1933～2015年十堰市郧县雨量站降水量变化特征分析

2017-02-14孙恒兵贺德才汪炎炎十堰市水文水资源勘测局湖北十堰442000

水利水电快报 2017年1期

孙恒兵贺德才潘华汪炎炎 (十堰市水文水资源勘测局，湖北十堰 442000)

孙恒兵贺德才潘华汪炎炎 (十堰市水文水资源勘测局，湖北十堰 442000)

降水的周期、趋势及变异研究对区域水资源管理具有重要意义。以1933～2015年十堰市郧县雨量站降雨资料为基础，采用一元线性回归法、10 a均值比较法、Mann-kendall法和小波分析等方法，对郧县雨量站83 a的年降水量、汛期降水量与非汛期降水量变化和周期变化的特征进行了研究，并对暴雨特征进行了分析。结果表明，郧县站雨量有一定下降趋势且呈波动状态，在2～3 a和9～12 a之间，有一个相对显著的丰枯交替周期。

降水量；变化特征分析；分析方法；郧县雨量站

十堰市地处鄂西北南水北调中线工程核心水源地，其降水量的变化特征直接关系到水源地水量的变化，是影响南水北调中线工程成功与否的重要因素之一。十堰市境内郧县雨量站(32°48′54″N， 110°48′33″E)位于丹江口水库内，其雨量资料系列最长，拥有完整的83 a的逐月降水量资料。本文对郧县1933～2015年的年降水量、汛期(5～10月)与非汛期(11月～次年4月)降水量的变化和周期变化特征进行了研究，并对暴雨特征进行了分析，以点带面说明郧县周边地区降水量的变化特征，以期为调水水量问题提供参考。

1 研究方法

(1) 一元线性回归法。一次函数y=kx+b(k≠0) 的图像是一条直线。当斜率k>0时，直线从左至右呈上升趋势；当k<0时，直线从左至右呈下降趋势。斜率k的绝对值表示函数y在自变量x的每个单位时间内变化的快慢。当k的绝对值较大时，函数在自变量的每个单位内变化得快，在图像上就表示为直线比较陡；当k的绝对值较小时，函数在自变量的每个单位内变化得慢，在图像上就表示为直线比较平缓。

(2) 采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(以下简称M-K法)检验降水量。一般取显著性水平α=0.05，则临界值U0.05=±1.96。将UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘在一张图上。若UFk>0，则表明序列呈上升趋势；若UFk<0，则表明呈下降趋势，当超过临界直线±1.96时，表明上升下降趋势显著。由超过临界线的范围确定出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变的开始时刻。

(3) 采用小波分析法揭示隐藏在时间序列中的变化周期性。小波分析是由J. Morlet提出的一种具有时频多分辨功能的方法，能充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，并能对系统未来发展趋势进行定性估计。本文采用小波方差值(即小波方差图上的最大峰就是主周期，其他的就是非主周期[1-3])，分析降水量的主周期。

(4) 本文采用水文学方法计算年降水频率。

2 年降水量

2.1 基本情况

郧县雨量站多年平均降水量为801.9 mm，其中1938年为暴雨年，降水量为1 274.7 mm，比均值高58.9%；最小值出现在1997年，降水量为 478.5 mm，比均值低 40.3%[4]。降水年际间变化较大,降水量年最大值是年最小值的2.7倍。点绘降水量过程线，同时添加不同年代平均降水量过程线，1933～2015年年降水趋势线详见图1。

图1 1933～2015年郧县站降水量变化情况

2.2 用直线方程斜率进行的判断

用郧县年降水量与时间进行关系曲线(见图1)的趋势拟合，得如下直线方程表达式

p=-0.7913t+2363.9

(1)

式中，p为郧县雨量站第t年降水量；t为时间(1932年时，t=0)。由直线方程可知，其直线方程的斜率k=-0.791 3<0，说明郧县年降水量呈缓慢下降趋势，平均每10 a下降 7.9 mm。

2.3 用年代均值进行的判断

1933～2015年的统计年代均值见表1。由表1可知，20世纪70年代和80年代，年降水量呈波动状态；20世纪90年代以后年降水量一直在减小。

表1 郧县10 a期年降水量变化情况

图2 1933～2015年郧县雨量站降水量M-K检验趋势

2.4 用M-K检验法进行的判断

由图2可知,UFk在20世纪70年代和80年代，呈波动状态；20世纪90年代以后UFk一直小于0，说明年降水量呈下降趋势。

2.5 年降水量的周期分析

图3为郧县年降水量小波周期分析实部图和方差图。图中信号的强弱通过小波系数的大小表示，等值线从中心向四周散开，降水量从最大逐步变小。由图3(a)可以看出，郧县年降水量主要存在2个时间尺度上的波动变化，在2～3 a和9～12 a的时间尺度上，周期震荡非常明显；图3(b)中年降水量小波方差图有2个峰值，分别对应时间尺度2～3 a和9～12 a。

图3 1933～2015年郧县年降水量小波分析

3 汛期降水量

3.1 基本情况

郧县雨量站汛期降水量在汛期内变化差异显著，汛期多年平均降水量 611.7 mm,最大值出现在1938年,为1 108.6 mm；最小值出现在2001 年,为316.8 mm[4]。点绘多年汛期降水量过程线，以及不同年代平均降水量过程线，同时添加1933～2015年汛期降水趋势线(见图4)。

图4 1933～2015年郧县站汛期降水量变化情况

3.2 用直线方程斜率进行的判断

用郧县汛期降水量与时间进行关系曲线(见图4)的趋势拟合，得如下直线方程表达式

p=-0.425t+1451

(2)

式中，p为郧县雨量站第t年汛期降水量；t为时间(1932年时,t=0)。由直线方程可知，其直线方程的斜率k=-0.425<0，说明郧县多年汛期降水量的变化呈缓慢下降趋势，平均每10 a下降 4.3 mm。

3.3 用年代均值进行的判断

由表2可以看出20世纪70年代和80年代，汛期降水量呈波动状态；20世纪90年代以后，汛期降水量一直在减小。

表2 郧县10 a期汛期降水量均值情况

图5 1933～2015年郧县汛期雨量站降水量M-K检验趋势

3.4 用M-K检验法进行的判断

由图5可知，UFk在20世纪70年代和80年代呈波动状态；20世纪90年代以后UFk一直在减小，说明降水量在减少。

3.5 汛期降水量的周期分析

图6为郧县汛期降水量小波周期分析实部图和方差图。图中信号的强弱通过小波系数的大小表示，等值线从中心向四周散开，降水量从最大逐步变小。由图6(a)中可以看出，郧县汛期降水量主要存在2个时间尺度上的波动变化，在2～3 a和9～12 a的时间尺度上，周期震荡非常明显；图6(b)中汛期降水量小波方差图有2个峰值，分别对应时间尺度2～3 a和9～12 a。

图6 1933～2015年郧县汛期降水量小波分析

4 非汛期降水量

郧县站非汛期多年平均降水量190.1 mm，最大值出现在1989年，为 418.1 mm；最小值出现在1996年，为 68.3 mm[4]。点绘多年非汛期降水量过程线，不同年代平均降水量过程线，同时添加1933～2015年非汛期降水趋势线(见图7)。

图7 1933～2015年郧县非汛期降水量变化情况

4.1 用直线方程斜率进行的判断

情况 2 u1,…,u10的颜色当中互不相同的仅有两种,不妨设f(ui{1,2}, i=1,2,…,10,则当每个C(vj)是2-子集时,C(vj)不包含颜色1或2,从而可以作为Y中顶点色集合的{1,2,3,4,5,6}的子集的数目为当49≤n≤90时,48个集合不能区分Y中的n个顶点,得出矛盾。令B=B1∪B2∪B3,其中:

用郧县非汛期降水量与时间进行关系曲线(见图7)的趋势拟合，得如下直线方程表达式

p=-0.381 2t+942.6

(3)

式中，p为郧县雨量站第t年非汛期降水量；t为时间(1932年时,t=0)。由直线方程可知，其直线方程的斜率k=-0.381 2<0，说明郧县多年非汛期降水量的变化呈缓慢下降趋势。平均每10 a下降 3.8 mm。

4.2 用年代均值进行的判断

由表3可以看出,20世纪70年代和80年代，非汛期降水量呈波动状态；20世纪90年代以后非汛期降水量一直在减小。

表3 郧县10 a期非汛期平均降水量

4.3 用M-K检验法进行的判断

由图8可知，UFk在20世纪70年代和80年代呈波动状态；20世纪90年代以后UFk一直小于0，说明降水量在减小。

图8 1993～2015年郧县非汛期降水量M-K检验趋势

5 暴雨特征

图9 1933～2015年郧县站降水量频率曲线

据统计，研究期发生的暴雨全部集中在汛期内。其中7月降水量占汛期总量比值最大，为21.9%，7～9月占61.6%。逐年汛期总量占年总量的比值，最大值为93.7%，最小值为 54.9%，说明汛期降水总量决定年降水总量。由图10统计可知，5～7月为夏汛，占汛期总量 49.7%，而秋汛占汛期总量 50.3%，也反映郧县站所在流域，即丹江口库区存在夏汛和秋汛，相对而言，秋汛所占比值较大。