1960-2018年扬州地区降水变化特征研究*

扬州大学水利科学与工程学院 吴灏，陶雨欣，卞朝阳

一、引言

降水是水资源循环过程中最重要的组成部分之一，降水量的多少、降水的时空分布影响着区域可获得水资源量。IPCC第五次报告显示[1]，在全球变暖背景下，中纬度大部分地区的降水强度及降水频率有所增加，对工农业生产、人民生活和生态环境等产生重要影响[2]。因降水引发的洪水、泥石流、雪灾等自然灾害，对经济发展和人民生活造成了严重的损失[3-4]，受到政府、学者的广泛关注。

扬州地区位于长江北岸、江淮平原南端，属于亚热带季风气候，四季分明，日照充足，雨量丰沛[5]。不同时间尺度降水量变化将对该地区农业、生态环境等产生重要影响。研究不同时间尺度降水量的变化规律，对于制定科学减灾战略至关重要。基于此，本研究利用扬州日降水数据，分析扬州地区降水量年内、年际变化及周期性变化特征，以期为农田排水工程的实施及自然灾害防御等提供参考数据。

二、材料及方法

（一）数据

本文采用的日降水量数据来自中国国家气象数据共享中心(www.nmic.gov.cn)，时间序列为1960年-2018年。将每年的1月、2月和12月划分为冬季，3-5月划分为春季，6-8月划分为夏季，9-11月划分为秋季。绘制时间序列图，通过目视判断的方法查询可能存在的错误数据[6]，其中错误和缺失的数据通过使用相一致的长时间序列的均值进行插补。

（二）方法

1.趋势分析

线性回归分析被广泛应用于水文气象数据的时间变化趋势分析[7]。本研究采用线性回归分析对年尺度极端降水指标的变化趋势进行分析。计算公式为：

式中，a为线性趋势项，即趋势系数；b常数项；趋势系数为正(负)表示极端降水指标在所统计的时间内具有线性增加(减少)的变化趋势。再利用t检验对其线性变化趋势进行置信度水平检验。若趋势系数通过置信度较高的显著性检验，则变化趋势显著。

2.小波分析

小波分析(wavelet analysis)能够解析和推断气象及水文时间序列中存在的周期性的变化特征[8-9]。使用Morlet小波分析极端降水指标的周期性变化特征。对于时间序列，小波变换为：

式中，a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为平移因子，反应时间上的平移。对于给定的能量有限信号，离散小波变换形式为：

通过对小波方差进行计算可以实现对时间序列主周期数值的确定，其中该数据的积分形式可以通过下式表示[10]：

三、结果及分析

（一）降水年内变化特征

扬州地区多年平均降水量的年内变化如图1所示。可以看出扬州地区降水年内分布不均。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为227.5mm，出现在7月，约占全年总降水量的22.0%；最小值为25.7mm，出现在12月，约占全奶奶总降水量的4.7%。在季节尺度，夏季降雨量最大，其次为春季、秋季、冬季；其降水量分别为530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm，约占全年降水量的51.4%、20.4%、19.5%及8.7%。

图1 扬州地区多年平均降水量年内变化(a.月尺度; b.季节尺度)

（二）降水年际变化特征

扬州地区降水量的年际变化如图2、3所示。在季节尺度，春季降水量表现为不显著减小的趋势；最大值为467.2mm，出现在1998年，最小值为50.2mm, 出现在2001年。夏季降水量表现为不显著增加的趋势；最大值为1188.8mm，出现在1991年，最小值为165.5mm,出现在1973年。秋季降水量表现为不显著减小的趋势；最大值为592.7mm，出现在2016年，最小值为47.8mm,出现在1995年。冬季降水量表现为显著增加的趋势；最大值为231.4mm，出现在2001年，最小值为9.1mm, 出现在1960年。年尺度，降水量表现为不显著增加的趋势；最大值为1823.9mm，出现在1991年；最小值为472.7mm,出现在1978年。

图2 扬州地区不同季节多年平均降水量年际变化(a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季)

（三）降水周期性变化特征

图3 扬州地区多年平均降水量年际变化

小波分析显示扬州地区年降水量存在多种尺度的周期变化规律(图4)。存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的变化周期。30-47a、48-64a的变化周期，降水的丰枯交替比较平稳，具有全局性。30-47a存在丰-枯交替准两次震荡，48-64a存在丰-枯交替准一次震荡。通过小波方差大小的波动，进一步揭示了扬州地区降水的周期震荡强度。由图5可见，小波方差中存在6a、18a、37a和63a的峰值。其中63a尺度为最大峰值，是降水变化第一主周期，第二、三、四主周期分别为37a、18a和6a，几个周期共同控制着年降水的变化周期。

图4 扬州地区年降水小波实部等值线图

图5 扬州地区降水小波方差

四、结论

本研究通过使用扬州地区1960-2018年降水数据，采用趋势分析和小波分析研究了不同时间尺度降水量的变化特征及周期性变化规律。得到以下结论：

在月尺度，10月至次年4月降水偏少，5月-9月降水偏多。在季节尺度，夏季降雨量最大，其次为春季、秋季、冬季；其降水量分别为530.3mm、210.2mm、201.8mm和90.3mm。春季降水量表现为不显著减小的趋势,夏季降水量表现为不显著增加的趋势，秋季降水量表现为不显著减小的趋势，冬季降水量表现为显著增加的趋势。年降水量表现为不显著增加的趋势。

扬州地区年降水量存在4-10a、10-30a、30-47a、48-64a的变化周期。30-47a、48-64a的变化周期，降水的丰枯交替比较平稳，具有全局性，周期变化最明显，其他时间尺度的周期性变化较小。