1960年_2010年淮河流域降水量时空变化特征_刘丽红_文-分析中国...
王景才+徐蛟+蒋陈娟+黄金柏
摘要：基于淮河上中游流域19个站点1960-2014年的月降水数据，采用气候倾向率、MannKendall趋势分析、变差系数、年内不均匀系数、小波分析、Kriging空间插值等方法，对年降水和主汛期降水的统计特征、趋势和周期性等时间特征及空间分布特征进行研究。结果表明：流域主汛期降水占到年降水的50%以上，地域分布上以东南部和西南部雨量较多。年降水和主汛期降水在年际上分别呈现21～32 a、8～19 a、3～7 a和24～32 a、8～21 a、3～7 a三个时间尺度的丰枯演变特征，同一时间尺度的丰枯变化基本相同。主汛期降水年际[WTB1X]Cv[WTBZ]普遍大于年降水，但空间分布不一致；年降水[WTB1X]Cv[WTBZ]较大值分布于流域西部和北部，较小值分布于流域东部和东南部；主汛期降水年际[WTB1X]Cv[WTBZ]較大值分布于流域西部，较小值分布于流域东北部及蚌埠一带；北部降水的年内分配不均性略大于南部。年降水和主汛期降水的变化趋势均不显著，没有通过95%的置信度检验，但主汛期降水略呈增加趋势而年降水呈微弱下降趋势；年降水在流域北、西和西南部表现为减少趋势，尤以西、西南部较为明显，而流域中、南和东南部主要表现为增加趋势；主汛期降水则从北向南以条带状表现为增加趋势。
关键词：降水；主汛期；时空分布；气候变化；淮河流域
中图分类号：P426文献标识码：A文章编号：
16721683（2017）06005108
Abstract：In order to understand the temporal and spatial distribution characteristics of annual and main flood season precipitation in the upper and middle reaches of Huaihe River basin，we analyzed the monthly precipitation data in 19 meteorological stations during 19602014 by using the climate tendency rate，MannKendall analysis，coefficient of variation，nonuniform coefficient of annual distribution，wavelet analysis，and Kriging methodThe results were as follows：（1） The main flood season precipitation accounted for more than 50% of the annual precipitation，and it tended to concentrate in the southwest and southeastThe annual precipitation showed "wetdry" alternations on the 21～32 a，8～19 a，and 3～7 a time scales，while the main flood season precipitation showed such alternations on the 24～32 a，8～21 a，and 3～7 a time scalesThe "wetdry" alternations on the same time scale were basically identical（2） The coefficient of variation （[WTB1X]Cv[WTBZ]） of main flood season precipitation was generally greater than that of annual precipitation，yet their spatial distributions were differentThe larger [WTB1X]Cv[WTBZ] values of annual precipitation were mainly distributed in the western and northern basin，while the smaller values were in the east and southeastThe larger [WTB1X]Cv[WTBZ] values of main flood season precipitation were distributed in the western basin，while the smaller values were in the northeast and Bengbu areaThe nonuniformity of annual distribution of precipitation in the north was slightly larger than that in the south（3） The variation trends of both annual and main flood season precipitation were not significant，failing the 95% confidence testBut the main flood season precipitation showed a slight increasing trend whereas the annual precipitation showed a slight decreasing trendThe annual precipitation tended to decline in the north，west，and southwest，but it tended to increase in the middle，south and southeastThe main flood season precipitation tended to increase in a striped manner from north to southendprint
Key words：precipitation；main flood season；temporal and spatial characteristics；climate change；Huaihe River basin
气候变化影响全球和区域水循环，导致降水、气温等水热资源的时空分布格局发生改变，从而对自然生态和社会经济系统产生重要影响。在当前全球气候变化的背景下，需加强气候资源变化规律和分布特征的研究。我国降水时空分布极为不均，水资源短缺、旱涝灾害、水生态和环境问题非常突出[1]。淮河流域地处我国南方雨量丰沛和北方干旱少雨的过渡地带，洪涝干旱灾害频发，尤以夏季较为多发暴雨等灾害性天气[2]。对该区域降水特征展开研究，不仅有助于了解气候变化对区域水热条件分布的影响，也有助于区域水资源管理和旱涝灾害防治等。
近年来，已有学者对淮河流域的降水展开了研究。顾万龙等[3]得出1961-2005年淮河流域降水量年内分配规律空间分布不均匀，北部地区的降水不均匀性和集中度比南部更明显，北部易出现干旱。卢燕宇等[4]通过淮河流域四省1961-2005年的降水数据，得出降水量年际波动较为强烈但变化趋势不显著。袁喆等[5]发现1961-2010年淮河流域降水整体略微减少但南部增加北部减少，降水集中在夏季且北部降水更集中，干旱和洪涝发生频繁。郑泳杰等[6]基于1961-2005年的降水资料，得出淮河流域降水过程集中趋势明显，短历时洪水和长历时干旱灾害风险有所增加。叶金印等[7]利用1961-2010年降水资料得出淮河流域年均降水量南多北少的空间分布差异呈增大趋势。而关于主汛期降水的研究方面，如：梁树献等[8]基于1953-1999年6月-8月降水量得出流域旱涝频繁且呈阶段性和连续性，具有前涝后旱的发展趋势。王胜等[9]分析了建站伊始[5]（较早可追朔到1954年）至2007年的主汛期降水，发现存在南部多于北部、山区多于平原、近海多于内陆的特征，旱涝均以南部为主，“旱涝急转”自2000年后频次显著增多。魏凤英等[10]分析了1922-2007年淮河流域夏季降水在不同时间尺度的振荡特征，得出夏季降水存在显著的准2 a周期振荡和30～40 a周期带的年代际振荡特征，6～8 a周期振荡也较为突出，夏季降水自20世纪90年代末以来处在年代际偏多期。21世纪以来，淮河流域夏季多雨带频繁出现，2003年、2005年和2007年更是发生了严重的暴雨洪涝灾害[4，10]；同时该流域旱情发生频次以及干旱程度也呈现新的特点，如2001年春夏秋冬连旱、2002年南四湖地区百年一遇干旱等[4]。
以上研究为认识淮河流域降水特征提供了有力参考，但现有研究针对淮河上中游流域年降水和主汛期降水的对比研究还较少，同时考虑到研究时段长短对时间序列的表现特征具有一定程度的影响，因此，本文基于以上考虑，选取淮河上中游流域1960-2014年的月降水资料，对比分析年降水和主汛期降水的統计特征及趋势变化、周期性等时空分布特点，以期为流域水资源管理、洪旱灾害防治等提供决策参考。
第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月
王景才等·1960-2014年淮河上中游流域年降水和主汛期降水的时空分布特征
1数据和方法
11数据来源
淮河流域以废黄河为界，整个流域分为淮河和沂沭泗河两大水系。本文以废黄河以南和洪泽湖出口中渡以上区域作为研究区，属于淮河上中游流域。该区域大部分地区位于河南中东部、安徽中北部和江苏的西部，是我国重要的工农业产区。
研究所用的数据资料来自中国气象科学数据共享网，已按照数据集说明文档进行质量控制、检验并去除异常值。站点分布见图1，研究时段按年和主汛期进行，该流域主汛期为6月-8月。
12研究方法
121气候倾向率和趋势突变性
气候倾向率是气象学中常用的分析降水线性变
[FK（W]
图1淮河上中游流域区位及气象站点空间分布
Fig1Distribution of metrological stations in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin
化趋势的一种方法[11]。该方法假设有一气候要素
时间序列，以时间t为自变量，气候要素x（t）为因变量，建立一元线性回归方程[12]：x（t）=a0+a1t。式中：t为时间；a0为常数；a1为线性趋势项。a1×10称为气候倾向率[13]。
MannKendall法是世界气象组织推荐并已广泛使用的一种非参数检验方法，既可以检验时间序列变化趋势的显著性也可以进行突变检验[1415]，是水文气象序列研究中常采用的一种方法。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[16]。此检验的基础统计量U，给定显著性水平α，可在标准正态分布表中查出临界值Uα2，常取α=005或001。当α=005时Uα2=196，当α=001时Uα2=258。若|U|>Uα2，则存在显著变化趋势，U为负值时为下降趋势，U为正值时为上升趋势。若|U| 122年际和年内变化系数 年际变化情况采用变差系数[WTB1X]Cv[WT]表示。[WTB1X]Cv[WT]反映某一特征值对其均值的相对离散程度，反映变量在年际间的相对变化程度[17]。不同序列特征值因为均值不同所以采用均方差难以比较其离散程度，用变差系数则可进行不同序列之间的对比。[WTB1X]Cv[WT]值越大，变量的年际变化越大；反之，则变量的年际变化越小。其公式为[18]： [WTB1X]Cv[WT]=[KF（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（xi-[AKx-]）2（n-1）[KF）][AKx-]=[SX（]σ[][AKx-]（1）
式中：xi为年均值，[AKx-]为多年平均值，n为序列长度，σ[HJ22mm]为序列均方差。
年内分配变化情况采用年内分配不均匀系数[WTB1X]Cvy表示。Cvy[WT]值越大，表示变量年内分配越不均匀；反之，则变量年内分配均匀。其公式为[19]：
[WTB1X]Cvy[WT]=[KF（][SX（]1[]12∑[DD（]12[]i=1[DD）]（xi-[AKx-]）2[KF）][AKx-]=[KF（][SX（]1[]12∑[DD（]12[]i=1[DD）]（ki-1）2[KF）]（2）
式中：xi为月平均值，[AKx-]为年平均值，ki为xi的模比系数，ki=xi[AKx-]。
123小波分析
小波分析是在傅里叶变换的基础上构建小波函数，通过一种信号或函数来反映多时间尺度变化的新方法，能够同时从时域和频域揭示不同时间尺度的变化特性[2021]，适合研究具有多时间尺度特性和非平稳特性的水文时间序列[22]。该方法的优势在于借助时频局部化功能剖析出时间序列内部各种周期的强弱和分布情况以及突变点等精细结构，还能分析出主要周期[23]。考虑气候要素演变过程中包含多时间尺度变换特征以及变换的连续性，文中选取Morlet连续复小波变换分析降水的周期变化特征。为消除噪声的影响以及对比年降水和主汛期降水的多时间尺度变化规律，研究基于标准化时间序列进行。
124Kriging空间插值
Kriging方法是建立在地统计基础上的一种插值方法，认为任何在空间连续变化的属性是非常不规则的，简单的平滑函数不足以进行模拟，只可用随机表面函数进行恰当描述。方法的关键在于权重系数的确定，在插值过程中根据某种优化准则函数来动态地决定变量的数值，从而使内插函数处于最佳状态[24]。针对中国区域降水量的研究表明，Kriging 法相较而言插值效果较好，能够较好的反映流域尺度的降水量空间分布格局[4]。
2结果与分析
21时间分布特征
211统计值和年际年内变化
多年均值（表1）主汛期降水占到年降水的比例，全流域为506%、淮河以北为531%、淮河以南为470%。年降水和主汛期降水无论均值还是最大值，淮河以南均大于淮河以北；但最小值上，年降水依旧是淮河以南大于淮河以北，但主汛期降水淮河以南低于淮河以北。
年际降水变化过程方面（图2），无论年降水还是主汛期降水，绝大部分年份中，淮河以南区域平均降水量要大于淮河以北。
年际气候倾向率方面（表1和图3），淮河上中游流域年降水以-04 mm（10a）递减，主汛期降水则以89 mm（10a）递增；对比两者的标准化序列（图3），年降水以微弱递减趋势下降，主汛期降水则以微小趋势递增。年降水在淮河以北的减少幅度非常微小，在淮河以南略大一点。主汛期降水在淮河以北呈现627 mm（10a）的增加趋势，淮河以南则为1293 mm（10a）。年际变化幅度[WTB1X]Cv[WT]方面（表1），主汛期略大于年降水。年降水在淮河南北的變化幅度基本相当，而主汛期降水[WTB1X]Cv[WT]在淮河以北低于淮河以南。从MK检验结果来看，主汛期降水略显增加趋势，而年降水呈微小下降趋势，两者变化均不显著，没有通过95%的置信度检验。
年内分配上（图4），取各个站点降水的逐年每月值，首先计算各站点每月均值，然后按面积权重计算全流域每月均值，进而按式（2）计算年内不均匀系数[WTB1X]Cvy[WT]。经分析发现年内降水主要集中在4月-9月，其中主汛期（6月-8月）均值为4559 mm，占年降水值的比重约为506%。降水年内分配不均匀系数[WTB1X]Cvy[WT]约0918 52，年内分配不均匀。
212周期变化特征
小波实部等值线图（图5）可读取出降水在不同时间尺度的变化特征。流域年降水存在3个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征，丰枯交替在21～32 a尺度上呈现准3次振荡且在分析时段内表现较稳定，8～19 a尺度呈现准6次振荡但表现不稳定，3～7 a尺度振荡较为频繁但也不稳定。主汛期降水也存在3个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征，枯丰交替在24～32 a尺度呈现准3次振荡且在整个分
析时段表现较为稳定，8～21 a尺度呈现准7次振荡，3～7 a尺度丰枯交替较为频繁但在1990以前表
现较为稳定。小波方差（图6）的极值可以读取出降水的主周期时间尺度。年降水第一至五主周期分别为31 a、10 a、13 a、6 a、4 a，主汛期降水第一、二、三主周期分别为13 a、4 a、6 a。
某一时间尺度下的小波系数实部时间变化过程线（图7）可读取出降水在该时间尺度的丰枯交替变化特征。年降水在第一主周期31 a尺度下，丰枯交
替平均周期为10 a左右，在20世纪60、80年代和21世纪初的十年之间表现为丰水而其他时间段为枯水，丰枯交替突变年份基本发生在年代际变化时候，根据2011-2014年表现为枯水期，预计2015-2020年仍为枯水期。主汛期降水在第一主周期13 a尺度下，丰枯交替平均周期为4 a左右，根据丰枯变化规律及2013-2014年表现为丰水年，预计丰水期将持续到2015-2016年，自2017年可能转为偏枯期。根据2016年淮河流域和长江中下游地区梅雨期的实际强降水情况，与根据图7推论出来的2015-2016为丰水期的结论较为一致。文献[25]提到淮河流域夏季降水存在准3 a的显著振荡周期和准10 a的次显著振荡周期以及在20世纪60-90年代呈现准6 a的振荡周期，这一点和本文结果略有出入，概因流域站点多寡以及资料年限不同所引起。诚然，流域站点密度越高和资料年限越长，则分析结果将更为精准。
为对比年降水和主汛期降水在同一时间尺度的丰枯变化，图7另绘制主汛期降水在31 a尺度和年降水在13 a尺度的小波系数实部时间变化过程线，从中可发现年降水和主汛期降水在同时间尺度的丰枯变化规律基本相同。这一现象概因对年降水量贡献较大的主要还是主汛期降水（占到年降水量的506%）的缘故有关。endprint
22空间分布特征
221多年均值的空间分布
年降水和主汛期降水均呈现北少南多的地域分布（图8），流域北部郑州、开封雨量最少，向南依次增多，东南部和西南部雨量较多，尤以流域南端（霍山）最多。两者区别在于主汛期雨量较多地区位于流域西南和东部，而年雨量较多地区位于流域南部。从图8发现主汛期降水多发生在淮河干流的上游、中游偏下区域，这一结果与每年汛期淮河王家坝以上流域经常性的大洪水和洪泽湖区域常发的洪涝现象有所对应，以上区域的防洪形势需要格外关注。
222年际[WTB1X]Cv[WT]及年降水[WTB1X]Cvy[WT]的空间分布
主汛期降水年际[WTB1X]Cv[WT]普遍大于年降水年际[WTB1X]Cv[WT]（图9），主汛期降水的变化幅度较年降水大。其中，年降水年际[WTB1X]Cv[WT]在0229～0257之间，较大值分布于流域西部和北部，尤以驻马店区域为最大值，年际变化程度较其他地区剧烈；较小值分布于流域东部和东南部。主汛期降水年际[WTB1X]Cv[WT]在0332～0457之间，最大值位于流域西部，尤以驻马店区域为最大值，年际变化程度较其他地区剧烈；较小区域则分布于流域东北部徐州-砀山-亳州-宿州一带以及蚌埠一带。
由各站点每月多年均值、年均值计算[WTB1X]Cvy，然后空间插值（图10）。各站点年降水Cvy在 0917～0920之间，系数基本接近。但流域北部Cvy[WT]要略大于南部[WTB1X]Cvy，反映出北[WT]部相对于南部，年降水的年内分配不均匀程度显得稍微大一点，流域北部区域的水资源管理和调配等需要引起重视。
223年际变化趋势和幅度的空间分布
对比图11和图12可以发现在变化趋势方面，年降水和主汛期降水在气候倾向率与MK趋势检验结果的空间分布上接近一致。另外，年降水和主汛期降水MK绝对值均小于196，没有通过95%的置信度检验。两者的时间变化趋势不明显。
年降水氣候倾向率在-14786～1450 mm（10a）之间，以驻马店、信阳、固始、徐州表现为减少趋势[-14～-11 mm（10a）]，以商丘、西华、阜阳、蚌埠、盱眙、霍山为增加趋势[80～145 mm（10a）]，呈现点簇片状分布；年降水MK在-0940～0780之间，年降水MK为较小负值的集中在开封、郑州、砀山、徐州、驻马店、信阳、固始、寿县等地域，MK为较大正值的集中在商丘、西华、蚌埠、盱眙、六安和霍山等地。两种方法显示出年降水的空间变化以流域北部、西部和西南部主要表现为减少趋势，尤以西部和西南部减少较为明显；而流域中部、南部和东南部主要表现为增加趋势。
主汛期降水气候倾向率绝大部分站点在0～20 mm（10a）之间，霍山为287 mm（10a），而仅有很少的站点如亳州、驻马店、徐州、寿县介于-242～-084 mm（10a）之间，减少的趋势非常弱，几乎可以忽略。从整体上来讲主汛期降水呈增加趋势，尤其南部增加趋势更趋明显，呈现条带状分布。主汛期降水绝大部分站点MK为正值，在015～100[JP3]之间；仅有寿县、开封、徐州、驻马店等地介于-032～-002之间，略微小于0；而仅有盱眙、六安、西华、霍山等地介于116～187之间。空间分布总体上是从北到南也呈现条带状分布，尤其以霍山的增加趋势相对明显。
3结论
（1） 淮河上中游流域主汛期降水占到年降水的50%以上，流域东南部和西南部雨量较多，尤以流域南端霍山最多。主汛期期间淮河干流上游防洪和中游偏下区域的洪涝形势依然较为严峻，需要引起防范。
（2） 年降水和主汛期降水均呈现3个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征，同一时间尺度上的丰枯变化规律基本相同。其中年降水丰枯交替在21～32 a尺度上呈现准3次振荡，8～19 a尺度呈现准6次振荡，3～7 a尺度振荡较为频繁；主汛期降水枯丰交替在24～32 a尺度呈现准3次振荡，8～21 a尺度呈现准7次振荡，3～7 a尺度丰枯交替较为频繁。第一至三主周期年降水分别为31 a、10 a、13 a，主汛期降水分别为13 a、4 a、6 a。
（3） 主汛期降[WTB1X]水年际Cv普遍大于年降水，空间分布上并不一致。年降水Cv较大值分布于流域西部、北部，较小值分布于流域东部、东南部。主汛期降水年际Cv较大值分布于流域西部，较小值分布于东北部以及蚌埠一带。北部降水的年内分[WT]配不均性略大于南部。
（4） 年降水和主汛期降水的变化趋势均不显著，但主汛期降水略呈增加趋势而年降水呈微弱下降趋势。空间分布上，年降水以流域北部、西部和西南部主要表现为减少趋势，尤以西部和西南部减少较为明显，而流域中部、南部和东南部主要表现为增加趋势；主汛期降水从北向南增加趋势逐渐明显，呈现条带状分布。
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