1956—2018年太湖流域降水统计特征及演变趋势

许 钦,叶 鸣,蔡 晶,刘露霖,林晓清

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098； 3.南京水利科学研究院水文水资源研究所，江苏 南京 210029； 4.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

太湖流域是我国经济最发达的地区之一，人口众多，河网如织，湖泊密布，流域面积仅占全国国土面积0.4%，2020年末全流域GDP约占全国的9.8%[1]，而流域人均水资源占有量为456 m3，远低于全国平均水平[2-3]。太湖流域多年平均年降水量为1 218 mm，属于相对丰水地区，然而受局地环流和地形影响，年降水空间分布不均，自东南向西北呈减少趋势[4]。因此，对太湖流域整体及分区进行统计特征分析和降水演变趋势诊断，精细化掌握区域降水特征，对合理规划区域水资源及防汛减灾工作具有重要意义。Zhou等[5]基于太湖流域96个雨量站的年最大降水，利用L矩阵方法，发现极端降水逐渐集中在城市区域；董满宇等[6]基于1960—2017年逐日降水数据，运用R/S分析方法揭示了年降水总量中，中雨量占比最大，为32.05%；包云轩等[7]采用EOF正交经验法、线性倾向率法研究环太湖地区20世纪80年代以来的气候变化，发现区域降水表现为北部增加、南部减少；杨凤等[8]利用Mann-Kendall(M-K)检验分析太湖流域及其水利分区的降水变化趋势，发现其降水指标均呈上升趋势，且东部地区上升趋势更明显。现有研究大多基于日降水数据，利用单一数理统计方法分析整个流域的降水规律，无法详尽展示太湖流域及其水利分区的降水规律。

本文基于太湖流域内133个代表性雨量站的实测日降水资料，采用P-Ш型频率曲线、M-K检验、Morlet小波分析等方法分析太湖流域1956—2018年降水趋势、周期波动等规律，同时诊断流域水利分区的降水变化特征，以期为太湖流域水资源综合管理提供参考。

1 研究区概况及站点分布

1.1 研究区概况

太湖流域地处长江三角洲南缘，是我国东部平原河湖分布最密集的区域[9]。流域范围东经119°08′～121°55′、北纬30°05′～32°08′，行政隶属于江苏、浙江、安徽和上海三省一市，流域总面积为3.69万km2。流域地势呈西高东低、四周高、中间低的碟形，地貌主要分为山地丘陵及平原两大类，其中山丘区约占20%，平原区约占80%。

太湖流域属于中亚热带季风气候区，受季风环流控制[10]，四季分明，气候温和，雨量丰沛，降雨主要集中在5—9月。形成流域径流量的主要降水为梅雨及台风雨[11]，其中梅雨多发生在6月中旬至7月中旬，总量大、历时长、范围广；台风雨多发生在7月下旬至9月中旬，雨强大、历时短、范围小。城市化对水文过程的影响很大[12]，历史上，太湖流域曾于1954、1991、1999、2016年发生特大洪水，1971、1978、2003年发生严重干旱。

1.2 站点分布

考虑到流域的空间变异性，根据地形及水系特点，将太湖流域划分为湖西区、浙西区、太湖区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、杭嘉湖区、浦西区和浦东区8个水利分区[13]。全流域水文站有80余处，主要监测项目是水位以及上游入太湖、长江的水量，浙西山区分布着一些控制中小流域的水文测站；雨量站稳定在200处以上，可以较好地控制流域雨量的时空分布；蒸发站稳定在30处左右。本文选用的具有长期观测资料的雨量代表站共计133个，其中湖西区21个，武澄锡虞区11个，阳澄淀泖区12个，太湖区6个，杭嘉湖区25个，浦西区5个，浦东区7个，浙西区46个。

2 研究方法

2.1 P-Ш型频率曲线法

P-Ш型频率曲线法是一种在我国大多数地区应用且取得水文业界认可的方法[14-15]。P-Ш型频率曲线主要考虑均值Ex、变差系数Cv和偏态系数Cs3个参数的影响。Ex代表系列的平均情况，能够说明系列的总体水平高低，是频率曲线分布的重要参数，也是水文现象的重要特征值；Cv又称离差系数或离势系数，能够说明系列的离散程度，在水文现象中，其大小能反映水文要素的多年变化情况；Cs是衡量系列偏态(不对称)程度的参数。

2.2 M-K检验法

M-K检验法是目前广泛应用于水文要素的非参数统计检验方法[16]，既可以检验时间序列变化趋势的显著性，也可以进行突变分析[17]。统计值Z及倾斜度β分别代表序列的变化幅度和长期变化趋势[18-19]。在给定0.05置信水平下，若Z|≥1.96，则时间序列上升或下降趋势显著。倾斜度β>0表示时间序列呈上升趋势，反之则表示呈下降趋势。本文选取置信水平0.05、统计临界值1.96进行降水趋势分析。

2.3 Morlet小波分析法

在水文要素周期性变化分析中，常用Morlet函数作为基函数。Morlet小波分析法能够通过局部变换时域和频域来提取信号信息，从而定量分析研究区降水序列的周期性变化特征，广泛应用于水文领域[20-22]。在一定时间尺度下，小波方差峰值对应序列主要周期。

3 结果与分析

3.1 降水特征值

图1为1956—2018年太湖流域降水量变化情况。采取平均年降水量及降水量距平百分率反映降水量趋势变化。1956—2018年太湖流域年降水以0.557 mm/a的速率缓慢增长，期间31年高于多年平均降水，32年低于多年平均降水。典型异常偏低年为1971年、1978年和2003年，典型异常偏高年为1991年、1999年、2016年，分别对应太湖流域典型干旱年和典型洪水年。

图1 1956—2018年太湖流域降水量变化情况Fig.1 Precipitation change in Taihu Lake Basin from 1956 to 2018

利用P-Ш型频率曲线将太湖流域及其水利分区的最大1 d、3 d、7 d降水量进行适线，设计频率分别取20%(5年一遇)、10%(10年一遇)、5%(20年一遇)、2%(50年一遇)、1%(100年一遇)，Cs=3.5Cv[23]，得到各水利分区不同设计频率下最大1 d、3 d、7 d降水量(图2～4)。由图2～4可见，1%设计频率的降水空间分差异性大，其中最大7 d降水量表现最显著，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最弱。各水利分区相同设计频率的降水特征值存在空间差异，呈现自西向东、自南向北逐渐增大的趋势。浙西山丘区由于地形抬升、下垫面变化剧烈等原因，各设计频率的降水特征值都较其他分区大，1%设计频率的最大1 d降水量为248.38 mm，最大3 d降水量为357.80 mm，最大7 d降水量为478.45 mm。除此之外，杭嘉湖区的降水特征值也比较大，因此湖州、安吉、嘉兴等浙西山丘区和杭嘉湖区城市的防洪压力较大。

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

图2 各水利分区不同设计频率最大1 d降水量Fig.2 Maximum 1 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

图3 各水利分区不同设计频率最大3 d降水量Fig.3 Maximum 3 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

(a) 20%

(b) 10%

(c) 5%

(d) 2%

(e) 1%

图4 各水利分区不同设计频率最大7 d降水量Fig.4 Maximum 7 d precipitation at different design frequencies in each water conservancy division

各分区最大1 d、3 d、7 d的Cv值存在空间差异，均由北向南、由西向东逐渐增大，东南部平原区的降水波动大于西北部山丘区。Cv值变化幅度为0.30～0.66，呈正偏态分布，说明太湖流域及各水利分区出现小于平均降水的小降水概率较高，概率从北部向南部减小。各分区中杭嘉湖区的最大1 d、3 d、7 d的Cv值最大，分别为0.66、0.60、0.54；湖西区最小，分别为0.38、0.39、0.42，说明1956—2018年，最大1 d、3 d、7 d降水量波动幅度杭嘉湖区最大，湖西区最小。原因是杭嘉湖区南临钱塘江、杭州湾，相较湖西区水汽丰富，且杭嘉湖区属于平原区，便于水汽输送，而湖西区内有茅山山脉、界岭山脉阻挡水汽输送。另外，最大1 d降水量变幅最大，最大3 d降水量次之，最大7 d降水量最小，这一现象一定程度反映了太湖流域内降水日数增多且极端降水多发的趋势，这与IPCC第六次评估报告中结果吻合，即全球尺度陆地强降水频率及强度都可能增加[24]。

3.2 M-K检验结果

利用M-K检验法分析1956—2018年太湖流域及其水利分区降水的趋势变化和突变节点，计算Z值及β值，综合判断时间序列的变化趋势，判断降水序列的突变年份，检验结果见表1。

表1 M-K检验结果Table 1 M-K inspection results

由表1可见，1956—2018年太湖流域内整体年降水量变化规律基本一致，均呈增长趋势，全流域年降水量M-K倾斜度达每10a 19.8 mm，但各水利分区的变化幅度不同，整体呈自东向西逐渐减弱的趋势。流域东北部年降水量变幅大多在每10a 17.3～33.0 mm，而西南部大多在每10a 3.30～22.2 mm。其中，浦东区、浦西区增长最为显著，分别达每10a 33.0 mm和32.7 mm；湖区及浙西山丘区尽管都呈增长趋势，但增幅远不如平均水平，仅为每10a 8.0 mm及3.3 mm。另外，阳澄淀泖区及湖区正逆序列交点范围较广，分别在1996—2000年及1986—1993年发生较为频繁和复杂的波动。太湖流域在20世纪六七十年代存在持续时间较长的少雨期，年降水量连续低于平均水平，20世纪80年代后降水有所增多[25]。2000—2007年，太湖流域年降水量平均每年减少81.6mm，造成流域连续干旱。1999年和2016年发生特大洪水，均由当年强降水引起。

3.3 Morlet小波分析结果

图5、图6为1956—2018年太湖流域及其水利分区降水量Morlet小波实部时频变化及小波方差，图中清晰地揭示了年降水量的周期变化、突变点分布及其相位结构。由图5、图6可见，太湖流域37～58 a时间尺度非常突出，中心时间尺度在48 a左右，经历了2 次准震荡，1981年后10～13 a表现显著，存在20 a、13 a主周期；湖西区和浙西山丘区的中心时间尺度均为20 a左右，且都在1978年后18～27 a 震荡周期显著；武澄锡虞区存在39～58 a主震荡周期，具有全域性，正负相位交替出现，丰枯特性表现明显，20 a主周期显著；阳澄淀泖区存在3个震荡周期，分别为41～56 a、17～23 a、11～13 a，其中17～23 a在1964年后较为显著，经历了4次准震荡；湖区和杭嘉湖区存在全域性较强的38～59 a震荡周期；浦东区、浦西区周期变化较为相似，存在39～57 a震荡周期，中心时间尺度约为46 a，均经历2次准震荡，浦东区20 a第一主周期较为明显。

(a) 太湖流域

(b) 湖西区

(c) 武澄锡虞区

(d) 阳澄淀泖区

(e) 太湖区

(f) 杭嘉湖区

(j) 浙西区

(h) 浦东区

(i) 浦西区图5 1956—2018年太湖流域及其水利分区降水量Morlet小波实部时频变化Fig.5 Wavelet analysis of the Taihu Lake Basin and its water conservancy divisions from 1956 to 2018

图6 1956—2018年太湖流域及其水利分区降水量小波方差Fig.6 Variance diagram of the Taihu Lake Basin and its water conservancy divisions in the past 63 years

4 结 论

a.1956—2018年太湖流域年降水以0.557 mm/a的速率缓慢增长。太湖流域及其水利分区降水演变特征不一致，东南部平原区的降水波动大于西北部山丘区。不同设计频率的降水特征值中1%频率的空间分布差异性大，其中最大7 d降水量表现最显著，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最弱。最大1 d、3 d和7 d降水量变化存在空间差异性，最大7 d降水量变幅最大，最大3 d降水量次之，最大1 d降水量最小，一定程度上反映太湖流域内降水日数增多且极端降水多发趋势。

b.太湖流域各水利分区年降水量的增长幅度不同，整体呈自东向西逐渐减弱的趋势，流域东北部变幅为每10 a 17.3～33.0 mm，西南部为每10 a 3.30～22.2 mm。

c.Morlet小波实部时频变化及方差图显示太湖流域及其水利分区年降水量呈现多尺度周期变化，35～62 a周期变化最显著，均在20世纪80年代后变得稳定，湖西区及杭嘉湖区的年降水周期变化较其他水利分区模糊。