湘江株洲水文站近60年降雨特性分析

杨芳，杨盼，卢路，熊昱

(1.长江水资源保护科学研究所，湖北武汉430051； 2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443000)

全球变暖对水资源的影响问题，包括水循环过程、水量时空分布、极端降雨事件与洪涝灾害等改变，事关人类的生存与发展[1]。降雨是气候变化影响的重要指标之一[2]。在全球变暖的背景下，降水事件普遍呈现出极端化趋势，因极端降水引发的洪水、雪灾等自然灾害频发，对社会稳定、经济发展和人民生活产生了严重影响，成为全球变化研究的一项重要课题。在过去的几年里，国内外学者利用长期的降水观测资料对不同区域的极端降水事件变化进行了大量研究。近年来，相关学者已通过对降雨资料的深入分析，得出了中国大部分地区的降雨变化规律[3-12]。

湘江属长江流域洞庭湖水系，是湖南省最大河流，是生产生活、农业灌溉用水的主要来源，先后流经湖南省永州市、衡阳市、株洲市、湘潭市和长沙市，至岳阳市的湘阴县樟树镇濠河口注入洞庭湖。在湖南省境内里程670 km，流域面积为85 383 km2，占湖南省全省总面积的40%。降雨是湘江水资源量的主要来源，其变化趋势对水资源的开发利用和合理配置有着重要意义。

湘江湖南境内自上而下设置有永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙和岳阳6个水文站观测流域水量、水位和雨量信息。株洲站位于流域下游，流域面积71 919 km2，距河口130 km。本文对湘江株洲站1955—2016年逐日降雨数据进行探索分析，研究其降雨变化特征，以期为湘江流域水资源变化特征研究、水资源规划管理、防涝抗旱、农牧林业生产提供数据支持[13]。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文采用株洲站1955—2016年逐日降雨观测数据。株洲站地理位于东经113°09′,北纬27°49′，设立于1954年1月，是国家级重要水文站。

1.2 研究方法

采用数理统计法分析研究区降雨强度；采用线性趋势法和5 a滑动平均法[14-15]分析降雨量和降雨天数(降雨天数为日降雨量≥0.1 mm天数的总和)的年际变化；采用Mann-Kendall检验法对降雨量和降雨天数的演变特征进行分析并检验是否存在突变特征，在此基础上采用Morlet小波分析方法研究降雨量和降雨天数的多时间尺度周期变化规律。

其中，世界气象组织推荐的Mann-Kendall检验法，由于其可有效区分某个自然过程是处于自然波动或者是确定变化的趋势，对于非正态水文气象数据具有突出的适用性。Mann-Kendall检验法的方法原理及在国内许多流域降雨演变分析中的应用见参考文献[14-20]。如果顺序统计检验曲线UFk和逆序统计检验曲线UBk在置信区间内出现交点，即为可能的突变点。但是使用 Mann-Kendall检验法有时会检测到很多的突变点，究竟哪个点是突变点有时很难下结论，甚至会得到错误的结论，因此，在检验中不能简单的把顺序序列和逆序序列的曲线的交点当作是突变点，应当用其他突变检验方法进行验证。滑动t检验是通过考察2组样本平均值的差异是否显著来检验突变。如果2段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平，可以认为均值发生了质变，有突变发生[21]。

小波分析(wavelet analysis)方法是在傅立叶(Fourier)变换基础上引入窗口函数，把时间序列分解为时间和频率的贡献，它对于获取一个复杂时间序列的调整规律，诊断气候变化内在层次结构，分辩时间序列在不同尺度上的演变特征非常有效。通过小波分析可得到研究对象序列在不同时间尺度上周期结构和异常变化的规律，为短期气候预测提供科学依据。小波分析方法原理及在气象学、工程学等方面的应用见参考文献[18-20,22-25]。

2 结果分析

2.1 降雨年内分配

2.1.1年内降雨量分析

湘江株洲站近60 a多年年均降雨量为1 637 mm，受季风活动影响，降雨年内分配极不均匀，但比较有规律，月际分配一般呈铃型分布。通过图1的多年平均降雨量分布可以看出，4—6月流域进入梅雨季节，降雨量增大，降雨量占年降雨量41.4%，其中6月暴雨强度和总降雨量均最大，为241.4 mm；12月降雨量最小，为64.8 mm。

多年年均降雨天数为176.5 d，占全年天数的48.5%，降雨天数较多，密度较大。通过图1可以看出，该区域降雨月际分布较均，6月降雨天数最大为20 d，9月降雨天数最小为10 d。

图1 多年平均降雨量及降雨天数年内分配

2.1.2年内降雨强度分析

根据国家气象局颁布的降雨强度等级，分析多年平均降雨强度年内分配(图2)和多年平均降雨强度天数年内分配(图3)，结果显示该区域小雨发生频率最大占71.3%,50 mm以上暴雨(含大暴雨和特大暴雨)发生频率为2.4%，中雨对降雨量贡献占比最大，为32.5%，暴雨以上降雨量贡献占比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%。降雨强度年内分配与降雨量、降雨天数分配基本一致，说明降雨多的月份，出现暴雨的概率也大。

图2 多年平均降雨强度年内分配

图3 多年平均降雨强度天数年内分配

2.2 年际降雨特征分析

2.2.1年际降雨变化趋势分析

湘江株洲站近60 a平均年降雨量的时间变化见图4。在研究时段内，多年平均降雨量总体表现出增加趋势，降雨倾向率为4.88 mm/10a，最小值出现在1971年，为1 047.1 mm，远低于多年平均降雨量；最大值在2016年，为2 551.7 mm，是最小值的2.5倍，是多年平均值的1.6倍。由图4中5 a滑动平均线可知，降雨量总体呈“增—减—增—平—减—增”6个阶段的变化过程，1955—1984年，降雨量在小幅波动下持续上升，之后从1984—1990年表现为减下降趋势；1990—1994年大幅上升；1994—2002年趋于平稳；2002—2009年又大幅下降，之后2010—2016年呈大幅上升趋势。

图4 降雨量年际变化曲线

近60 a平均年降雨天数的时间变化见图5。在研究时段内，多年平均降雨天数虽呈波动变化，但总体趋势表现平稳。最小值出现在1956年，为141 d，最大值在1994年，为220 d。5 a滑动平均线可知，降雨天数总体呈“减—增—减—增—减—增”6个波动变化过程，其中以2001—2007年间变幅最大。

2.2.2年际降雨突变分析

运用Mann-Kendall检验法对湘江株洲站近60 a多年平均降雨量和降雨天数的突变特征进行分析。

根据图6，UFk和UBk曲线于1989年、2007年和2010年相交，该3个时间点可能为突变点。为了确定突变点，将降雨量数据进行滑动t突变检验见图7，检验值|t|=3.23>t(0.05/2)=1.64，数据系列在1989年前后均值发生显著跳跃，结合图6可以确定湘江株洲站近60 a降雨过程中1989年为突变年。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。

图5 降雨天数年际变化曲线

图6 降雨量Mann-Kendall突变检验

图7 降雨量滑动t突变检验

降雨天数Mann-Kendall突变检测见图8，降雨总体表现为上升趋势，但不显著。UFk曲线和UBk曲线在1960—1966年间相交多次，2003年相交但超出置信区间。将降雨天数数据进行滑动t突变检验见图9，检验值|t|=1.22

图8 降雨天数Mann-Kendall突变检验

图9 降雨天数滑动t突变检验

2.2.3年际降雨周期分析

前述降雨趋势、突变分析很难看出短周期的变化信息，对此，图10、11给出了降雨量和降雨天数相应的小波分析变换。该两图清楚地显示了湘江株洲站近60 a来降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变点特征。图中信号振荡的强弱通过灰度的大小来表示，灰度越大表示年降雨量(或降雨天数)越小于常年，灰度越小表示年降雨量(或降雨天数)越大于常年。由图可见，降雨量和降雨天数存在多重时间周期尺度上的嵌套复杂结构现象。

图10 降雨量小波变换

图11 降雨天数小波变换

其中降雨量周期性检验结果(图10)明显地存在5 a的短期振荡周期、14 a的中期振荡周期和32 a的长期振荡周期。5 a短期振荡上，1955—1972年间降雨量变幅较大，1972年后变幅平缓。14 a中期振荡周期经历了多—少13个循环交替，规律性明显，且2016年振荡周期等值线远未闭合，说明2016年后短时间内降雨会相对减少，随后又会增加；在32 a时间尺度上呈现4个多—少交替变化，且等值线仍未闭合，说明2016年后在该周期上降水量将继续维持稍微偏少趋势。从降雨量小波方差图中也可以看出(图12)，波峰出现在周期为14 a一处，说明14 a左右的周期振荡最强，为第一主周期。

图12 降雨量小波方差

由降雨天数的周期性检验结果(图11)，可知，株洲市降雨天数在8 a时间尺度上具有较明显的规律性变化，震荡剧烈，变化频繁；在20 a时间尺度上，呈现贯穿整个时间序列的周期性变化，共经历了11个多—少循环交替，且到2016年降雨天数增多的等值线未闭合，说明2016年后短时间内降雨天数会相对减少，随后又会增加；在32 a时间尺度上，具有与降雨量一致的周期性变化。通过降雨天数小波方差可看出(图13)，波峰出现在周期为4，8，20 a3处，最高峰值出现在周期20 a处，说明20 a左右的周期振荡最强，为第一主周期，第二、第三主周期分别为8、4 a。

图13 降雨天数小波方差

3 结论

本文以湘江株洲站近60 a日降雨量数据为基础，采用数理统计、线性趋势、滑动平均法、Mann-Kendall突变检验、滑动t突变检验和小波分析等方法对株洲水文站降雨特性进行了分析，得出以下主要结论。

a) 近60 a来的多年年均降雨量为1 637 mm，降雨年内分配不均，但有规律；多年年均降雨天数为176.5 d，降雨天数较多，密度较大。降雨强度上小雨发生频率最大，为71.3%，中雨对降雨量贡献占比最大，为32.5%，降雨强度年内分配与降雨量、降雨天数分配基本一致。4—6月是降雨的集中期，流域及地方需要对防洪和山洪地质灾害做好相关预防工作。

b) 多年年均降雨量主要呈现丰枯交替变化过程，总体呈上升趋势显著。1990—2002年间上升趋势最明显。近60 a降雨过程中1989年为突变年，呈现偏少向偏多变化规律，1955—1989年平均降雨量与1989—2016年平均降雨量相差210 mm。多年年均降雨量在14 a左右时间尺度上的周期振荡最强，2016年后2～3 a内降雨量会相对减少，随后又会增加，流域及地方要做好洪水预报预警。

c) 多年平均降雨天数虽呈波动变化，但总体趋势表现平稳。近60 a平均降雨天数没有发生突变，多年平均降雨天数在20 a左右时间尺度上的周期振荡最强，2016年后2～3 a内降雨天数会相对减少，随后又会增加。