芜湖市1880—2019年近140年的降水量特征变化见图3A所示,年降水量呈现微弱的增加趋势,递增率仅为2.0 mm/10 a,但芜湖市百年降水有明显的年代际、年际间差异。降水最多的年份为2016年(1 984.2 mm),降水最少的年份为1978年(564.2 mm),相差3倍以上。从9点滑动平均的时间序列可以看出,20世纪初1905—1920年降水量异常偏多,其次20世纪50年代、80年代-90年代初期、2010s年代后期芜湖市均呈现降水量偏多的态势。19世纪80年代后期-90年代、20世纪20—30年代、60—70年代降水偏少。近140年来,芜湖市年降水量共经历了4次偏多—偏少间的年代际转换,因此芜湖市少雨期和多雨期呈现交替分布的格局。

图3 芜湖市1880-2019年降水量时间序列

芜湖市春季降水量总体呈现较明显的递减的趋势(图3B),递减率为3.4 mm/10 a。春季降水异常偏多的年份主要在1930年之前,最多的年份春季降水量可高达690.9 mm(1885年),该年份春季降水量甚至多于夏季。最低的年份春季降水量仅仅为119.3 mm(1917年)。20世纪初—1920年、20世纪50年代、90年代春季降水量偏多,19世纪90年代、20世纪20年代、21世纪以来春季降水量偏少。从累积距平变化可以看出,20世纪以来,春季降水量递减速度明显加快,递减率达到39.4 mm/10 a。其中,1880—1940年年际间变化最为剧烈,此时春季出现旱涝的概率最大。

芜湖市夏季降水量是呈明显的增加趋势(图3C),递增率为4.8 mm/10 a,特别是近70 a来,夏季降水的递增速度加快,递增率高达6.7 mm/10 a。累积距平场上也显示自1980年来夏季降水量一直维持正距平增加的趋势。夏季降水量最大值出现在1954年(1 028.1 mm),最小值出现在1900年(115.1 mm)。从9 a滑动平均序列图看出,20世纪初-1920年、20世纪50年代、80年代至今,芜湖市夏季降水量偏多; 19世纪90年代、20世纪20—30年代、70年代夏季降水量偏少,夏季降水量也呈现干、湿交替的年代际变化。

芜湖市秋季整体无明显的增加或减少趋势(图3D),秋季最大降水量出现在1983年(629.5 mm),最小降水量出现在1898年,季度降水量仅17.8 mm,属于严重的秋季干旱。秋季降水异常偏多的年份主要在1910年之前和1980年之后,1911—1979年之间秋季降水变化平稳,没有出现明显的极值。20世纪初-1920年、60—80年代,2015年至今,芜湖市秋季降水量偏多; 19世纪90年代、20世纪20—30年代、50年代、90年代秋季降水量偏少。

芜湖市冬季降水量为微弱的增加趋势(图3E),递增率为2.2 mm/10 a。冬季最大降水量出现在1905年(436.6 mm),最小降水量出现在1893年(32.8 mm)。芜湖市冬季降水量变化比较平缓,年代际变化较小。20世纪初-1920年、50年代、21世纪以来冬季降水量偏多,20世纪60年代、80年代冬季降水量偏少。但这种年代际变化的变率明显小于夏季和全年降水量。

总体来看,19世纪90年代,除了1895年左右秋季降水偏多,其他各月降水量均为负距平。1900—1920年基本呈现四季一致正距平,异常强降水主要集中在6—9月,对全年降水量增加的贡献最大。20世纪20—30年代则呈现完全相反的趋势,除了个别年份外,3—10月维持持续的负距平,故全年降水量也呈现明显的递减趋势。40年代降水变化平缓; 50年代5—7月降水异常偏多,9—11月降水偏少。60年代则与50年代呈现相反的季节分布。70年代9—11月降水偏多,其他月份维持降水负距平。80年代-90年代初期,夏季降水一直维持正距平,这也与之前的分析一致。2000年左右夏季降水明显偏少,但进入21世纪以来,6—9月的降水量持续增多。芜湖市夏季降水量的变化趋势与全年降水量变化最为一致,两者相关系数高达0.79,说明夏季降水量的年代际变化对全年降水量起决定性作用。

图4A中清晰的显示了年降水量小波变换系数的实部的波动特征,具体反映了芜湖市年降水量偏多和偏少交替变换的特性。可以看出,芜湖市年降水量存在40 a,10 a,5 a左右的准周期振荡。从模平方时频分布结果可得:40 a时间尺度的周期振荡最为显著,在这个尺度上共出现了干、湿交替4次,这一点与年降水量序列变化结论一致。1990年之前,年降水量一直存在准10 a的周期,但这种周期在近20 a变得不再显著。5 a左右的周期变化时间较短,且不连续,波动能量集中在1900—1920年,2000—2019年。总体来看,准40 a的周期振荡贯穿整个140年,是影响未来芜湖地区降水量的主要时间尺度。

图4B显示,在整个时间域上芜湖市春季降水量具有80 a尺度的年代际变化周期。另外,芜湖市春季降水也存在在30～40 a的周期变化; 1940—1980年存在准20 a周期变化; 1880—1940年、1880—2019年为准10 a周期变化。但整体信号强度明显比年降水量弱,这说明春季降水量的周期振荡并不十分显著。其中,10 a时间尺度的周期表现最强,其他长周期波动能量较弱。

从图4C可以看出,夏季降水量的周期变化特征与年降水量十分相似,但周期振荡时段与年降水量有所不同。夏季降水量小波实部等值线在40 a左右的振荡最为明显。除此之外,芜湖市夏降水量一直存在准10 a的周期,但在1880—1940年、1950—1980年波动最为显著。1890—1920年、1970—2019年,芜湖市夏季降水量还存在准5 a的周期变化。但夏季降水量的准10 a 、5 a周期的振荡中心与年降水量的振荡中心不同。

由图4D可见,秋季降水量整个周期上存在60 a的年代际变化周期,1960年之前存在30 a的周期,这两个周期主要集中在2000年之前,另外在整个时间域上具有10 a尺度的变化周期,并且周期振荡十分显著。

冬季降水量在整个时间域上存在80 a的年代际变化周期(图4E),除此之外,20世纪60年代之前存在20～25 a的变化周期,但这种变化周期在1960—2000年之间缩短至15 a左右,2000年之后,又变成了20 a左右的周期变化。另外,20世纪40年代之前芜湖市秋季降水还存在10 a的周期变化。综上所述,芜湖市年、四季的降水量均存在多个周期,且有一致的准10 a周期,但在长周期上分布有所不同。

图4 1880-2019年芜湖市降水量的Morlet小波变换实部

芜湖市百年降水量序列较长,除了存在周期性变化,还存在变化显著的年份,需要进行突变检验。不同的突变检验方法各有优缺点,本文采用Mann-Kendall检验并结合图3的累积距平对芜湖市百年年降水量、四季降水量的突变特征进行分析。若某时段内UF和UB曲线交点太多,则没有明显的统计学意义。去除掉交点太多的时段后,芜湖市年降水量的UF和UB主要相交于1901年、1924年、1954年、2014年(图5A),这些年份也是累积距平场上的转折年份,说明这些年份降水量变化幅度较大。图5B显示春季降水量UF和UB在1901年、1925年、2002年、2014年相交,考虑到累积距平(图3B)的变化,确定1901年、1925年、2002年为春季降水量的突变年。夏季降水量的UF和UB曲线交于1885年、1905年、1921年、2006年(图5C),由于累积距平中2006年不是转折年份(图3C),确定1885年,1905年,1921年为夏季降水量突变年,结合夏季降水的周期变化和年代际变化特征,这3个年份降水都有明显的转折,具有气候学意义。秋季降水量UF和UB主要相交于1901年、1922年、1977年、1984年、2011年(图5D),在累积距平曲线上(图3D)除了1977年,其他年份都是转折年,因此1901年、1922年、1984年、2011年秋季降水量增多或减少显著。MK检验(图5E)和累积距平(图3E)均显示冬季降水量的突变年为1997年,这表明1997年之后,冬季降水量呈现明显的上升趋势。