1951—2020年南京市降水量變化特征分析

方功先，鐘華昱，聞 昕

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

南京市屬于長江中下游地區(qū)，受北亞熱帶季風(fēng)氣候和城市化的影響，降水變化明顯［1］。近年以來，許多研究學(xué)者分析了南京的降水特性。沈澄等［2］采用南京氣象站2008—2012年的逐時(shí)降水量資料，分析了南京短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律特征。毛宇清等［3］利用南京近50年的夏季逐日降水資料，分析了南京地區(qū)旱澇年和夏季降水的變化特征。陳其旭等［4］利用南京市浦口區(qū)1981—2017年夏季（5—9月）各類強(qiáng)降水資料，從時(shí)間和量級(jí)2個(gè)方面對(duì)各類強(qiáng)降水特征展開分析。目前，已有的研究主要集中于對(duì)南京市夏季降水或短時(shí)強(qiáng)降水等進(jìn)行分析，對(duì)于南京市降水的年內(nèi)、年際演變規(guī)律分析不多。

本文根據(jù)南京站1951—2020年逐日實(shí)測(cè)降水資料，采用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、R/S法、累積距平法及小波分析法等多種方法對(duì)降水量年際變化特性進(jìn)行分析，并采用多種特征指標(biāo)分析了變異前后的降水序列年內(nèi)分配特性。

1 研究概況

南京市區(qū)域內(nèi)雨量充沛，降水集中在6—7月，常年平均降雨天數(shù)超過100 d。由于南京市城市化發(fā)展較快，在長期的歷史進(jìn)程中，其氣候條件也發(fā)生了較大變化［5］。本文收集整理了南京站1951—2020年逐日降水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出逐年、逐月和不同季節(jié)的長系列降水量資料，根據(jù)南京市的氣候特征，將春季劃分為3至5月、夏季為6至8月、秋季為9至11月、冬季為12月至次年2月。

2 研究方法

2.1 滑動(dòng)平均法

從N個(gè)降水量數(shù)據(jù)中選取k（本研究k=5）個(gè)相鄰降水?dāng)?shù)據(jù)，并計(jì)算得到其平均值，采用平均值代替這k個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)的最中間數(shù)據(jù)，依次處理降水序列中的每個(gè)點(diǎn)，即得到原降水量序列的滑動(dòng)平均序列［6］。

2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)性與突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是氣象學(xué)、水文學(xué)、氣候?qū)W中常用的時(shí)間序列趨勢(shì)檢驗(yàn)方法［7］。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)［8］是分析水文氣象資料突變性的常用方法。針對(duì)時(shí)間序列Xi（i=1，2，…，n）構(gòu)造秩序列Sk，Sk表示第i個(gè)樣本中Xi＞Xj（1≤j≤i）的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列獨(dú)立隨機(jī)的假定下，可計(jì)算Sk的均值、方差和統(tǒng)計(jì)量UFk。其中，UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)UFk大于0，表明降水量序列存在上升趨勢(shì)；當(dāng)UFk小于0，表明降水量序列存在下降趨勢(shì)。選取置信水平α，一般選取α=0.05，若 ||UFk＞Uα，表明該序列存在明顯變化趨勢(shì)。將UFk在時(shí)間坐標(biāo)軸上繪制成曲線，然后進(jìn)行逆序排列，按上述方法繪制逆序系列的統(tǒng)計(jì)量UBk曲線。當(dāng)2個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且該交叉點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，該點(diǎn)則為時(shí)間序列發(fā)生突變的時(shí)刻。

2.3 R/S法

R/S法［9］最早由英國科學(xué)家H.E.Hurst提出。本文通過計(jì)算Hurst指數(shù)判斷南京站降水序列變化趨勢(shì)的持續(xù)性。當(dāng)H=0.5時(shí)，表示徑流序列為獨(dú)立的隨機(jī)變化，為一般的布朗運(yùn)動(dòng)；當(dāng)0.5＜H＜1時(shí)，表示降水序列未來的變化與之前的變化趨勢(shì)一致，具有正的持續(xù)性，H越接近于1說明持續(xù)性趨勢(shì)越強(qiáng)；當(dāng)0＜H＜0.5時(shí)，表示降水序列未來的變化趨勢(shì)與之前的相反，即具有反持續(xù)性，H越接近于0則反持續(xù)性趨勢(shì)越強(qiáng)。

2.4 累積距平法

累積距平法［10］能夠直觀判斷出時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，在水文氣象領(lǐng)域較為常用。對(duì)于降水量序列，可逐時(shí)段計(jì)算降水量的累積距平，并繪制成曲線。當(dāng)累積距平持續(xù)增大時(shí)，為豐水時(shí)段；當(dāng)累積距平持續(xù)減小時(shí)，為枯水時(shí)段；當(dāng)累積距平持續(xù)不變時(shí)，為平水時(shí)段。

2.5 Morlet小波分析法

小波函數(shù)［11］是小波分析法的關(guān)鍵，其震蕩性很強(qiáng)，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)迅速衰減至零。降水序列數(shù)據(jù)大多是離散的，設(shè)函數(shù)f(kΔt)，（k=1，2，…，n；Δt為取樣的間隔），可得出對(duì)應(yīng)的離散型小波變換形式。實(shí)際研究過程最重要的就是要由小波變換方程得出小波系數(shù)，隨后通過這些系數(shù)來分析判斷徑流時(shí)間序列的時(shí)頻變化特征。將小波系數(shù)的平方值進(jìn)行積分，便可得到小波方差，小波方差能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布，小波方差圖可用來確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度。

2.6 降水量年內(nèi)分配特征指標(biāo)

通過計(jì)算降水量的不均勻系數(shù)Cv和完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr，來表征降水量年內(nèi)分配的均勻程度。根據(jù)降水量的最小月降水量、最大月降水量與月平均降水量的比值（分別為極小比Cmin、極大比Cmax和極值比Cm），以此表示降水量的年內(nèi)相對(duì)變化幅度，采用集中度Cn表示降水量的年內(nèi)分配集中程度［12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水年際變化特征分析

3.1.1 降水年際變化趨勢(shì)性分析

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和線性回歸法對(duì)南京站1951—2020年的降水量序列進(jìn)行分析，詳見表1。南京市的多年平均降水量為1 064.4 mm，降水年際變化分布不均勻，變化幅度較大。通過分析南京站5年滑動(dòng)平均降水量序列可知，2012—2020年的降水量較多，其中2014—2018年的5年滑動(dòng)平均降水量最大，為1 437.3 mm；1964—1968年的5年滑動(dòng)平均降水量最小，為857.8 mm，降水總體呈增加趨勢(shì)。年降水量、夏季降水量和冬季降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，年降水日數(shù)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，春季和秋季降水量呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。采用R/S法估算南京站年降水量、降水日數(shù)和各季降水量的Hurst指數(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)的Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來的年降水量、降水日數(shù)和各季降水量與往年的變化趨勢(shì)相同。綜合分析各指標(biāo)的Zc統(tǒng)計(jì)值和Hurst指數(shù)，未來南京站降水量仍將持續(xù)增加，年降水日數(shù)將持續(xù)減少，夏季和冬季降水量將持續(xù)增加，即降水在未來會(huì)更加不均勻。

表1 南京站降水量變化趨勢(shì)分析

3.1.2 降水年際變化突變性分析

采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和累積距平法對(duì)南京站70年的降水量進(jìn)行變異診斷，在1970—2000年之間，2條序列存在多個(gè)交點(diǎn)，表明南京站降雨量在該時(shí)段內(nèi)變化較為明顯，并在2000年左右發(fā)生突變，突變后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)累積距平法統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在1986年前降水量累積距平值持續(xù)下降，其后持續(xù)上升，綜合分析表明1986年為南京站降水量變化的突變年份。

3.1.3 降水年際變化周期性分析

南京站年降水量的小波方差圖如圖1所示，南京市年降水量存在3個(gè)較為明顯的峰值，分別為3 a、9 a、22 a。9 a左右的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的峰值最大，即9 a左右的時(shí)間尺度為南京年降水量的第一主周期，第二主周期為22 a左右，第三主周期為3 a左右。

圖1 南京站年降水量小波方差

3.2 降水年內(nèi)分配規(guī)律分析

南京站各季節(jié)降水量呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，夏季和冬季的降水呈明顯增加趨勢(shì)，對(duì)南京站的降水量年內(nèi)分配特性進(jìn)行分析比較，如表2所示。南京站降水量集中在夏季，降水量變異前占46.46%，變異后增加至49.99%；冬季降水量最小，變異前占比僅為8.18%，變異后增加至12.17%；7月降水量最大，約占全年的20%；1月降水量最小，占比不超過3%；5—8月的降水量最大，占比超過全年的50%。由以上分析可知，南京站年內(nèi)降水極不均勻，冬春交替之際補(bǔ)水形勢(shì)嚴(yán)峻，夏季防洪壓力較大。

表2 南京站降水年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)

南京站年降水量的年內(nèi)分配特征指標(biāo)如表3所示。南京站降水量的Cv、Cr值均較小，表明南京站降水年內(nèi)分配較均勻，南京站降水量的Cmax、Cmin和Cm值之間相差較大，表明南京站年內(nèi)月降水量變化幅度較大。南京站降水量的年內(nèi)分配在1986年前后存在較大差異，1986年后的Cv、Cn值變小，Cmax、Cmin和Cm值向中值靠攏，表明南京站降水量年內(nèi)分配趨于均勻，降水量變化幅度減小。

表3 南京站降水年內(nèi)分配特征指標(biāo)

4 結(jié)論

（1）根據(jù)1951—2020年逐月降水資料分析可知，南京站年降水量在1986年前后發(fā)生突變，年降水量、夏季降水量和冬季降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，且未來南京站降水量仍將持續(xù)增加，年降水日數(shù)將持續(xù)減少，夏季和冬季降水量將持續(xù)增加。

（2）南京站年降水量存在3個(gè)主周期，其第一、第二、第三主周期分別為9 a、22 a、3 a左右的時(shí)間尺度。

（3）南京站降水量集中在夏季，降水量變異前占46.46%，變異后增加至49.99%；冬季降水量最小，變異前占比僅為8.18%，變異后增加至12.17%；7月降水量最大，約占全年的20%；1月降水量最小，占比不超過3%；5—8月的降水量最大，占比超過全年的50%。

（4）南京站降水量降水年內(nèi)分配較均勻，年內(nèi)月降水量變化幅度較大，年內(nèi)分配在1986年前后存在較大差異，變化后的降水量年內(nèi)分配趨于均勻，變化幅度減小。