湖南省近56年降水变化趋势及空间特征

符 静，旷 微，邓运员，田亚平，赵 莎

1. 衡阳师范学院 传统村镇文化数字化保护与创意利用技术国家地方联合工程实验室，湖南 衡阳421002； 2. 衡阳师范学院 古村古镇文化遗产数字化传承湖南省协同创新中心，湖南 衡阳 421002

降水是气候和水文气象最重要的变量之一，是地表淡水资源的主要来源，与人类生产生活密切相关．降水模式的变化可能引发洪水、干旱、滑坡、泥石流等自然灾害，致使生物多样性丧失和农业生产力下降等[1-2]，从而较其他气候变量会产生更直接的社会经济影响[3]．因此，研究降水时空变化规律对于气候分析和水资源规划决策至关重要．

鉴于全球气候变化对水文过程的影响，降水趋势分析已成为气候研究的重要组成部分[4-5]．近年来，中国区域大尺度上降雨量研究[6-10]显示整体上年均降水变化趋势无统计学意义，但分区域却存在明显的时空差异性，然而不同学者对相关区域分析所得结论或许有不同之处，这可能与其所选研究时段、方法以及数据资料等不同有关； 也有不少学者从流域尺度[11-15]、区域尺度[16-18]、地方尺度[19-20]等对降水变化趋势进行分析与探讨，在一定程度上丰富了全球气候变化研究．湖南省地处亚热带季风气候区，降水变率大，近期气候具有暖湿化趋势[21]，且该区域持续性干旱主要是由高温和降水偏少造成，因此，从地理空间信息视角，对湖南省多站点、长时间序列降水变化进行综合分析对于评估气候引发的风险及其对策非常重要．本文从年、季尺度上分析了湖南省1960-2015年降水的时空特征，提高了数据的时效性，试图揭示区域降水变化的某些规律，以期为水资源的调控、防汛抗旱提供决策参考，从而缓解旱涝灾害影响．

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

湖南省位于亚热带季风气候区的中国中部地区(108°47′-114°15′E，24°38′-30°08′N)，东西方向延伸约667 km，南北方向延伸约774 km，土地总面积21.18×104km2．该区域海拔介于23～2 115 m之间，地势东、西、南三面相对较高，永州北部、衡阳盆地、长株潭地区、洞庭湖平原一带地势较低； 地形地貌复杂，山地、丘陵分布广泛，二者面积约占区域总面积的2/3(图1)．此外，湖南省水系发达，河网密布，境内洞庭湖水系由湘江、资江、沅江、澧水及其支流汇聚而成，最长的河流是湘江，最大的湖泊是洞庭湖．

基于审图号： GS(2019)3333号标准地图制作．图1 研究区及气象站点分布

1.2 数据来源及预处理

选取湖南省87个气象站点1960-2015年逐月气候资料，数据来源于湖南省气象局，并通过初步质量控制．选定的站点数据序列整体上较为完整，针对部分站点少量缺测或无效数据，基于站点观测资料进行线性插补．标准气候平均值采用1981-2010年的平均值．利用站点经纬度信息，在ArcGIS 10.2软件中将站点数据转换成Shapefile点矢量数据，大致均匀地覆盖整个研究区域(图1)，以实现空间数据与属性数据挂接，进行空间插值．

1.3 研究方法

1.3.1 气候趋势与特征分析

统计每一气象站点年、季尺度降雨量，基于泰森多边形、面积加权法获得研究区同尺度降雨量．运用线性回归方程模拟得到气候倾向率[22]，用以表示降水变化趋势，并对线性趋势做t检验．采用非参数Mann-Kendall(M-K)检验[21]评估降水时间序列的突变特征．依据“气象干旱等级”国家标准(GB/T 20481-2017)，选取降水距平百分率(Pa)指标揭示气候异常特征，年尺度阈值设定为|Pa|=15%，30%，40%，45%，季尺度设定为|Pa|=25%，50%，70%，80%，将气象等级划分为正常与轻、中、重、特旱(或涝)．

1.3.2 Hurst指数

采用Hurst指数(H)评价区域降水时间序列的持续状态，计算H的基本步骤如下：

1) 时间序列必须分成长度为n的d个连续子序列，且d×n=N，N即时间序列的总长度．任一子序列表示为Ia，其中，a=1，2，…，d．Ia中每一个元素记为Nk，a，其中，k=1，2，…，n．

2)Ia的均值定义为：

(1)

式中：Ea对应每一子序列Ia的均值，为均值序列．

3)Ia对于均值的累积离差定义为：

(2)

式中：Xk，a表示每一子序列Ia的累积离差．

4) 极差定义为：

RIa=max(Xk，a)-min(Xk，a)

(3)

式中：RIa表示极差； max(Xk，a)表示累积离差的最大值，min(Xk，a)表示最小值．

5) 子序列Ia的样本标准差表示为：

(4)

式中：SIa表示每一子序列Ia的标准差．

6) 对于任意RIa，均由对应的SIa进行标准化，则R/S值定义为：

(5)

7) 增加n的值，重复上述步骤①-⑥，直到n=N/2，可得到一系列(R/S)n．

8) 分别以Log(n)，Log(n)，Log(R/S)n为横轴和纵轴Log(R/S)进行回归分析，所得方程的斜率即H的估计值．H介于0～1之间： 当H=0.5，表明时间序列为随机序列； 当H>0.5，表明时间序列未来趋势对历史趋势具有持续性(持续增加或持续减少)，且H越接近1，持续性越强； 当H<0.5，表明时间序列未来趋势对历史趋势具有反持续性(增加转减少或减少转增加)，越接近0，反持续性越强．

2 结果与分析

2.1 湖南省降水量时间变化特征

2.1.1 年际变化

由图2a可知，1960-2015年，湖南省年均降水增幅为0.833 4 mm/a(未通过显著性检验)，表明多年降水呈不显著的上升趋势．区域降水多年均值为1 412.3 mm，2002年降雨量最大(1 924.5 mm)，2011年降雨量最少(998.4 mm)，其余大部分年份围绕平均值上下波动．1960-1985年间降水波动变化较为平稳，之后有明显的“增—减”趋势．M-K检验表明，所有正时间序列统计量构成的UF曲线和时间序列的逆转样本得到的逆序列统计量构成的UB曲线在置信区间内虽有多个交点，但统计量未超出临界值(p<0.05)，表明区域多年降水量无突变特征，且UF曲线在1987-2002年几乎呈单调递增趋势，与此期间降水变化趋势基本一致(图2b)．

图2 1960-2015年湖南省降水量年际变化(a)及Mann-Kendall突变检验(b)

图3a显示，降水量在1984-1999年间呈现明显的连续偏枯和连续偏丰现象．据统计，1963年、1971年、1978年、1985年表现为轻旱，2011年为中旱； 1970年、1973年、1994年、2012年表现为轻涝，2002年为中涝．

图3 1960-2015年湖南省年度及四季降水距平百分率(Pa)

图3b-e所示，春季Pa正负值交替出现，没有明显的规律性，降水连丰年和连枯年较少； 夏季降水有明显的连续偏丰、偏枯现象，主要集中在1963-1970年和1983-1999年2个时段； 秋季Pa变化规律与春季类似，但波动幅度较大； 冬季降水整体上偏枯现象较为严重，且较其他季节更易出现降水连丰和连枯现象，例如在1989-1995年和2002-2007年2个时期有连丰现象，1960-1969年和1975-1979年2时期有连枯现象．据统计，从雨涝来看，春季轻涝6 a，夏季轻涝6 a、中涝1 a，秋季轻涝13 a、中涝2 a、重涝1 a、特涝1 a，冬季轻涝7 a，从旱情来看，春季轻旱2 a，夏季轻旱7 a、中旱1 a，秋季轻旱9 a、中旱2 a，冬季轻旱14 a、中旱1 a．由此可知，研究区近56 a发生旱涝的年份秋季最多(28 a)，冬季次之(22 a)，春季最少(8 a)，其中，秋季雨涝年份最多，冬季干旱年份最多，且除了春季，其余季节均有中度及以上雨涝或旱情．

2.1.2 年内变化

1960-2015年，湖南省年内降水集中，春、夏两季降水较多，秋、冬两季相对较少，绝大部分年份冬季降水最少．四季降水多年均值分别为500.2，494.2，238.2，179.6 mm，春、夏两季降水量对全年贡献较大，合计占全年降雨量的70.4%； 气候倾向率分别为-0.971，1.393 7，-0.199 1，0.633 6 mm/a，均未通过显著性检验，表明春、秋两季降水呈减少趋势，夏、冬两季降水有增加趋势(图4a-d)．

M-K检验表明，春、秋两季多年降水无突变点，夏、冬两季有突变特征(图4e-h)．具体地，春季绝大部分年份M-K统计量为负值，显示出降水整体呈下降趋势(图4e)．夏季UF曲线表明1984-1992年间降水呈下降趋势，1992年之后降水明显增加，1999年超出置信区间(p<0.05)，降水有显著增加趋势(图4f)．秋季自1963年开始，降水呈下降趋势(图4)．冬季1969年为突变点(p<0.05)，1988年之前降水呈波动上升趋势，之后单调增加，1993年超出置信区间，降水呈显著上升趋势(图4h)．

图4 1960-2015年湖南省季节性降水量(a-d)及Mann-Kendall突变检验(e-h)

2.1.3 空间格局

由图5a可知，近56 a湖南省降水增速高值区主要分布于洞庭湖平原、罗霄山一带和湘中丘陵区，合计有62个气象站点降水呈上升趋势，其中，增速较高的站点主要有资兴(5.03 mm/a)、临湘(3.61 mm/a)、岳阳(3.56 mm/a)、醴陵(3.5 mm/a)、江永(3.47 mm/a)、安仁(3.32 mm/a)、华容(3.23 mm/a)等，其中，仅资兴(5.03 mm/a)通过了显著性检验(p<0.05)，呈显著上升趋势．研究区降水降速较大的区域主要分布在澧水、酉水上游和资水下游，合计25个站点降水呈下降趋势，其中，降速较大的站点主要有古丈(-2.65 mm/a)、龙山(-2.48 mm/a)、武冈(-2.32 mm/a)、花垣(-1.97 mm/a)、新宁(-1.42 mm/a)等，均未通过显著性检验．

1960-2015年，春季降水整体上减少趋势明显，合计87.4%的站点呈下降趋势，其中，保靖、武冈、吉首等7个站点达到了显著性水平(p<0.05)，且洪江呈极显著下降趋势(2.46 mm/a)(p<0.01)，这些具有显著性变化的站点主要分布在大湘西地区； 资兴、江永、攸县等11个站点呈增加趋势，主要分布在湖南南岭地区、湘东南和洞庭湖区北部(图5b)．夏季降水整体增加趋势明显，90%以上的站点呈上升趋势，其中，辰溪、涟源、株洲等8个站点达到了显著性水平(p<0.05)，新化呈极显著上升趋势(3.15 mm/a)(p<0.01)，这些具有显著性变化的站点主要分布在株洲北部、湘中和湘西地区； 古丈、嘉禾、龙山等地呈下降趋势(图5c)．秋季降水合计59个站点呈下降趋势，其余28个站点趋于上升，湘西南和湘南地区减少趋势明显，湘东北及其向东延伸至常德、张家界地区增加趋势明显(图5d)．冬季降水整体上增加趋势最为明显，基本表现为南部增速快，北部相对较慢，仅南岳和沅陵2个站点呈下降趋势，其余85个站点趋于上升，有4个站点达到了显著性水平(p<0.05)，资兴呈极显著上升趋势(2.45 mm/a)(p<0.01)(图5e)．

图5 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水变化趋势空间分布

2.2 湖南省降水量空间分布特征

由图6a可知，湖南省年均降水量大致呈自东南向西北递减趋势，受地形因素影响，有明显的“牛眼”现象．降水高值区始于雪峰山北端，延伸至连云山、罗霄山、八面山和南岭，呈“人”字形与降水匮乏区隔开，年均降雨量最大值出现在南岳(2 023.4 mm)，其次是桂东(1 707.2 mm)和安化(1 704.1 mm)．降水相对偏少区域主要分布在洞庭湖平原、衡邵盆地和湘西南地区，其中新晃最少为1164.3 mm，其次是衡阳县(1 241.3 mm)和安乡(1 246.1 mm)．

春季降水空间分布特征大致与年度降水相似，雪峰山、罗霄山和南岭一带为降水丰富区，澧水流域、酉水流域等降水相对较少(图6b)．夏季降水大致呈自东南、西北向中部递减趋势，除衡邵盆地、洞庭湖区和湘西沅水流域降水量较少以外，其他地区降水量均较多(图6c)．秋季降水空间格局较为复杂，与春季形成强烈对比，一定程度上呈自东南向西北递增趋势，且降水量较春、夏两季普遍减少(图6d)．冬季降雨量相对偏少，高值区域没有其他季节明显，且降水空间格局呈明显的自东南向西北递减趋势(图6e)．

此外，结合图1和图6可知，山区降水明显多于平原和盆地区域．Pearson相关分析发现，研究区年度及夏、秋、冬三季降水与海拔呈极显著正相关(p<0.01)，相关系数分别为0.48，0.589，0.575，0.571，春季降水与海拔呈显著正相关(p<0.05)，相关系数为0.173，表明降水受地形影响较大．例如，南岳、安化、桂东等地海拔较高，从年、季尺度上看皆是区域降水极值区(图6)．

图6 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水空间分布

2.3 湖南省降水量未来趋势

湖南省Hurst指数(H)介于0.008 6～0.740 7之间，高值区位于资兴、宜章、平江、江华和通道等地，低值区位于张家界、慈利、沅陵、泸溪和石门等地(图7a)．安化、安仁、安乡等45个站点的H值在0～0.5之间，其中张家界(0.008 6)和慈利(0.039 8)最为接近0，说明这2个站点的反持续性最强．郴州、辰溪、道县等42个站点的H值在0.5～1之间，其中资兴(0.740 7)最为接近1，表明该站点的持续性最强．永州Hurst指数值最接近0.5，表明其降水时序为随机序列．

结合图5a和图7a进行叠加分析，得到增加转减少、减少转增加、持续增加和持续减少4种降水未来趋势(图7b)．由图7b可知，芷江、绥宁、邵阳市、衡阳县、嘉禾、汝城等地降水呈持续减少趋势，其中江华下降趋势最明显； 资兴、临湘、岳阳、醴陵、江永等地降水呈持续增加趋势，其中资兴上升趋势最明显； 张家界、龙山、花垣、永顺、保靖等地降水趋势由减少转增加，慈利、汉寿、安化等地降水趋势由增加转减少．据统计，湖南省降水未来呈增加趋势的区域比重(60.63%)大于呈减少趋势的区域比重(39.37%)，且未来趋势反持续性的区域比重(51.2%)略高于持续性的区域比重(48.8%)．

图7 湖南省降水Hurst指数(a)及未来趋势(b)

3 结论与讨论

利用湖南省87个站点1960-2015年逐月气候资料，实现了该区域多站点、长时间序列的降水时空特征研究，主要结论如下：

1) 时间上，湖南省年均降水增幅为0.833 4 mm/a，无突变特征．春、夏两季降水量较多，秋、冬两季相对较少，四季降水多年均值分别为500.2，494.2，238.2，179.6 mm，气候倾向率分别为-0.971，1.393 7，-0.199 1，0.633 6 mm/a．春、秋两季多年降水无突变点，夏、冬两季有突变特征．各站点降水变化有增有减，年度降水合计62个气象站点呈上升趋势，春、秋两季分别有76个和59个站点呈下降趋势，夏、冬两季分别有80个和85个站点趋于上升．

2) 空间上，湖南省年均降水大致呈自东南向西北递减趋势，有明显的“牛眼”现象．春季和年度降水空间分布特征相似； 夏季降水大致呈自东南、西北向中部递减趋势； 秋季降水空间格局较为复杂，一定程度上呈自东南向西北递增趋势，且降水量较春、夏两季普遍减少； 冬季降雨量相对偏少，空间格局呈明显的自东南向西北递减趋势．

3) 年尺度Pa显示，降水量在1984-1999年间呈现明显的连续偏枯和连续偏丰现象，2011年为中旱； 2002年为中涝．季尺度Pa显示，春季正负值交替出现，表明降水连丰年和连枯年较少； 夏季降水集中在1963-1970年和1983-1999年这2个时段有明显的连续偏丰、偏枯现象； 秋季降水变化规律与春季类似，但波动幅度较大； 冬季降水整体上偏枯现象较为严重．且研究区发生旱涝的年份秋季最多(28 a)，冬季次之(22 a)，春季最少(8 a)．

4)Hurst指数介于0.008 6～0.740 7之间，高值区位于资兴、宜章、平江、江华和通道等地，低值区位于张家界、慈利、沅陵、泸溪和石门等地．降水未来趋势反持续性的区域比重略高于持续性的区域比重，其中，芷江、绥宁、邵阳市、衡阳县、嘉禾、汝城等地降水呈持续减少趋势，资兴、临湘、岳阳、醴陵、江永等呈持续增加趋势； 张家界、龙山、花垣、永顺、保靖等呈反向增加趋势，慈利、汉寿、安化等呈反向减少趋势．

湖南省位于南方湿润区，受地形、西太平洋副高、社会经济等因素共同影响，形成了典型亚热带季风气候，降水变率大，导致年、季尺度降水的时空差异性，旱涝灾害多发，本文仅讨论了地形对降水变化的影响，后续研究可通过实验或相关性算法挖掘更多因素．此外，空间插值是由点及面的模拟算法，进一步研究可比较不同插值方法误差，选取适合研究区的最优插值方法，以提高空间插值精度．