株洲市近59 a降水变化规律分析

周牡丹，赖尔林

（湖南省联宏水利科技有限公司，湖南 株洲 412007）

降水对农业生产、社会经济可持续发展有重要影响，许多学者对降水在时间和空间的变化规律进行了研究，刘政鸿[1]研究表明，陕西省近50 a降水呈现减少趋势并出现2次突变；李加顺等[2]研究表明昆明地区降水量在65 a 期间缓慢减小，有5 个明显的主周期；郭铭[3]研究表明朝阳市降水量在63 a长系列上存在3个主周期变化并预测未来3 a降水量偏少；常周梅等[4]研究表明西宁市近65 a气温与降水均呈现上升趋势，变化的3 个主周期为45、32、18 a；段详佩等[5]研究表明近54 a重庆市年降水量与各季降水量均呈下降趋势。

1 研究区概况

株洲市是湖南省重要的交通枢纽，属亚热带季风湿润气候，四季分明、雨量充足，年平均气温16～18℃。株洲市域的河流长度5 km 以上的341 条，30 km 以上的19 条，100 km 以上的7 条，均属湘江水系[6]。研究资料来源于株洲市的原始实测资料。降水量的模比过程线总趋势呈单一直线关系，说明降水资料的一致性较好[7]。株洲市1954—2012 年降水量差积曲线呈现丰、平、枯变化周期，1954—1982 年属于平水年，1983—1994 年属于枯水年，1995—2012 年属于丰水年。降水量累积模比系数随着降水周期的增加而增加，在降水周期长达50 a时，降水量模比系数累积平均值有渐趋近于1 的趋势，具有较好的收敛性，系列稳定性较好[7]。

使用滑动平均值法、距平分析法对株洲市1954—2012 年降水量变化规律进行分析，并利用Mann-Kendall 非参数趋势检验法、t 检验对比分析了年降水量突变情况，运用小波分析方法研究了年降水量在不同时间尺度的变化规律，为当地水资源合理开发利用提供了依据。

2 年降水量特性分析

2.1 降水量年际变化和年代变化

1954—2012 年株洲市年降水量变化过程线，如图1所示。由图1可以看出，59 a长系列年降水呈现“增加—减少—增加”的波动形态。采用10 a滑动平均曲线对年降水的变化过程进行拟合，结果表明，株洲市在59 a时段内降水量总体趋势与时间轴接近平行且略有增加，增加27.3 mm/10 a。

图1 株洲市1954—2012年降水量变化

株洲市不同年代降水量变化详见表1，20 世纪70 年代降水量比20 世纪60 年代有所增加；20 世纪80 年代降水量与20 世纪70 年代相比，呈下降趋势；20 世纪90 年代与20 世纪80 年代相比，降水又出现大幅度增加；进入21世纪，降水出现下降趋势，但相对20世纪60、80年代降水量有所增加。

表1 株洲市不同年代降水量变化情况

2.2 年降水量距平分析

根据1954—2012 年降水量序列，做出年降水量距平图及距平趋势线，如图2所示。由图2可以看出，在1954—2012 年期间，正距平最大值出现在2002年，负距平最大值出现在1954 年。线性趋势线表示年降水量呈增加趋势，变化幅度不大。株洲市59 a降水量平均值为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，株洲市丰水年与枯水年频次十分接近，高降水量、正常降水量及低降水量出现的频次表明株洲市降水变化比较有规律。

图2 株洲市1954—2012年降水量距平变化

2.3 干旱等级分析

按照旱涝对称原则结合湖南省实际情况对降水量距平百分率进行分级[8]，详见表2；根据旱涝等级划分株洲市干旱等级情况，详见表3。

表2 湖南省降水量旱涝等级划分

表3 株洲市干旱等级情况

由表3可知，在1954—2012年期间，株洲市发生了7 次特大干旱，频率为11.86%；严重干旱发生了6次，分别为1958、1959、1968、1974、1978、2007 年；中等干旱发生了6 次；轻度干旱发生了5 次；不涝不旱发生了11次，频率为18.64%；其余24 a为湿润年。

3 降水量突变分析

用Mann-Kendall 非参数趋势检验法检测株洲市降水序列变化趋势，结果如图3 所示。M-K 趋势指标U＝1.36＞1.28，通过90%显著性检验，呈增加趋势，说明株洲市近59 a的降水呈显著的增加趋势。在M-K 曲线中，UF 和UB 曲线有19 个交点，出现在20 世纪50—80 年代之间，说明存在突变，但突变点不明显，也可能存在伪突变点。UF 曲线在1999—2006 年期间超过置信区间1.96 水平，在这8 a 期间增加趋势相对明显，存在突变点。对可能存在的突变点进行10 a 滑动t 检验，如图4 所示。结果显示，当显著水平为0.01、子系列长度为10 时，整个研究时段内统计量t在1988—1994年期间及2002—2003年期间超过置信区间，结合M-K 检验结果，说明在2002年株洲市降水量出现突变点。

图3 降水量突变分析

图4 降水量滑动t检验

4 降水周期特征分析

4.1 小波系数实部分析

小波系数实部等值线，如图5 所示。在整个时间周期上，年降水量变化过程存在4～6、8～12、18～22 a 3 种尺度周期变化规律，其中在1954—1975年期间，存在5次枯—丰交替变换，中心时间尺度约为5 a，1975 年以后震荡变化幅度较大；在1976—2010年期间，存在4次枯—丰交替变换，中心时间尺度约为10 a；在18～22 a 时间尺度上出现3 次枯—丰交替变换，中心时间尺度约为20 a，20 a 时间尺度震荡能量变化最强、周期变化最明显，是主要枯—丰震荡周期。

图5 小波系数实部等值线

4.2 小波系数方差分析

小波方差，如图6 所示，年降水量小波方差变幅图存在3 个明显的峰值，对应周期为5、10 和20 a。其中，20 a时间尺度所对应的小波方差峰值最大，周期震荡最强，是59 a 降水量变化的第一周期，而10和5 a 周期尺度对应年降水量变化的第二、第三周期。这3个周期的波动控制着年降水量在整个研究的59 a内的变化特征。

图6 小波方差

4.3 周期趋势分析

根据小波方差图，绘制第一主周期20 a 和第二周期10 a时间尺度的年降水量小波系数实部过程曲线，如图7所示。在不同时间尺度下，年降水量存在枯—丰变化特征。由图7（a）可以看出，在20 a 时间尺度下，年降水量的平均周期为10 a 经历1 个半丰—枯演变期，2012 年以后小波系数为正值，到2017年降水将处于偏多时期。由图7（b）可以看出，在10 a时间尺度下，年降水量的平均周期为5 a 经历1 个半丰—枯演变期，2010 年以后小波系数由负变正，年降水量呈增加趋势，直至2017 年降水量都将处于偏多时期。

图7 不同时间尺度年降水量小波系数实部过程线

5 结论

使用滑动平均值法、距平分析法、Mann-Kendall非参数趋势检验法、t 检验及小波分析法对株洲市1954—2012 年降水量变化规律进行分析，得出以下结论。

（1）株洲市在59 a时段内降水量总体呈增加趋势，每年增加2.73 mm，降水量在2002 年达到最高，在1954 年达到最低，呈现先增加再减少再增加的趋势。

（2）选用距平百分率建立干旱评价指标，将株洲市干旱划分为9个等级，其中不涝不旱年出现11次，频率为18.64%，特大干旱年出现7 次，频率为11.68%；严重干旱和中度干旱各出现6 a；轻度干旱出现5 a；其余24 a为湿润年。

（3）通过M-K 法检验及滑动t检验可知，在研究期内该地区降水通过90%显著性检验，呈增加趋势，出现突变的时间是2002年。

（4）20 a时间尺度所对应的小波方差峰值最大，是59 a 降水量变化的第一周期，而10 和5 a 周期尺度对应年降水量变化的第二、第三周期。这3 个周期的波动控制着年降水量在整个研究的59 a内的变化特征。