近百年洞庭湖区可利用降水量变化特征

彭嘉栋，李钢，吴芳

1. 湖南省气候中心//气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118；2. 蓝山县气象局，湖南 蓝山 425800

近百年洞庭湖区可利用降水量变化特征

彭嘉栋1,2，李钢2，吴芳2

1. 湖南省气候中心//气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118；2. 蓝山县气象局，湖南 蓝山 425800

洞庭湖区是久负盛名的鱼米之乡，同时又是国际著名的重要湿地自然保护区。全球气候变暖、极端天气和气候事件的频繁发生必然对湖区水资源产生不可忽视的影响。可利用降水量是可被实际利用的降水资源，其变化直接影响到湖区的农业生产、湿地保护等方方面面。利用洞庭湖区21个气象站构建的1910—2013年区域平均逐月气温、降水序列，采用陆面蒸发经验模型计算得到逐月蒸发量，并验证其可靠性；再根据水量平衡关系，得到可利用降水量，最后采用数理统计方法分析洞庭湖区可利用降水量的变化特征。结果表明，洞庭湖区可利用降水主要集中在3—6月，占全年的60.0%；1910—2013年湖区年可利用降水量无显著线性变化趋势，以20～25 a周期的年代际波动为主；洞庭湖区可利用降水量变化存在季节差异，近百年来冬季和夏季可利用降水量有所增多，秋季可利用降水量略有减少，春季无明显变化，但各季节可利用降水量的变化趋势均未通过显著性检验，整体仍以年代际波动为主。突变检验结果显示，近百年洞庭湖区年、冬季、夏季可利用降水量均存在1个显著增多的突变点，表明尽管年、冬季、夏季可利用降水量呈现以年代际波动为主的变化特征，但一定时段内仍存在突然增多的现象。小波分析结果显示，近百年来年和四季可利用降水量均存在多时间尺度的周期振荡，均经历了10～13个偏多或偏少期的转换，且在这些偏多或偏少期内可利用降水量仍存在明显的年际波动。文章旨在为今后洞庭湖区的农业生产和防汛抗旱提供理论依据，同时为制定洞庭湖区应对气候变化的战略提供一定的理论指导。

洞庭湖区；可利用降水量；变化特征

随着地球人口的不断增长、社会经济的不断发展和人类生活用水标准的不断提高，人们对水的需求量越来越大，水资源匮乏已成为当今很多国家和地区经济发展的严重障碍。同时，全球气候变暖，气温升高，极端天气和气候事件频繁发生（秦大河等，2014；中国气象局气候变化中心，2015）等对水资源产生了不可忽视的影响。目前，对区域水资源的研究已成为研究热点（郭渠等，2011；克来木汗·买买提等，2013；罗伯良等，2010；陶云等，2010；徐利岗等，2012）。

洞庭湖区内拥有中国第二大淡水湖——洞庭湖，是长江中下游地区对河川径流具有天然调节效应的大湖，也是久负盛名的鱼米之乡，同时又是国际著名的重要湿地自然保护区。由于地处亚热带季风区，降水季节性强，多集中在春夏两季，尤其是汛期集中了全年70%以上的雨量。相关研究表明，近50年洞庭湖区年降水日数呈减少趋势，而年大雨和暴雨日数呈增多趋势（潘志祥等，2013），导致降水更加趋于集中。而以往对该区域的水资源研究主要集中在降水量上（黄菊梅等，2013；彭嘉栋等，2015），降水虽然是水资源的主要补给来源，但并不等于是可利用的水资源，相当一部分降水以蒸发的形式返回到大气中，剩下部分才能形成地面径流。可利用降水则是大气降水各分量中（降水量、蒸发量和可利用降水量）可被人们实际利用的降水资源。因此，探讨气候变暖背景下洞庭湖区可利用降水资源的变化规律尤其是长时间尺度的变化规律可为当地管理部门指导农业生产和防汛抗旱提供参考依据，同时对制定洞庭湖区应对气候变化的战略具有一定的指示意义。

1 资料与方法

利用洞庭湖区21个地面气象站（其中湖北省3个，湖南省18个，站名及观测资料起始年限见表1的逐月气温及降水资料，其中，长沙和岳阳站资料始于1909年，常德始于1932年，由于战争及社会不稳定等原因，这3个台站1950年之前的资料有

部分缺失；除上述3站外，其余18站资料完整，建站于1954—1959年间。在对上述21站逐月气温、降水资料进行均一性检验和订正，并对1950年之前因战争等原因而缺失的部分资料进行统计插补基础上，建立各站自建站以来的完整序列，然后通过分析两个长序列台站（长沙和岳阳）1960年以来的气温、降水序列与21个台站平均的同时段同类序列的相关性，选择相关性较好的台站并以此为基准转换构建洞庭湖区域1910—2013年平均逐月气温和降水量序列（彭嘉栋等，2014；彭嘉栋等，2015）。

表1 洞庭湖区21个地面气象观测站及其观测资料的起始时间Table 1 The 21 meteorological stations and its beginning time of observation in Dongting Lake region

一般地，一个地区水资源的量取决于降水、蒸发和径流量等要素。从气象角度来考虑，降水量与蒸发量之差基本能表征可利用降水资源的量，降水量反映了一个地区的水分收入状况，而蒸发量则是表示一个地区水分消耗程度的指标。目前，关于蒸发量的计算方法较多，一般根据空气饱和差、气温及积温、辐射平衡等来确定，具体的经验公式主要有彭曼公式、桑斯威特公式、哈格里韦斯公式以及高桥浩一郎公式等（高桥浩一郎，1979）。其中，高桥浩一郎经验公式仅用了月平均降水和气温两个要素即可估算月平均地面蒸发，方法简便，应用广泛。考虑到洞庭湖区的气候特点及百年尺度资料（指1960年之前）仅有气温和降水两个观测要素的现实状况，本文采取高桥公式估算洞庭湖区百年逐月的蒸发量，并用降水量减去蒸发量得到可利用降水量。

高桥浩一郎的陆面蒸发经验公式为：

式中，E、P、T分别为月地面蒸发量（mm）、月降水量（mm）、月平均气温（℃）。降水与蒸发量之差称为可利用降水量，可以将其作为衡量水资源丰枯的指标。可利用降水资源F（mm）可定义为：

降水可利用率α定义为：

利用（1）、（2）、（3）式计算各月的蒸发量、可利用降水量和降水可利用率。

同时，由于洞庭湖区大部分台站建站于1954—1959年之间，在这之前有气温降水资料的台站仅有3个，因此本文的洞庭湖区近百年蒸发量序列是用前期构建的同时段区域平均逐月气温、降水资料通过公式（1）计算得到的。为验证该百年蒸发量序列的可靠性，基于1960年后区域内21个台站的气温、降水资料均完整，对1960—2013年区域平均逐月气温、降水资料通过公式（1）计算得到年蒸发量序列（以下简称方法一序列）和同时段21站逐月气温、降水序列计算得到各站蒸发量之后再进行区域平均后得到的序列（以下简称方法二序列）进行比较，图1显示了两序列的对比情况。由图可知，两序列呈高度相关，相关系数高达0.991（通过0.01显著性检验），t检验和F检验的结果均显示两序列的均值和方差无显著差异。两种方法得到的各月蒸发量序列相关系数均超过0.970，且均值和方差均无显著差异（图略），因此可以认为利用方法一得到的洞庭湖区域近百年蒸发量序列是可靠的。

本文采用线性趋势分析、低通滤波、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析法对可利用降水量的变化特征进行分析（魏凤英，1999）。

2 结果分析

2.1 可利用降水量的年内分布

由近百年来洞庭湖区各月平均降水量和蒸发量分布可知，区内降水主要集中在春夏季（3—8月），占全年降水量的70.1%，其中又以4—6月降水量最多，各月均超过150 mm（图2a）。蒸发主要集中在夏半年（4—9月），占全年蒸发量的70.5%，其中又以5—8月蒸发量最大，各月均超过80 mm（图2b）。降水量和蒸发量的月际分布导致洞庭湖区可利用降水量以5月最大，其次依次是4月、6月和3月，9月最小（图2c）。可利用降水量主要集中在春季和夏初（3—6月），占全年的60.0%。从各月降水可利用率分布状况可知，上半年（1—6月）降水可利用率高，除1月外，普遍在40%以上，其中2—4月均超过50%；下半年（7—12月）降水可利用率低，除11月外，普遍低于30%，其中9月仅为14.1%（图2d）。

图1 两种方法得到的1960—2013年洞庭湖区年蒸发量序列Fig. 1 Annual evaporation series during 1960—2013 derived from two methods over Dongting Lake region

图2 洞庭湖区逐月降水量（a）、蒸发量（b）、可利用降水量（c）和降水可利用率（d）Fig. 2 Monthly precipitation (a), evaporation (b), utilizable precipitation (c) and utilization ratio (d) of Dongting Lake region

2.2 可利用降水量的时间变化

2.2.1 年可利用降水量

近百年洞庭湖区年可利用降水量无显著线性变化趋势，低通滤波（过滤掉周期小于4 a的高频振荡信号，下同）后显示其变化以20～25 a尺度的年代际波动为主，其中20世纪10年代、30年代、50年代中期和90年代可利用降水量总体偏多，而20世纪20年代、40年代、60年代、80年代和21世纪初以来可利用降水量总体偏少。近百年洞庭湖区年平均可利用降水量为617.0 mm，其中，年可利用降水量最大的年份为1954年（1300.7 mm），其次为2002年（1131.8 mm）；年可利用降水量最小的年份为1927年（258.4 mm），其次为2011年（300.5 mm）（图3a）。近百年洞庭湖区年蒸发量同样无显著线性变化趋势，低通滤波值显示20世纪10年代和90年代中前期至今蒸发量以偏多为主，其他时期以偏少为主（图3b）。

从洞庭湖区年可利用降水量Mann-Kendall统计曲线可知，近百年以来洞庭湖区年可利用降水量基本呈波动变化，至20世纪70年代后期出现1个明显增多的突变点，根据UF和UB曲线的交点，确定突变点为1979年（图4a）。同样，洞庭湖区年蒸发量存在1个明显减少的突变点（1921年）和1个明显增大的突变点（2006年）（图4b）。由此表明，虽然近百年来区域年可利用降水量和蒸发量整体上无明显增减趋势，但在某些时段仍有出现突然增多或减少的状况。

图3 1910—2013年洞庭湖区年可利用降水量距平（a）和蒸发量距平（b）序列（相对1981—2010年平均值）Fig. 3 Annual utilizable precipitation anomalies (a) and evaporation anomalies (b) from1910 to 2013 over Dongting Lake region (to average level of 1981—2010)

图4 1910—2013年洞庭湖区年可利用降水量（a）和蒸发量（b）Mann-Kendall突变检验Fig. 4 Mann-Kendall abrupt change test of annual utilizable precipitation (a) and evaporation (b) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

UF

对近百年洞庭湖区年可利用降水量序列进行Morlet小波变换可知，中短周期振荡信号近百年来一直存在准3～6 a周期波，1970年之后才出现准8～10 a周期波。此外，还存在其他较长时间尺度的振荡，如1970年以前主要有准20 a周期波，1970年以后则出现25 a左右周期波（图5）。从长时间尺度的振荡信号可知，近百年来洞庭湖区年可利用降水量均经历了10个偏多或偏少期的转换，且在这些偏多或偏少期内可利用降水量仍存在明显的年际波动。

图5 1910—2013年洞庭湖区年可利用降水量序列Morlet小波变换Fig. 5 Morlet wavelet transformation of annual utilizable precipitation from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

2.2.2 季可利用降水量

1910—2013年洞庭湖区冬季和夏季可利用降水量有所增多，增速分别为24.6 mm/100 a和16.2 mm/100 a；秋季可利用降水量有所减少，减少速率为21.7 mm/100 a；春季无明显变化趋势。各季可利用降水量的线性变化趋势均未通过显著性检验（表2）。洞庭湖区冬季可利用降水量有1次明显的偏多期和2次明显的偏少期，偏多期为20世纪80年代末期至21世纪10年代中期，偏少期为20世纪10年代初期至80年代末期及21世纪10年代中期至今（图6a）；Mann-Kendall突变检测显示，洞庭湖区冬季可利用降水量存在1个显著增多的突变点，为1978年（图7a）。洞庭湖区春季可利用降水量有2次明显的偏多期和3次明显的偏少期，偏多期为20世纪30年代初期至30年代末期及20世纪50年代初期至60年代中前期，偏少期为20世纪30年代末期至40年代末期、20世纪80年代初期至80年代末期以及21世纪10年代前期至10年代末（图6b）；Mann-Kendall突变检测显示，洞庭湖区春季可利用降水量无显著增多或减少的突变（图7b）。洞庭湖区夏季可利用降水量有2次明显的偏多期和3次明显的偏少期，偏多期为20世纪10年代初期至10年代后期及20世纪90年代初期至90年代后期，偏少期为20世纪10年代后期至20年代后期、20世纪40年代初期至60年代末以及21世纪初至今（图6c）；Mann-Kendall突变检测显示，洞庭湖区夏季可利用降水量有1个显著增多的突变点，为1990年（图7c）。洞庭湖区秋季可利用降水量除20世纪20年代初期至30年代前期以偏少为主外，其他阶段均呈波动状态，无明显偏多或偏少期存在（图6d）；Mann-Kendall突变检测显示，洞庭湖区秋季可利用降水量无显著增多或减少的突变点（图7d）。尽管近百年来各季节可利用降水量以波动为主，整体无明显变化趋势，但部分季节可利用降水量在特定时段仍有出现突然增多的状况。

表2 1910—2013年洞庭湖区四季降水量线性倾向率及线性趋势线与降水量序列的相关系数Table 2 Seasonal utilizable precipitation trend rates and correlation coefficient between linear trend and precipitation series from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

图6 1910—2013年洞庭湖区冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量距平序列（相对于1981—2010年平均值）Fig. 6 Time series of utilizable precipitation anomalies in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region (to average level of 1981—2010)

图7 1910—2013年洞庭湖区冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量Mann-Kendall突变检验Fig. 7 Mann-Kendall abrupt change test of utilizable precipitation in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) from 1910 to 2013 over Dongting Lake region

对洞庭湖区各季节可利用降水量序列进行Morlet小波变换可知，近百年来四季可利用降水量均存在若干中短周期振荡信号，还均包含有15～25 a长时间尺度的振荡信号（图8）。从长时间尺度的振荡信号可知，近百年来洞庭湖区各季节可利用降水量均经历了10～13个偏多或偏少期的转换，且在这些偏多或偏少期内可利用降水量仍存在明显的年际波动。

3 结论

（1）近百年来洞庭湖区区内降水主要集中在春夏季（3—8月），占全年降水量的70.1%；蒸发主要集中在夏半年（4—9月），占全年蒸发量的70.5%；可利用降水量主要集中在春季和夏初（3—6月），占全年的60.0%。上半年（1—6月）降水可利用率高，普遍在40%以上；下半年（7—12月）降水可利用率低，普遍低于30%。

（2）近百年洞庭湖区年可利用降水量无显著线性变化趋势，以20～25 a周期的年代际波动为主；近百年洞庭湖区年蒸发量同样无显著增减趋势。虽然近百年来整体增减趋势不显著，但两者均在一定时段存在突然增多或减少的现象。

（3）洞庭湖区可利用降水量变化存在季节差异，近百年来冬季和夏季可利用降水量有所增多，秋季可利用降水量略有减少，春季无明显变化。但四季可利用降水量的增减趋势均未通过显著性检验，整体仍以年代际波动为主，均存在多个显著的偏多或偏少期。

（4）通过突变检验可知，近百年洞庭湖区年、冬季、夏季可利用降水量均存在1个显著增多的突变点，突变年份以冬季最早，为1978年；年次之，为1979年；夏季最晚，为1990年。春、秋两季可利用降水量无显著增多或显著减少的突变点。尽管近百年来各季节可利用降水量以波动为主，整体无明显变化趋势，但部分季节可利用降水量在特定时段仍有出现突然增多的状况。

图8 1910—2013年洞庭湖区冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）可利用降水量序列Morlet小波变换Fig. 8 Morlet wavelet transformation of utilizable precipitation in winter (a), spring (b), summer (c), autumn (d) during 1910—2013 over Dongting Lake region

（5）小波分析结果显示，近百年来洞庭湖年及四季可利用降水量均存在若干中短周期振荡信号，还均包含有1个较显著的15～25 a长时间尺度的振荡信号。近百年来洞庭湖区年及各季可利用降水量均经历了10～13个偏多或偏少期的转换，且在这些偏多或偏少期内可利用降水量仍存在明显的年际波动。

值得说明的是，由于洞庭湖区只有长沙和岳阳台站1950年之前的气温和降水资料相对完整，大部分台站1950年之前无气象观测记录，限于资料的可获取性问题，本文构建的百年尺度洞庭湖区域可利用降水量序列是根据高桥浩一郎公式并利用前期构建的区域平均逐月气温降水序列计算得到的。由于该公式是经验公式，计算蒸发量时考虑的气象因子较少，故本研究可利用降水量序列存在一定的不确定性。

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Analysis on the Changes of Utilizable Precipitation over Dongting Lake Region during the Past 100 Years

PENG Jiadong1,2, LI Gang2, WU Fang2

1. Hunan Climate Center//Key Laboratory of Preventing-Diminishing Meteorological Disasters in Hunan Province, Changsha 410118, China; 2. Lanshan Meteorological Bureau, Lanshan 425800, Hunan, China

Dongting Lake region is known as the land of fish and rice, and world famous Wetland Nature Reserve. Global warming and the frequent occurrences of extreme weather and climate events are inevitably affecting the water resources of the region. Utilizable precipitation is a kind of water resource that can be utilized in actual use and its changes directly affect the agricultural production, wetland protection and other aspects of the region. Based on the regional mean monthly temperature and precipitation series from 1910 to 2013 constructed by the all 21 meteorological stations in Dongting Lake region, the evaporation was calculated by Takahashi’s equation and its reliability was verified, then utilizable precipitation was obtained by the relationship of water balance. After that, the statistical methods were used to analyze the changes of utilizable precipitation series. The results indicated that utilizable precipitation of Dongting Lake region concentrated from Mar. to Jun., accounting for 60.0% of the whole year. Annual utilizable precipitation of Dongting Lake region over the past 104 years had no significant linear change trend but had obvious inter-decadal fluctuation with a periodic oscillation of 20～25 a. The changes of utilizable precipitation had seasonal differences, it had ascending trends in winter and summer, but descending in autumn and no significant change in spring. However, the linear trend of precipitation in each season did not pass the significance test and inter-decadal fluctuation was the main characteristics of change. The abrupt change test showed that the annual utilizable precipitation over recent 100 years had a abrupt rising jump and the same phenomenon in winter and summer, and it showed that although the utilizable precipitation in the year and the above seasons was characterized by the inter-decadal variability, there were also sudden increases in a certain period. The results of Morlet wavelet transformation showed that the annual and seasonal utilizable precipitation series had several periodic oscillations of multi time scales over Dongting Lake region and all have experienced 10～13 shifts of wet or dry periods , and each wet or dry period existed inter-annual fluctuations. This article aims to provide an important theoretical basis for future agricultural production, flood prevention and drought resistance in this region, and provide theoretical guidances for the development of climate change strategy.

Dongting Lake region; utilizable precipitation; change characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.016

P468.0+21; X16

A

1674-5906（2017）01-0104-07

彭嘉栋, 李钢, 吴芳. 2017. 近百年洞庭湖区可利用降水量变化特征[J]. 生态环境学报, 26(1): 104-110.

PENG Jiadong, LI Gang, WU Fang. 2017. Analysis on the changes of utilizable precipitation over Dongting Lake region during the past 100 Years [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 104-110.

公益性行业（气象）科研专项项目（GYHY201406016）

彭嘉栋（1984年生），男，高级工程师，主要从事为气候与气候变化监测评估研究。E-mail: 14865976@qq.com

2017-01-11