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21.18×10⁴ km².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.

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.

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).

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I_a，其中，a=1，2，…，d. I_a中每一个元素记为N_k，a，其中，k=1，2，…，n.

2) I_a的均值定义为：

式中：E_a对应每一子序列I_a的均值，为均值序列.

3) I_a对于均值的累积离差定义为：

式中：X_k，a表示每一子序列I_a的累积离差.

4) 极差定义为：

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

5) 子序列I_a的样本标准差表示为：

式中：S_Ia表示每一子序列I_a的标准差.

6) 对于任意R_Ia，均由对应的S_Ia进行标准化，则R/S值定义为：

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.

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 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 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.

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).

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).

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).

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%).

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.