最大值為1823.9mm，出現在1991年；最小值為472.7mm,出現在1978年。

圖2 揚州地區不同季節多年平均降水量年際變化(a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季)

（三）降水周期性變化特征

圖3 揚州地區多年平均降水量年際變化

小波分析顯示揚州地區年降水量存在多種尺度的周期變化規律(圖4)。存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的變化周期。30-47a、48-64a的變化周期，降水的豐枯交替比較平穩，具有全局性。30-47a存在豐-枯交替準兩次震蕩，48-64a存在豐-枯交替準一次震蕩。通過小波方差大小的波動，進一步揭示了揚州地區降水的周期震蕩強度。由圖5可見，小波方差中存在6a、18a、37a和63a的峰值。其中63a尺度為最大峰值，是降水變化第一主周期，第二、三、四主周期分別為37a、18a和6a，幾個周期共同控制著年降水的變化周期。

圖4 揚州地區年降水小波實部等值線圖

圖5 揚州地區降水小波方差

四、結論

本研究通過使用揚州地區1960-2018年降水數據，采用趨勢分析和小波分析研究了不同時間尺度降水量的變化特征及周期性變化規律。得到以下結論：

在月尺度，10月至次年4月降水偏少，5月-9月降水偏多。在季節尺度，夏季降雨量最大，其次為春季、秋季、冬季；其降水量分別為530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm。春季降水量表現為不顯著減小的趨勢,夏季降水量表現為不顯著增加的趨勢，秋季降水量表現為不顯著減小的趨勢，冬季降水量表現為顯著增加的趨勢。年降水量表現為不顯著增加的趨勢。

揚州地區年降水量存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的變化周期。30-47a、48-64a的變化周期，降水的豐枯交替比較平穩，具有全局性，周期變化最明顯，其他時間尺度的周期性變化較小。