引言

黄石市地处湖北省东南部，位于长江中游南岸, 幅员面积4 583 km²；境内地势西南高、东北低，由西南向东北倾斜；境内湖泊众多，湖泊总承雨面积达2 470 km²。黄石市现有3个国家气象监测站，其中黄石站建于1954年1月、阳新站建于1957年4月、大冶站建于1973年1月。随着经济社会的快速发展，这3个国家气象站监测的气象资料难以满足当地气象防灾减灾、国民经济建设和生态文明建设的需要，黄石市从2005年开始建设区域自动气象监测站。截止2017年, 黄石市共建成95个区域自动气象监测站，其中2005年27个，2006年1个，2008年9个，2011年14个，2012年42个，2015年和2016年各1个。目前黄石市共有98个自动气象监测站，覆盖了全市所有7个县(市、区)、44个镇(乡)。

有关黄石市降水特征和规律方面的研究不多。胡昌琼等^[1]对湖北梅雨期降水集中度和集中期进行了研究，该研究表明梅雨期降水集中度20世纪60—70年代呈减小趋势，80年代至21世纪前7 a呈现增大趋势。何书樵等^[2]对近50 a(1960—2011年)长江中下游地区降水特征进行了分析, 分析表明长江中下游地区近50 a来降水呈上升趋势，但不显著；降水强度突变时间发生在2000年左右，降水日数等的突变发生在1970年左右。吴翠红等^[3]对近10 a(1999—2009年)湖北省强降水时空分布特征进行了分析，分析表明，湖北省强降水源地主要位于鄂西北山区和江汉平原南部。韩雪婷等^[4]对黄石市气候变化对城市发展的影响进行了分析，分析表明，近60 a(1954—2013年)来黄石市年降水量整体变化趋势不明显，近10 a降水量处于相对偏少的时期。这些研究在一定程度上反映了黄石市的降水分布特点和规律，但均未能全面反映黄石市降水的时空分布特征。本文采用黄石市已有的98个自动气象监测站近60 a的降水资料，对该市的降水时空分布特征和变化规律进行细致地分析。

1 资料与方法 1.1 资料说明

本文分析资料为黄石市所有国家气象站和区域自动气象站自建站以来逐月A文件所包含的气象资料，其中黄石国家站756个、区域站1 360个；阳新国家站717个、区域站2 928个；大冶国家站528个、区域站3 028个。A文件中各气象要素资料均为小时监测资料。

1.2 研究方法 1.2.1 资料处理方法和质量控制

对于A文件所包含的小时资料，本文按照气象行业标准《地面气象观测资料质量控制》 ^[5] (QX/T 118-2010)和《地面气象观测规范第22部分观测记录质量控制》 ^[6](QX/T 66-200)的规定进行质量控制，并参考《气象监测中降水资料的质量控制》 ^[7]一文中降水资料的质量控制方法对小时降水量进行气候界限值检查、时间序列一致性检查和累计降水量空间一致性检查，以确保资料的正确性。

按照《地面气象观测规范第18部分：月地面气象记录处理和报表编制》 ^[8](QX/T 62-2007)的资料整编方法，将小时资料处理后整理成日资料、候资料、月资料和年资料。其中黄石国家气象站日资料包括平均气压、平均气温、最高气温、最低气温、水汽压、相对湿度、降水量、蒸发量、平均地面温度、地面最高温度、地面最低温度、日照时数共12个要素；日资料整编成候资料时，降水量、蒸发量和日照时数求候合计值，其余要素均求候平均值。

1.2.2 候降水量模拟方法

鉴于黄石国家气象站建站时间最早、观测的气象要素最全，选取黄石站为基准点，阳新、大冶国家站和95个区域站的候降水序列与黄石站上述12个气象要素候值序列进行逐步回归^[9]，逐站建立通过信度为95%检验的候降水量回归方程，用得到的回归方程模拟上述各站1958年1月第1候至自建站前一月的第6候的降水量。若模拟的降水值小于0，则取为0；若某站由候降水量计算得到的年降水量小于500 mm，则在构建降水量要素场时剔除该站点。

1.2.3 降水时空分布特征分析方法

本文拟借助经验正交函数^[9](Empirical Orthogonal Function，缩写为EOF)分析方法和旋转经验正交分解(REOF，下同)分析方法对黄石市1958—2017年降水量进行分析。E0F分析方法可以把随时间变化的气象要素场分离成不随时间变化的空间函数和只依赖时间变化的时间函数两部分，其中空间函数部分可以表征气象要素的地域分布特点，时间函数部分可以表征气象要素随时间的变化规律。REOF分析方法可以对EOF分析中累积方差贡献率达指定程度(如85%)的特征向量进行极大方差正交旋转，或者只针对通过显著性检验的特征向量进行极大方差正交旋转，使分离出的典型空间模态上只有某一较小区域上有高载荷，其余区域均接近于0，从而使空间结构变得更简化、更清晰、更能反映不同地域的空间特征。要对黄石市降水量进行EOF和REOF分析，则必需构建黄石市较长时期的降水量要素场，而黄石市虽有98个气象监测站监测有降水资料，但绝大多数站点是2005年以后新建的区域自动监测站，缺乏2005年以前的降水资料。为解决这一问题，本文以黄石国家气象站1954年以来的监测资料为基础，采用候气象资料逐步回归分析方法模拟其它各站各年各月各候的降水量，从而构建1958—2017年共60 a黄石市年、月等时间尺度的降水量要素场。

首先对构建的要素场矩阵进行标准化处理，得标准化矩阵X，并计算矩阵X与其转置矩阵X^T的交叉积，得相关数矩阵A，然后采用Jacobi法求出矩阵的特征值λ、特征向量V和时间系数Z，并分析各特征向量的贡献率以及前P（本文取P为10）个特征向量的贡献率，并根据相邻两个特征值的差值Δ_i及允许误差e_i判断特征值是否显著。

$ {\Delta _i} = {\lambda _i}-{\lambda _{i-1}} $

(1)

$ {e_i} = {\lambda _i}\sqrt {2/n} $

(2)

若Δ_i ≥ e_i则该特征值显著，否则为不显著。

取特征向量V通过显著性检验的特征向量进行极大方差旋转，当前后两次旋转方差差值满足精度要求（如方差差值/初始方差 < 0.01），则停止旋转，从而得到各因子的方差及方差贡献率、旋转后的特征向量B和旋转后的时间系数G。

$ X = BG $

(3)

2 结果与分析 2.1 降水基本特征

黄石市平均年降水量为1 441 mm、汛期(5—9月)降水量为848 mm，汛期降水量占年降水量的59%，说明黄石市年内降水主要集中于汛期，但汛期降水量与非汛期降水量比较，其优势并不十分显著，非汛期降水量也不可小视。

黄石市1958—2017年平均降水量总体呈增多的趋势(图 1)，但从年代际变化来看，20世纪60年代—90年代降水量呈增多趋势，而21世纪00年代明显减少，其平均值甚至低于20世纪60年代。21世纪10年代平均降水量高于20世纪80年代、略低于90年代。

从逐年全市平均降水量来看，1998年是近60 a降水量最大年，全市平均降水量达1 888 mm；其次是2016年，全市平均降水量为1 856 mm，1983年居第三，全市平均降水量为1 760 mm。

全市平均年降水量变化趋势与黄石国家气象站年降水量变化趋势基本一致，其相关系数达0.9667。

汛期降水量变化趋势与年降水量变化趋势基本相同，不再赘述。

由黄石市所有气象站自建站以来实测降水量计算得到全市各月平均降水量(图 2)，由图可见，黄石市月降水量呈单峰型分布，分布曲线的偏度系数为0.832、峰度系数为-0.282，在α=0.05显著性水平下，黄石市月降水量近似遵从正态分布。其偏度系数为正，月降水量分布顶峰偏左，顶峰出现在6月(258.6 mm)；其峰度系数为负，月降水量分布图形坡度较为平缓。1—6月降水量呈逐月增多的趋势，7—12月呈逐月减少的趋势，其中5月降水量较4月降水量略有减少，这可能与5月西太平洋副热带高压脊线位于15°N附近、主要雨带位于华南、到达长江中下游地区暖湿气流相对偏干、北方冷空气势力相对偏弱有关。

1958—2017年年平均年降水量、汛期降水量和非汛期降水量空间分布如图 3a-c所示。由图可见，不论是年降水量、汛期降水量或者非汛期降水量，大冶市降水量明显多于阳新县和黄石市区；全市最大降雨区主要集中于大冶市南部山区，以刘仁八镇为中心向两侧展开；年降水量不足1 200 mm主要位于阳新县西南部、东部和大冶市北部和东北部。

2.2 降水量空间分布特征

对1958—2017年黄石市平均年降水量进行EOF分析，其结果中前10个特征值累积方差贡献率达到97.63% (见表 1)，其中第1特征值贡献率最大，为83.74%，第2特征值贡献率为3.83%，第3特征值贡献率为2.44%，第4特征值贡献率为2.05%，其余特征值贡献率小于2%。前10个特征向量中序号为1、2、5、6、7的特征向量显著，这5个特征向量累计贡献率为91.33%；其余向量的特征值均不显著。

对上述前10个特征向量中的5个显著性因子进行极大方差旋转，旋转后各特征向量方差贡献率累积值仍为91.33%(表 2)，第1特征向量的贡献率仍最大，为45.30%，比EOF分析中的83.74%明显减小，第2特征向量的贡献率由3.83%增大为29.03%，第5特征向量的贡献率由1.71%增大到13.08%，第6特征向量的贡献率由1.16%增大为1.44%，第7特征向量的贡献率由0.90%增大为2.48%。

对上述5个显著性因子进行极大方差旋转后，得到特征向量的5个模态值，各模态特征值分布如图 4所示。从各模态特征值来看，前三个模态平均特征值逐模态递减，第一模态平均特征值为0.66、第二模态平均特征值为0.52，第三模态平均特征值为0.34，而第四模态大部地区特征值为负值，仅有4个较小区域为正值，其特征值的绝对值的平均为0.10；第五模态大部地区特征值为正值，仅在大冶市殷祖镇出现负值，特征值的绝对平均值为0.13。

从第一模态特征值分布来看，黄石市年降水量南部和北部地区与中部地区差异明显，而第二模态与第一模态的分布大体相反。第三、第四和第五模态各站点差异总体偏小。

2.3 年降水量区域划分

对经过旋转经验正交分解后各站点的5个模态特征值进行比较，取其绝对值最大的特征值所在的模态序号为该站的分类值，从而将黄石市年降水空间分布分为3个类型，分区结果如图 5所示。从分区结果来看，第3类仅有1个站点，本文将其忽略，因此黄石市年降水量主要分为两种类型。

由于黄石市地处长江沿岸，而且湖泊众多，湖泊总承雨面积占全市面积的54%，各大水体对当地气候，特别是对局地降水有着不可忽视的影响，因此将这2个区域分别命名为丘陵及水体影响区(Ⅰ区)、山地陆面影响区(Ⅱ区)。

丘陵及水体影响区(Ⅰ区)，包括阳新县的龙港镇、洋港镇、排市镇、木港镇、枫林镇、富池镇、县城区、黄颡口镇、韦源口镇，黄石港区、西塞山区、下陆区、铁山区，以及大冶市除保安镇、灵乡镇、刘仁八镇、殷祖外的其余地区。

山地陆面影响区(Ⅱ区)，包括阳新县的王英镇、浮屠镇、陶港镇、太子镇以及大冶市的刘仁八镇、殷祖镇和灵乡镇等山区，此区域正好是黄石市西南部海拔高度在80 m以上的区域。

2.4 年降水量时间变化特征

第1时间系数对应着特征向量的第1模态，主要反映丘陵及水体影响区(Ⅰ区)降水随时间的变化特征。第1时间系数的变化如图 6a所示，由图可知：（1）第1时间系数基本反映出1958—2017年逐年平均降水量的变化特征，第1时间系数与年降水量的相关系数为0.733，达到极显著水平。（2）负值年份数多于正值年份数，负值年数为35 a、占有58%，正值年数为25 a、占42%，反映出黄石市出现大范围强降水的机率不大。（3）时间系数值的正值振幅大于负值振幅，正值平均标准差为0.823、负值标准差为0.447，说明黄石市多雨年份年降水量明显偏大、强度偏强。（4）黄石市年降水量阶段性变化较明显，1958—1968年降水量以偏少为主，存在着一定程度的旱灾；1969— 1999年降水量以偏多为主，存在着一定程度的洪灾，1998年、1969年和1977年洪涝灾害尤为突出；2000—2014年除2010年外其余年份全为负值，说明这一时段年降水量明显偏少，旱灾较为突出；负值较大的2011—2013年黄石市出现了较严重的干旱。

第2时间系数对应着特征向量的第2模态，其主要反映山地陆面影响区(Ⅱ区)降水随时间的变化特征。第2时间系数的变化如图 6b所示。从中可见：（1）其负值年份数多于正值年份数，负值年数为34 a、占有57%，正值年数为26 a、占43%，说明这一区域与丘陵及水体影响区(Ⅰ区)一样，出现大范围强降水的机率不大。（2）时间系数值的正值振幅大于负值振幅，正值标准差为0.652、负值标准差为0.285，正值标准差是负值标准差2倍多，说明这一区域多雨年份降水量更大、强度更强。（3）第2时间系数阶段性变化与第1时间系数有相似之处，也有明显的不同；1958—1974年降水量以偏少为主；1975—1999年降水量偏多偏少的年份接近，可以说是旱涝交错；2000—2012年降水以偏少为主，为相对最干旱的一个时段；2013—2017年降水量明显偏多偏强，2014—2016年连续3 a出现较严重的洪涝灾害。

其它时间系数与第1和第2时间系数相似，在此不再讨论。

3 结论与讨论

(1) 黄石市年降水量年代际变化明显，20世纪60—90年代降水量逐渐增多，21世纪00年代明显偏少，10年代恢复至20世纪80—90年代水平。近60 a来，最大年降水量出现在1998年(全市平均1 888 mm)，其次是2016年(1 856 mm)，再其次是1983年(1 760 mm)。

(2) 采用REOF方法清晰地分析出贡献率最大的两个特征向量的空间分布呈现出明显的相反状态，第一特征向量与第二特征向量相关系数达-0.739(P < 0.01)。第一特征向量的空间分布基本代表了黄石市丘陵区及水体区，第二特征向量的空间分布基本代表了黄石市西南部山区。

(3) 按照取绝对值最大的特征值所处序号为站点分类值的区划方法，将黄石市划分为丘陵及水体影响区(Ⅰ区)和山地陆面影响区(Ⅱ区)两个区域，Ⅱ区对应的区域正好是黄石市西南部海拔高度在80 m以上的区域，这两个区域基本代表了黄石市年降水量的空间分布特征。丘陵及水体影响区范围是山地陆面影响区的两倍多。

(4) REOF分析出的第1和第2模态的时间系数基本反映出黄石市两类降水时间变化规律，二者降水强度同号的年数占72%，如1998年、2016年、1983年，两个区域年降水量均较大，只是强度有所不同，1998年Ⅰ区略强于Ⅱ区，2016年和2013年Ⅱ区明显强于Ⅰ区；不同号的年份占28%，如2013年、2014年，Ⅱ区年降水量明显大于Ⅰ区。

(5) 2010年第1模态和第2模态的时间系数异号，其绝对值均为近60 a的最大值，显得异常突出，分析2010年黄石市各站年降水量，发现该年Ⅱ区降水量异常偏大，大多数站点在1 600~2 000 mm之间，其中军垦站1 828 mm、灵乡站2 005 mm；而Ⅰ区不少站点年降水量不足1 200 mm，从而导致其时间系数呈现出异常差异。