无锡市近50年降水变化特征分析

周 旋 李小韵

(1.无锡市滨湖区水利局,江苏 无锡 214000;2.无锡市水利局,江苏 无锡 214000)

1 研究背景

气候在水文循环过程中是一个重要的因素,气候的变化不仅直接影响流域水资源的配置,对自然环境、生态系统、工农业生产、社会经济和人们的生活也会带来不同程度的影响[1]。目前,全球气候变暖已经得到了各国研究人员的一致认可,在此背景下,降水作为气候要素中最直接、最敏感的要素,其变化情况对人类生产生活产生着最直接的影响。尤其是近些年出现的极端降雨天气,给群众财产带来巨大的损失。因此,及时、准确地掌握降雨演变规律具有重要意义。近年来,许多学者对于江苏省内的降雨特征及其变化趋势展开了相关研究。邓自旺等[2]利用江苏省60个气象站1961—2001年的逐月降水量资料,计算了逐月、逐季和逐年降水量距平百分率,以此来探究江苏降水的长期趋势和年代际变化特征及其空间差异;邱新法等[3]以江苏省62个气象站1961—2005年降水资料为基础,系统分析了江苏省近45年来降水变化趋势;郑腾飞等[4]以江苏省1961—2010年逐日降水数据,利用去趋势波动分析法确定了全省13个站点的极端降水阈值,并通过Morlet小波及Mann-Kendall法分析了江苏省极端降水频数的振荡周期及其突变;方功先等[5]基于南京站1951—2020年逐日实测降水资料,采用多种特征指标分析了南京市近70年降水变化特征。

无锡市地处江苏省苏南地区中部,是江苏省苏南城市群的重要组成部分,研究无锡市的降水对于整个苏南地区具有一定参考价值。鉴于此,本文采用多种时间序列分析方法,系统性地对无锡市降水特征进行了研究分析。

2 研究区域概况

无锡市位于长江三角洲长江和太湖间走廊部分,江苏省的东南部,东邻苏州,南濒太湖,西接常州,北临长江,下辖江阴、宜兴两个县级市,梁溪、锡山等6个区,总面积4627.47km2。无锡市地处北亚热带和北温带过渡带,属北亚热带湿润的季风气候区,四季分明,气候温和,雨水充沛,日照充足。夏季受来自海洋的夏季季风控制,盛行东南风,天气炎热多雨;冬季受大陆盛行的冬季季风控制,天气寒冷干燥。

3 资料和方法

3.1 数据来源

本研究收集整理大运河(无锡)站1971—2020共50年的降水量资料,统计月降水量、四季降水量、年降水量。其中,约定春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至次年2月。

3.2 研究方法

使用滑动平均法、线性回归法、Mann-Kendall趋势检验法以及Morlet小波分析法对降水量变化趋势及其周期性进行分析。

滑动平均法是一种趋势外推方法,在简单平均数法基础上,通过顺序逐期增减新旧数据求算移动平均值。此方法可以减小偶然变动因素影响,推算事物发展趋势。

线性回归作为一种统计方法,用来确定因变量与自变量之间的相关关系,采用的原理是数理统计中的回归分析。

M-K检验法是一种非参数检验方法,能够用来检验序列的变化趋势是否显著。它的优点是样本不需要服从某一特定分布,且受异常值的影响较小。目前,在水文序列的趋势检验中,M-K检验方法有着广泛的应用。其检验原理如下:

(1)

(2)

式中:xk和xi为样本值;n为序列长度。

若|ZC|≤Z(1-α/2),则该序列无显著性趋势;若ZC<-Z(1-α/2),则序列呈显著下降趋势;若ZC>Z(1-α/2),则序列呈显著上升趋势。

小波分析是一种调和分析方法,目前被广泛应用于水文序列的周期性和趋势性分析。Morlet小波变换系数有实部、虚部两部分,实部表示信号在不同时间位置上的分布和相位信息,用来区分不同特征的时间尺度信号;小波系数的模值反映了特征时间尺度信号的强弱程度[6]。对于给定的水文序列f(t),连续小波变换为

(3)

在实际应用中,通常对水文序列进行离散化处理。离散形式的小波变换为

(4)

4 降水量变化分析

4.1 降水量年内分配特点

根据1971—2020年降水量资料计算平均降水量,总体来讲,无锡市降水丰沛,多年平均年降水量可达1145.2mm。年内各月降水量分配不均,从图1中可以看出,无锡市年内降水量分布呈单峰型,变化范围为37.1～197.8mm。年内降水量最大在6月,出现在夏季;降水量最小在12月,出现在冬季。从图2四季分布来看,无锡市夏季降水量最多,约占全年降水总量的44%,冬季降水量最少,约占全年总降水量的14%。从气象角度分析认为,无锡市地处东南沿海地区,属于亚热带季风气候,夏季东南季风从太平洋和印度洋带来大量暖湿气流,因此,夏季降水较多。冬季风主要来自寒冷干燥的西伯利亚地区,因此,冬季气温降低,降水较少。

图1 无锡市降水量年内分布

图2 无锡市降水量四季分配

4.2 降水年际变化趋势

为了分析无锡市降水量的年际变化特征,对历年降水量进行回归分析,结果如图3所示,无锡市1971—2020年这50年的降水量呈现一个波动上升的趋势。线性趋势线显示,年降水量增加幅度为58.68mm/10a。滑动平均曲线显示,降水量年际变化的幅度总体不是很大,个别年份出现较大变幅,其中降水量最大的是2016年的1978.2mm,降水量最小的是1978年的552.9mm。

图3 无锡市降水量年际变化趋势

为了验证无锡市降水量的变化是否表现出显著的趋势性特征,采用Mann-Kendall方法进行检验。通过计算,得出无锡降水量的Kendall值为2.14,|Zs|>1.96。结果表明:无锡市1971—2020年的降水量序列呈上升趋势,且在95%的置信水平下,上升趋势显著。Mann-Kendall的统计量曲线如图4所示,无锡市降水量UF序列从1971年开始均大于0,表明序列呈现上升趋势。UF序列与UB序列在95%置信区间内共有11个交点,其中1986年和2005年这两个点为突变点,UF序列与UB序列相交后分别于1991年和2016年超越置信区间,因此,降水量在1986年和2005出现了突变,且突变趋势为增加趋势。其余交点有可能为突变点,由于UF序列与UB序列相交后没有超越置信区间,因此无法确认。

图4 无锡市降水量M-K检验

4.3 年降水量周期分析

图5为无锡市降水量小波系数的实部等值线,从该图中能够得出降水量序列在不同时间尺度下的周期变化,从而根据周期特性推断出降水量未来一定时间内的变化趋势。

图5 无锡市降水量小波系数实部等值线

图5中,横坐标表示年份,纵坐标表示时间尺度。小波系数实部的数值越大,颜色越亮,表明降水量越大,该时期为丰水期;实部的数值越小,颜色越暗,表明降水量越小,该时期为枯水期。无锡市的年降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年的小尺度这3类时间尺度的周期性变化。在18～20年时间尺度上,降水量经历了枯→丰→枯→丰→枯→丰这6个丰枯循环的周期。1975年之前和2020年之后的等值线均未闭合,从该时间尺度上的等值线推测,1975年之前可能存在一个丰水期,2020年后可能存在一个枯水期。在11～12年的时间尺度上,降水量经历了丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰这11个循环周期。从这一时间尺度上的等值线的闭合情况推测,1972年之前以及2020年之后会有一段时间的枯水期。在4～5年的时间尺度上,降水量丰枯循环周期的情况更加复杂,丰枯交替频率更高。根据等值线的闭合情况推测,2020年开始会有一个短期的丰水期。

小波方差可以反映降水量序列的波动幅度随着时间尺度变化的分布情况,方差曲线的峰值所对应的时间尺度即为显著的周期,本文采用小波方差曲线来检验降水量主周期。从图6可以看出,曲线最高峰值对应的时间尺度约为12年。因此,无锡市年降水量变化最为显著的主周期为12年。

图6 无锡市降水量小波系数方差

5 结 论

通过采用滑动平均、回归分析、Mann-Kendall检验以及小波分析方法对无锡市1971—2020年降水量进行分析,得出以下结论:

a.以大运河无锡水文站为代表,分析无锡市近50年降水量发现,无锡市多年平均降水量年内分布呈单峰型,降水量最大在6月,出现在夏季,夏季降水量约占全年总降水量的44%;降水量最小在12月,出现在冬季,冬季降水量约占全年总降水量的14%。从气象学角度来说,这与无锡市地处亚热带季风气候区有直接关系。

b.无锡市降水量年际变化呈上升趋势,上升幅度约58.68mm/10a。利用Mann-Kendall方法分析降水量变化趋势可知,上升趋势显著,且在1986年和2005年出现突变增加。

c.无锡市降水量存在18～20年的大尺度、11～12年的中尺度以及4～5年小尺度这3类时间尺度的周期性变化。根据小波方差的检验结果,认为无锡市降水量变化最为显著的主周期为12年。从这一主周期来看,2020年处的等值线尚未闭合。推测在这一时间尺度上,无锡市未来的10～12年总体会出现一个枯水期。