1969—2018年紧水滩流域降水特征分析

李亚敏， 李松平， 王亚兰， 吕维翔， 白云霞

(丽水市气象局，浙江 丽水 323000)

紧水滩水电站位于浙江省西南山区云和县境内瓯江上游的龙泉溪上，系国家开发瓯江流域龙泉溪干流梯级发电的第一级水电站，是以发电为主，兼顾航运、防洪、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程[1]。紧水滩水库流域属于亚热带季风气候，年内降水极不均匀，主要集中在3—8月，占全年降水量的74%，明显高于其他月份雨量，其中6月降水量为全年最多[2]。特定的地理环境和气候，使得紧水滩水库流域水汽供应充沛。降水量直接关系着水库蓄水量的多少，对水库的运营调度有至关重要的影响，系统分析降水变化特征有助于进一步有针对性的做好专业气象服务，进而为电力部门组织安排电网调度、工程管理、防洪保安等水库运行管理提供依据。

近年来，已经有不少学者对降水的气候变化特征做过深入研究。吴昊旻等[3]根据1953—2008年丽水汛期逐月降水量资料对汛期降水多时间尺度演变特征进行研究；黄亚等[4]运用Mann-Kendall突变检验法以及Morlet连续复小波等气象统计分析方法对龙滩水库流域的气温、降水变化趋势、突变位置、周期性进行了分析；姜燕敏等[5]利用1953—2011年丽水市的逐日降水观测资料研究了不同等级降水日数在多时间尺度上的变化特征。本研究旨在利用紧水滩水电站坝址以上设有的13个观测报汛站1969—2018年逐月降水数据资料，对紧水滩近50 a降水特征进行分析，鉴别其突变性和周期性，以便为流域中长期降水预报提供参考依据，进而有效提高防洪抗旱和水资源调度等气象服务能力，以期取得更好的经济效益和社会效益。

1 材料与方法

1.1 数据资料

采用的数据为紧水滩水电站(图1)坝址以上的13个雨量(水位)观测报汛站(小梅、源底、官浦垟、坛湖、上锦、龙泉、上东、大白岸、安仁、紧水滩、崇头、石塘、竹坑)1969—2018年逐月降水资料，各雨量站控制面积按照泰森多边形法则[6]进行划分计算。

图1 紧水滩水库观测报汛站点的分布

1.2 研究方法

本文对紧水滩流域降水年际、年代际变化、季节变化进行研究。季节划分为：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(11月至次年2月)。采用一元线性拟合、滑动平均分析降水序列的变化趋势；采用Mann-Kendall非参数统计检验法以及滑动t检验法辨析降水序列的突变情况[7]；采用Morlet小波变换[8-9]分析降水序列的周期性。

2 结果与分析

2.1 紧水滩降水量变化特征分析

2.1.1 年降水量变化

由图2可知，1969—2018年紧水滩水库年平均降水量为1 759.8 mm，最大年降水量出现在2010年，达2 622.3 mm，最小年降水量出现在1978年，为1 183.9 mm。对近50 a紧水滩水库降水过程进行线性回归分析可以看出，近50 a降水量总体呈微弱增长趋势，每10 a以9.4 mm的速度增加，其中2009—2014年降水量变化较大，奇偶年份差异明显。

图2 紧水滩水库1969—2018年年降水量变化

通过降水序列的5 a滑动平均可以看出，年降水量存在“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”的年际波动变化。在20世纪70年代后期到80年代末期、21世纪第1个10 a表现为降水偏少状态，20世纪60年代末到70年代中期、20世纪90年代、21世纪10年代表现降水偏多状态。

2.1.2 季节降水量变化

紧水滩1969—2018年四季降水变化如图3所示。春季平均降水量为652.5 mm，占年降水量的37.1%，极大值为1975年的1 100.2 mm，极小值为1985年的368.6 mm；夏季平均降水量为640.0 mm，占年降水量的36.4%，极大值为1998年的1 001.9 mm，极小值为1991年的256.1 mm；秋季平均降水量为236.3 mm，占年降水量的13.4%，极大值为2016年的445.8 mm，极小值为1996年的100.1 mm；冬季平均降水量为230.9 mm，占年降水量的13.1%，极大值为2010年的423.7 mm，极小值为1999年的83.8 mm。

根据线性趋势来看，春季降水量呈下降趋势，每10 a下降速度为17.3 mm，其中2010年降水量明显增多，可能与厄尔尼诺现象导致东亚地区初春时节降水量异常增多有一定关系[10]；夏、秋、冬季降水均呈增加趋势，夏季降水量增长趋势相对较大，以每10 a约16.4 mm速度增加，秋季、冬季每10 a降水增加分别为6.1和4.3 mm。紧水滩四季降水量变化均未通过α=0.05的显著性检验，说明降水量变化趋势总体不显著。

从年代际尺度看，春季降水量20世纪70—80年代在波动中平缓下降，90年代以后呈“偏多—偏少—偏多”的波动变化；夏季降水量和年降水量的变化特征相似，呈现“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”波动变化；秋季降水量1970—2005年有2个较明显的“偏多—偏少”波动，之后小幅波动至21世纪10年代呈明显增长趋势；冬季降水量20世纪70年代中期至80年代末期降水总体呈下降趋势，20世纪90年代和21世纪10年代总体呈增长趋势。

图3 紧水滩水库1969—2018年四季降水量序列变化

2.2 紧水滩降水序列变化趋势和突变分析

2.2.1 年降水量序列变化趋势和突变分析

气候突变是指气候从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态的现象[11]。为了解紧水滩水库年降水变化情况，利用Mann-Kendall(M-K)检验对1969—2018年的年降水量进行突变检验，给定显著性水平α=0.05的置信检验，即U0.05=±1.96，构造UF和UB统计序列。

从图4可以看出，在1977年以前，年降水量UF普遍大于0，总体呈增长趋势；1978—1995年UF小于0，呈下降趋势；1995—2018年UF大于0的区间明显多于小于0的区间，说明这段时间总体呈增长趋势。近50 a年降水量UF值均在95%的置信区间范围内，可见在这50 a内降水量变化趋势不显著。在0.05的置信区间内，UF和UB曲线存在多个交点，由于M-K检验不能用于多个突变点的检查，当同时检测出多次交点时，需使用滑动t检验法对突变点进一步确定。取子序列长度10 a进行滑动t检验,年降水序列没有检验出突变点，说明近50 a紧水滩年降水量只存在年代际的低频振荡，不存在明显突变。

图4 紧水滩水库1969—2018年年降水量的Mann-Kendall检验

2.2.2 季节降水序列的突变检验

对紧水滩1969—2018年四季的M-K检验给定显著性水平α=0.05。从图5中可以看出，春季降水量在1999年以前的UF曲线大于零的区间较多，上升多于下降，1999年之后均小于零，说明1999年以后呈下降趋势；取子序列长度10 a进行滑动t检验显示，1999年(t值为2.14)通过0.05(tα=2.10)显著性检验，由此可见，春季降水量在1999年出现由降水增多到降水减少的突变。

图5 紧水滩水库1969—2018年四季降水量的Mann-Kendall检验

夏季降水量在1969—1995年以前总体呈下降趋势，1995年以后均呈上升趋势。UF、UB曲线在临界线内存在3个交点，其中2个在1990年左右，说明这个时间段可能发生突变。使用滑动t检验去除杂点，结果显示，1991年(t值为2.97)通过0.05显著性检验，为突变点，可知夏季降水量在1991年发生由降水减少到降水增多的突变。

秋季降水量UF、UB曲线存在3个交点，在1976年以前，UF曲线波动较大，1976—2018年UF曲线普遍小于零，以下降趋势为主，滑动t检验未发现突变点，说明秋季降水量不存在突变。

冬季降水量1991年以前UF曲线均小于零，降水量呈下降趋势；1991年以后，UF曲线普遍大于零，降水量呈增长趋势。使用滑动t检验去除杂点，结果显示，1987年(t值为-2.45)通过0.05显著性检验，为突变点，所以冬季降水量在1987年发生了由降水减少到降水增多的突变。

2.3 紧水滩水库降水序列周期分析

2.3.1 年降水量周期分析

小波分析作为一种统计分析方法，同时具有数学意义上严格的突变诊断能力，所以近年来被广泛应有于天气气候的多尺度统计分析[12-14]。

小波系数实部等值线能反映降水量序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而能判断在不同时间尺度上降水量的变化趋势。小波系数为正，表示降水偏多，值越大，降水量越大；小波系数为0，则对应着突变点；小波系数为负，表示降水偏少，值越小，降水量越少[15-17]。

图6可以清楚看出，年降水量序列存在多时间尺度特征。从小波系数实部等值线图可以看到，紧水滩流域年降水量演变过程中存在2～4、5～10及13～22 a尺度的周期变化规律。从代际上看，20世纪70和80年代存在着5～10 a的周期特征，并且正负周期交替出现，说明在这段时间内出现了偏旱期和偏涝期的交替进行；20世纪90年代以后，在2～4、13～22 a的时间尺度上震荡周期较为清晰，其中21世纪10年代初2 a的周期较明显，与图2的分析一致。因此，紧水滩近50 a降水变化并没有一个固定周期，而是大、中、小多种周期尺度相互嵌套。根据降水周期演变规律可以预测未来发展趋势，从图中可以看出，2018年在4 a尺度和10～15 a尺度还有虚线还没有闭合，预测未来将经历一个降水偏少期。

图6 紧水滩水库1969—2018年年降水小波分析

小波系数方差随尺度变化的过程称为小波方差变化图，该图能反映时间序列中所包含的各种尺度(周期)的波动及其强弱(能量大小)随尺度变化的特性，可以用来确定降水量演化过程中存在的主周期[18]。从图6中可以看出，年降水量存在4个明显的峰值，依次对应着2、6、13～14、20 a的时间尺度。6 a尺度的变化周期最为突出，说明在该尺度下降水信号的周期性震荡最强烈，即是紧水滩降水量变化的第1主周期，2 a尺度为降水量变化的第2主周期。

2.3.2 季节降水序列的周期分析

从图7中可以看出，春季降水量在大尺度15～20 a周期震荡较明显，并且偏涝期和偏旱期的交替进行，在2018年虚线等值线仍未闭合，预测之后处于降水偏少期；对于10 a以下的尺度来说，则有较多正负周期交替进行，2～3 a和5～6 a尺度周期贯穿整个降水期。夏季降水量在20世纪70年代至90年代初期，18～25、5～8 a尺度的降水周期较明显，1993年以后大尺度周期缩短至13～18 a，在2018年虚线未闭合，之后处于降水偏少期；小尺度来看，2～3 a尺度的降水周期较明显。秋季降水量从大尺度来看，13～16 a周期正负交替进行，贯穿整个降水周期，2018年之后由降水偏多向偏少过渡；小尺度来看，与夏季降水周期特征类似，20世纪90年代以前5～6 a较为明显，之后以2～3 a为主。冬季降水量在大尺度上以18～24 a周期震荡表现为正-负3个循环交替进行，贯穿整个降水过程；从小尺度来看，20世纪70年代到80年代以6～8 a为主，20世纪90年代以后降水周期增大为8～11 a，此外2～3 a的小尺度也较明显，在2018年仍是虚线未闭合，说明2018年之后处于降水偏少期。

图7 紧水滩水库1969—2018年四季降水量Morlet小波变换

3 小结

通过对紧水滩水库1969—2018年的降水变化特征分析可知，近50 a紧水滩年降水量总体呈微弱的增长趋势，每10 a以9.4 mm的速度增加。降水量年内分布极不均匀，主要集中在春季和夏季，占全年降水量的73.5%。近50 a春季降水量呈下降趋势，每10 a下降速度为17.3 mm，其他季节均呈增加趋势，其中夏季降水量增长趋势相对明显，每10 a以16.4 mm的速度增加。

利用Mann-Kendall检验和滑动t检验对紧水滩水库1969—2018年的年降水量进行突变检验，结果表明，紧水滩降水量仅存在年代际的低频振荡，不存在突变点。

结合紧水滩四季降水量的Mann-Kendall和滑动t检验结果可以得出，春季降水序列在1999年发生由降水增多到降水减少的突变；夏季降水序列在1991年发生由降水减少到降水增多的突变；秋季降水序列不存在突变点；冬季降水序列在1987年发生由降水减少到降水增多的突变。

用Morlet小波变换对近50 a降水资料序列做周期诊断分析发现，6 a尺度下降水信号周期震荡最强烈，为水库周期变化的第1主周期，2 a尺度为水库降水量变化的第2主周期。大尺度来看，紧水滩年降水量在13～22 a的时间尺度上经历了3个交替循环，未来几年内将处于降水偏少期。

紧水滩四季降水量20世纪90年代以前5～8 a的周期尺度较为明显，20世纪90年代以后2～3 a表现较明显。春季降水量存在2～3、5～6和15～20 a的周期，15～20 a时间尺度上，2018年之后处于降水偏少期；夏季降水量存在2～3、5～8、13～18、18～25 a的周期，在13～18 a尺度上，2018年之后将处于降水偏少期；秋季降水量存在2～3、5～6、13～16 a的降水周期，在13～16 a尺度上，2018年之后由降水偏多向偏少过渡；冬季降水量存在2～3、6～8、18～24 a的周期，在2～3 a的小尺度上2018年之后处于降水偏少期。

大气降水是紧水滩水库水分的主要补充源，上述年降水量和季节降水量的变化趋势及其周期性研究，对于做好紧水滩流域中长期降水预报具有重要参考意义。