何军 冯雅婷 李亚龙 罗文兵 张伟 赵树君 陈鹏

摘要 运用基尼系数法、Hurst系数法从年际降雨序列和年内降雨序列两方面分析四湖流域降雨的变异性，探究变化环境下四湖流域降雨的变化特征。结果表明，四湖流域的年际降雨序列为无变异，但大部分地区的年内降雨基尼系数序列呈现出一定的变异性，其中荆州、潜江站为中变异，洪湖站为弱变异，监利站无变异，年内降雨分配不均匀主要体现在4—8月的降雨量较大，且12月和1月降雨量较少。

关键词 Hurst系数;基尼系数;降雨;变异性;四湖流域

中图分类号 S271;TV93 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）09-0206-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.056

Abstract The Gini coefficient method and Hurst coefficient method were used to analyze the rainfall variability of the Four-lake Watershed from interannual and annual rainfall series， and explore the change characteristics of rainfall changes in the Four-lake Watershed under changing environments.The results showed that there was no variation in the interannual rainfall series in the Four-lake Watershed， and there was some variation in the annual rainfall series in most areas， among which the middle variation was in Jingzhou and Qianjiang stations， the weak variation was in Honghu station， and the no variation was in Jianli station， the uneven distribution of rainfall in the year was mainly reflected by the larger rainfall from April to August and the smaller rainfall in December and January.

Key words Hurst coefficient;Gini coefficient;Rainfall;Variability;Four-lake Watershed

IPCC（AR5）指出，氣候变化速度比预估得更快，极端事件的强度和频率也发生了明显变化[1]。在气候变化过程中，原有的水文序列可能失去了一致性，降雨事件变异尤为突出[2-4]。Hurst系数法是水文要素序列变异分析的常用方法，钱峰等[5]运用Hurst系数法对降雨侵蚀力序列进行分析，从统计学角度将降雨侵蚀力序列的变异程度分级，得到随机序列与确定性序列相组合的降雨侵蚀力序列。谢平等[6]以马口站和三水站为例，运用Hurst系数法对西北江三角洲的水文泥沙序列进行变异性分析，为西北江三角洲的航道整治和防洪决策等提供参考。周丽萍等[7]运用Hurst系数计算方法，结合GIS的空间分析，对安徽省气候的时空变化进行了研究，发现安徽省56年来气候变化存在Hurst现象，降水和气温及其持续性都存在空间差异。四湖流域地处江汉平原腹地，流域面积达11 547 km2，是湖北乃至华中地区重要的农业生产基地。自20世纪50年代后，受人类围湖造田活动的影响，流域湖泊面积持续萎缩[8]，对流域生态环境尤其是农业可持续发展产生不利影响。基于此背景，笔者运用陈鹏等[4，9-10]提出的综合Hurst系数和基尼系数方法，从年际和年内2个角度分析四湖流域降雨序列变异特征，以期为该地区农业生产可持续发展提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

选取四湖流域荆州、潜江、洪湖和监利4个具有代表性的气象观测站，于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn/）收集各站长系列降雨数据。4个气象观测站的基本情况和点位图如表1和图1所示。

1.2 分析方法

基尼系数本是经济学中的概念，用于反映收入分配的均衡程度，基尼系数越大，表示收入分配越不均匀，基本原理及详细步骤参考文献[11]。Hurst系数法中相关函数C（t）与Hurst系数之间的关系式如下[4-10]：

基于Hurst系数和相关函数C（t）的变异程度分级如表2所示。

2 结果与分析

2.1 年际降雨序列变异性

对4个观测站24 h降雨资料累加得到年降雨数据，运用重标极差法求得Hurst系数值和相关函数C（t）值，并结合Hurst系数法的原理，在显著性水平α=0.05和β=0.01的情况下分析，得出结果如表3所示。

表3中，荆州站Hurst系数H=0.644 6

2.2 年内降雨基尼系数变异性

构建水文要素年内分配均匀系数的模型，求得各观测站每年的降雨基尼系数，用来表示降雨的均匀程度，该值越大，则表示降雨均匀程度越低，年内降雨分配越不均匀。从各观测站年内降雨基尼系数序列及其均值（图2）可以看出，荆州站、潜江站、洪湖站和监利站历年降雨基尼系数均有较大的波动，介于0.2～0.6，多年均值均在0.4左右，其中荆州站、潜江站降雨基尼系数均值较大，分别达0.408 2、0.416 2;洪湖站、监利站较小，分别为0.401 5、0.401 8。综合4个测站可知，四湖流域各地年内降雨基尼系数相似，年内降雨分配差距较大，大部分超过了0.4，部分年份甚至高于0.5，年内降雨分配情况不均匀，易出现短时降雨量大的现象，可能是产生洪涝灾害的诱因之一。例如1996年四湖流域出现了40年一遇的洪涝灾害[12]，根据图2计算结果，结合年降雨量资料可知，当年荆州站、潜江站、洪湖站和监利站年内基尼系数分别为0.440 4、0.471 9、0.552 4、0.510 6，均在0.4以上，年降雨量分别为1 383.3、1 417.3、2 004.8、1 733.9 mm，其中洪湖站的年降雨量和降雨基尼系数最高，洪涝情况也最为严重。

从各站点1979—2008年月平均降雨量及其全年占比（图3）可以看出，潜江站和荆州站平均降雨峰值在7月，均高于180 mm，洪湖站和监利站峰值在6月，均高于210 mm，4个地区的整体变化趋势基本一致。年内降雨主要分布于4—8月，荆州站、监利站、洪湖站和潜江站4—8月的降雨量累积占全年比例分别为65.50%、64.41%、63.98%、65.41%;12月和1月的降雨量累积全年占比很少，分别为5.39%、6.74%、6.96%、5.93%。四湖流域的年内降雨分配不均匀主要体现在4—8月的降雨量较大，尤其是在6月和7月，12月和1月降雨量较少。

进一步运用重标极差法对各站降雨基尼系数序列进行变异性分析，结果如表4。由表4可知，荆州站H=0.742 4>hβ=0.692 4，C（t）=0.399 4>rβ=0.305 6，通过了显著性水平β=0.01的假设检验，表明荆州站年内降雨基尼系数序列变异分析结果为中变异，该地区年内降雨基尼系数序列之间存在较强的正相关性，未来的降雨基尼系数序列会受到现在环境改变的影响，且有缓慢上升的趋势。潜江站年内降雨基尼系数序列也呈现出中变异，其年内降雨基尼系数序列之间有缓慢上升的趋势。洪湖站Hurst系数H小于0.744 6且大于0.713 5，相关函数C（t）处于0.344 4～0.403 6，表明洪湖站年内降雨基尼系数序列变异分析结果为弱变异，其年内降雨基尼系数序列之间存在较弱的正相关性。监利站Hurst系数H和相关函数C（t）均未通过显著性水平α=0.05的假设检验，表现为无变异，表明该地区未来年内降雨基尼系数序列的变化趋势几乎不受现在环境改变的影响。

3 结论与讨论

该研究运用Hurst系数和基尼系数法，从年际和年内两方面分析降雨序列的变异性，深入研究了变化环境下四湖流域降雨序列的变异特征，结果表明，荆州站、潜江站、洪湖站和监利站年际降雨序列变异程度均表现为无变异，四湖流域年际降雨量未来变化趋势与环境改变无关。

荆州站、潜江站年内降雨基尼系数序列变异分析结果为中变异，其年内降雨基尼系数序列之间存在较强的正相关性，未来会受到现在环境变化影响，且有缓慢上升的趋势;洪湖站年内降雨基尼系数序列变异分析结果为弱变异，存在较弱的正相关性;监利站表现为无变异。四湖流域年内降雨分配不均匀主要体现在4—8月的降雨量较大，12月和1月降雨量较少。

钟玉华[13]在对三峡大坝建成前后的下游水文气象序列进行变异分析时发现，选取的7个站点中，有5个站的降雨序列均表现为无变异。该研究的研究区域四湖流域亦处于长江中下游，所选4个站点的年际降雨序列也均未发现变异，表明在近几十年的环境改变、人为因素等的影响下，该区域年际降雨序列未受到太大影响。四湖流域年内降雨基尼系数序列之间存在较强的正相关性，未来会受现在环境改变的影响，且有缓慢上升的趋势，因此未来的降雨年内分布不均匀问题会更加突出，农业生产可持续发展规划须予以考虑。

参考文献

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