王景才+徐蛟+蔣陳娟+黃金柏

摘要：基于淮河上中游流域19個站點1960-2014年的月降水?dāng)?shù)據(jù)，采用氣候傾向率、MannKendall趨勢分析、變差系數(shù)、年內(nèi)不均勻系數(shù)、小波分析、Kriging空間插值等方法，對年降水和主汛期降水的統(tǒng)計特征、趨勢和周期性等時間特征及空間分布特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：流域主汛期降水占到年降水的50%以上，地域分布上以東南部和西南部雨量較多。年降水和主汛期降水在年際上分別呈現(xiàn)21～32 a、8～19 a、3～7 a和24～32 a、8～21 a、3～7 a三個時間尺度的豐枯演變特征，同一時間尺度的豐枯變化基本相同。主汛期降水年際[WTB1X]Cv[WTBZ]普遍大于年降水，但空間分布不一致；年降水[WTB1X]Cv[WTBZ]較大值分布于流域西部和北部，較小值分布于流域東部和東南部；主汛期降水年際[WTB1X]Cv[WTBZ]較大值分布于流域西部，較小值分布于流域東北部及蚌埠一帶；北部降水的年內(nèi)分配不均性略大于南部。年降水和主汛期降水的變化趨勢均不顯著，沒有通過95%的置信度檢驗，但主汛期降水略呈增加趨勢而年降水呈微弱下降趨勢；年降水在流域北、西和西南部表現(xiàn)為減少趨勢，尤以西、西南部較為明顯，而流域中、南和東南部主要表現(xiàn)為增加趨勢；主汛期降水則從北向南以條帶狀表現(xiàn)為增加趨勢。

關(guān)鍵詞：降水；主汛期；時空分布；氣候變化；淮河流域

中圖分類號：P426文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

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

氣候變化影響全球和區(qū)域水循環(huán)，導(dǎo)致降水、氣溫等水熱資源的時空分布格局發(fā)生改變，從而對自然生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。在當(dāng)前全球氣候變化的背景下，需加強(qiáng)氣候資源變化規(guī)律和分布特征的研究。我國降水時空分布極為不均，水資源短缺、旱澇災(zāi)害、水生態(tài)和環(huán)境問題非常突出[1]?；春恿饔虻靥幬覈戏接炅控S沛和北方干旱少雨的過渡地帶，洪澇干旱災(zāi)害頻發(fā)，尤以夏季較為多發(fā)暴雨等災(zāi)害性天氣[2]。對該區(qū)域降水特征展開研究，不僅有助于了解氣候變化對區(qū)域水熱條件分布的影響，也有助于區(qū)域水資源管理和旱澇災(zāi)害防治等。

近年來，已有學(xué)者對淮河流域的降水展開了研究。顧萬龍等[3]得出1961-2005年淮河流域降水量年內(nèi)分配規(guī)律空間分布不均勻，北部地區(qū)的降水不均勻性和集中度比南部更明顯，北部易出現(xiàn)干旱。盧燕宇等[4]通過淮河流域四省1961-2005年的降水?dāng)?shù)據(jù)，得出降水量年際波動較為強(qiáng)烈但變化趨勢不顯著。袁喆等[5]發(fā)現(xiàn)1961-2010年淮河流域降水整體略微減少但南部增加北部減少，降水集中在夏季且北部降水更集中，干旱和洪澇發(fā)生頻繁。鄭泳杰等[6]基于1961-2005年的降水資料，得出淮河流域降水過程集中趨勢明顯，短歷時洪水和長歷時干旱災(zāi)害風(fēng)險有所增加。葉金印等[7]利用1961-2010年降水資料得出淮河流域年均降水量南多北少的空間分布差異呈增大趨勢。而關(guān)于主汛期降水的研究方面，如：梁樹獻(xiàn)等[8]基于1953-1999年6月-8月降水量得出流域旱澇頻繁且呈階段性和連續(xù)性，具有前澇后旱的發(fā)展趨勢。王勝等[9]分析了建站伊始[5]（較早可追朔到1954年）至2007年的主汛期降水，發(fā)現(xiàn)存在南部多于北部、山區(qū)多于平原、近海多于內(nèi)陸的特征，旱澇均以南部為主，“旱澇急轉(zhuǎn)”自2000年后頻次顯著增多。魏鳳英等[10]分析了1922-2007年淮河流域夏季降水在不同時間尺度的振蕩特征，得出夏季降水存在顯著的準(zhǔn)2 a周期振蕩和30～40 a周期帶的年代際振蕩特征，6～8 a周期振蕩也較為突出，夏季降水自20世紀(jì)90年代末以來處在年代際偏多期。21世紀(jì)以來，淮河流域夏季多雨帶頻繁出現(xiàn)，2003年、2005年和2007年更是發(fā)生了嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害[4，10]；同時該流域旱情發(fā)生頻次以及干旱程度也呈現(xiàn)新的特點，如2001年春夏秋冬連旱、2002年南四湖地區(qū)百年一遇干旱等[4]。

以上研究為認(rèn)識淮河流域降水特征提供了有力參考，但現(xiàn)有研究針對淮河上中游流域年降水和主汛期降水的對比研究還較少，同時考慮到研究時段長短對時間序列的表現(xiàn)特征具有一定程度的影響，因此，本文基于以上考慮，選取淮河上中游流域1960-2014年的月降水資料，對比分析年降水和主汛期降水的統(tǒng)計特征及趨勢變化、周期性等時空分布特點，以期為流域水資源管理、洪旱災(zāi)害防治等提供決策參考。

第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·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時空分布特征

1數(shù)據(jù)和方法

11數(shù)據(jù)來源

淮河流域以廢黃河為界，整個流域分為淮河和沂沭泗河兩大水系。本文以廢黃河以南和洪澤湖出口中渡以上區(qū)域作為研究區(qū)，屬于淮河上中游流域。該區(qū)域大部分地區(qū)位于河南中東部、安徽中北部和江蘇的西部，是我國重要的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)。

研究所用的數(shù)據(jù)資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，已按照數(shù)據(jù)集說明文檔進(jìn)行質(zhì)量控制、檢驗并去除異常值。站點分布見圖1，研究時段按年和主汛期進(jìn)行，該流域主汛期為6月-8月。

12研究方法

121氣候傾向率和趨勢突變性

氣候傾向率是氣象學(xué)中常用的分析降水線性變

[FK（W]

圖1淮河上中游流域區(qū)位及氣象站點空間分布

Fig1Distribution of metrological stations in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin

化趨勢的一種方法[11]。該方法假設(shè)有一氣候要素

時間序列，以時間t為自變量，氣候要素x（t）為因變量，建立一元線性回歸方程[12]：x（t）=a0+a1t。式中：t為時間；a0為常數(shù)；a1為線性趨勢項。a1×10稱為氣候傾向率[13]。

MannKendall法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的一種非參數(shù)檢驗方法，既可以檢驗時間序列變化趨勢的顯著性也可以進(jìn)行突變檢驗[1415]，是水文氣象序列研究中常采用的一種方法。其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[16]。此檢驗的基礎(chǔ)統(tǒng)計量U，給定顯著性水平α，可在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查出臨界值Uα2，常取α=005或001。當(dāng)α=005時Uα2=196，當(dāng)α=001時Uα2=258。若|U|>Uα2，則存在顯著變化趨勢，U為負(fù)值時為下降趨勢，U為正值時為上升趨勢。若|U|

122年際和年內(nèi)變化系數(shù)

年際變化情況采用變差系數(shù)[WTB1X]Cv[WT]表示。[WTB1X]Cv[WT]反映某一特征值對其均值的相對離散程度，反映變量在年際間的相對變化程度[17]。不同序列特征值因為均值不同所以采用均方差難以比較其離散程度，用變差系數(shù)則可進(jìn)行不同序列之間的對比。[WTB1X]Cv[WT]值越大，變量的年際變化越大；反之，則變量的年際變化越小。其公式為[18]：

[WTB1X]Cv[WT]=[KF（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（xi-[AKx-]）2（n-1）[KF）][AKx-]=[SX（]σ[][AKx-]（1）

式中：xi為年均值，[AKx-]為多年平均值，n為序列長度，σ[HJ22mm]為序列均方差。

年內(nèi)分配變化情況采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)[WTB1X]Cvy表示。Cvy[WT]值越大，表示變量年內(nèi)分配越不均勻；反之，則變量年內(nèi)分配均勻。其公式為[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為月平均值，[AKx-]為年平均值，ki為xi的模比系數(shù)，ki=xi[AKx-]。

123小波分析

小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上構(gòu)建小波函數(shù)，通過一種信號或函數(shù)來反映多時間尺度變化的新方法，能夠同時從時域和頻域揭示不同時間尺度的變化特性[2021]，適合研究具有多時間尺度特性和非平穩(wěn)特性的水文時間序列[22]。該方法的優(yōu)勢在于借助時頻局部化功能剖析出時間序列內(nèi)部各種周期的強(qiáng)弱和分布情況以及突變點等精細(xì)結(jié)構(gòu)，還能分析出主要周期[23]?？紤]氣候要素演變過程中包含多時間尺度變換特征以及變換的連續(xù)性，文中選取Morlet連續(xù)復(fù)小波變換分析降水的周期變化特征。為消除噪聲的影響以及對比年降水和主汛期降水的多時間尺度變化規(guī)律，研究基于標(biāo)準(zhǔn)化時間序列進(jìn)行。

124Kriging空間插值

Kriging方法是建立在地統(tǒng)計基礎(chǔ)上的一種插值方法，認(rèn)為任何在空間連續(xù)變化的屬性是非常不規(guī)則的，簡單的平滑函數(shù)不足以進(jìn)行模擬，只可用隨機(jī)表面函數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)描述。方法的關(guān)鍵在于權(quán)重系數(shù)的確定，在插值過程中根據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則函數(shù)來動態(tài)地決定變量的數(shù)值，從而使內(nèi)插函數(shù)處于最佳狀態(tài)[24]。針對中國區(qū)域降水量的研究表明，Kriging 法相較而言插值效果較好，能夠較好的反映流域尺度的降水量空間分布格局[4]。

2結(jié)果與分析

21時間分布特征

211統(tǒng)計值和年際年內(nèi)變化

多年均值（表1）主汛期降水占到年降水的比例，全流域為506%、淮河以北為531%、淮河以南為470%。年降水和主汛期降水無論均值還是最大值，淮河以南均大于淮河以北；但最小值上，年降水依舊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。

年際降水變化過程方面（圖2），無論年降水還是主汛期降水，絕大部分年份中，淮河以南區(qū)域平均降水量要大于淮河以北。

年際氣候傾向率方面（表1和圖3），淮河上中游流域年降水以-04 mm（10a）遞減，主汛期降水則以89 mm（10a）遞增；對比兩者的標(biāo)準(zhǔn)化序列（圖3），年降水以微弱遞減趨勢下降，主汛期降水則以微小趨勢遞增。年降水在淮河以北的減少幅度非常微小，在淮河以南略大一點。主汛期降水在淮河以北呈現(xiàn)627 mm（10a）的增加趨勢，淮河以南則為1293 mm（10a）。年際變化幅度[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當(dāng)，而主汛期降水[WTB1X]Cv[WT]在淮河以北低于淮河以南。從MK檢驗結(jié)果來看，主汛期降水略顯增加趨勢，而年降水呈微小下降趨勢，兩者變化均不顯著，沒有通過95%的置信度檢驗。

年內(nèi)分配上（圖4），取各個站點降水的逐年每月值，首先計算各站點每月均值，然后按面積權(quán)重計算全流域每月均值，進(jìn)而按式（2）計算年內(nèi)不均勻系數(shù)[WTB1X]Cvy[WT]。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)年內(nèi)降水主要集中在4月-9月，其中主汛期（6月-8月）均值為4559 mm，占年降水值的比重約為506%。降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)[WTB1X]Cvy[WT]約0918 52，年內(nèi)分配不均勻。

212周期變化特征

小波實部等值線圖（圖5）可讀取出降水在不同時間尺度的變化特征。流域年降水存在3個不同時間尺度的“豐-枯”演變特征，豐枯交替在21～32 a尺度上呈現(xiàn)準(zhǔn)3次振蕩且在分析時段內(nèi)表現(xiàn)較穩(wěn)定，8～19 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)6次振蕩但表現(xiàn)不穩(wěn)定，3～7 a尺度振蕩較為頻繁但也不穩(wěn)定。主汛期降水也存在3個不同時間尺度的“豐-枯”演變特征，枯豐交替在24～32 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)3次振蕩且在整個分

析時段表現(xiàn)較為穩(wěn)定，8～21 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)7次振蕩，3～7 a尺度豐枯交替較為頻繁但在1990以前表

現(xiàn)較為穩(wěn)定。小波方差（圖6）的極值可以讀取出降水的主周期時間尺度。年降水第一至五主周期分別為31 a、10 a、13 a、6 a、4 a，主汛期降水第一、二、三主周期分別為13 a、4 a、6 a。

某一時間尺度下的小波系數(shù)實部時間變化過程線（圖7）可讀取出降水在該時間尺度的豐枯交替變化特征。年降水在第一主周期31 a尺度下，豐枯交

替平均周期為10 a左右，在20世紀(jì)60、80年代和21世紀(jì)初的十年之間表現(xiàn)為豐水而其他時間段為枯水，豐枯交替突變年份基本發(fā)生在年代際變化時候，根據(jù)2011-2014年表現(xiàn)為枯水期，預(yù)計2015-2020年仍為枯水期。主汛期降水在第一主周期13 a尺度下，豐枯交替平均周期為4 a左右，根據(jù)豐枯變化規(guī)律及2013-2014年表現(xiàn)為豐水年，預(yù)計豐水期將持續(xù)到2015-2016年，自2017年可能轉(zhuǎn)為偏枯期。根據(jù)2016年淮河流域和長江中下游地區(qū)梅雨期的實際強(qiáng)降水情況，與根據(jù)圖7推論出來的2015-2016為豐水期的結(jié)論較為一致。文獻(xiàn)[25]提到淮河流域夏季降水存在準(zhǔn)3 a的顯著振蕩周期和準(zhǔn)10 a的次顯著振蕩周期以及在20世紀(jì)60-90年代呈現(xiàn)準(zhǔn)6 a的振蕩周期，這一點和本文結(jié)果略有出入，概因流域站點多寡以及資料年限不同所引起。誠然，流域站點密度越高和資料年限越長，則分析結(jié)果將更為精準(zhǔn)。

為對比年降水和主汛期降水在同一時間尺度的豐枯變化，圖7另繪制主汛期降水在31 a尺度和年降水在13 a尺度的小波系數(shù)實部時間變化過程線，從中可發(fā)現(xiàn)年降水和主汛期降水在同時間尺度的豐枯變化規(guī)律基本相同。這一現(xiàn)象概因?qū)δ杲邓控暙I(xiàn)較大的主要還是主汛期降水（占到年降水量的506%）的緣故有關(guān)。endprint

22空間分布特征

221多年均值的空間分布

年降水和主汛期降水均呈現(xiàn)北少南多的地域分布（圖8），流域北部鄭州、開封雨量最少，向南依次增多，東南部和西南部雨量較多，尤以流域南端（霍山）最多。兩者區(qū)別在于主汛期雨量較多地區(qū)位于流域西南和東部，而年雨量較多地區(qū)位于流域南部。從圖8發(fā)現(xiàn)主汛期降水多發(fā)生在淮河干流的上游、中游偏下區(qū)域，這一結(jié)果與每年汛期淮河王家壩以上流域經(jīng)常性的大洪水和洪澤湖區(qū)域常發(fā)的洪澇現(xiàn)象有所對應(yīng)，以上區(qū)域的防洪形勢需要格外關(guān)注。

222年際[WTB1X]Cv[WT]及年降水[WTB1X]Cvy[WT]的空間分布

主汛期降水年際[WTB1X]Cv[WT]普遍大于年降水年際[WTB1X]Cv[WT]（圖9），主汛期降水的變化幅度較年降水大。其中，年降水年際[WTB1X]Cv[WT]在0229～0257之間，較大值分布于流域西部和北部，尤以駐馬店區(qū)域為最大值，年際變化程度較其他地區(qū)劇烈；較小值分布于流域東部和東南部。主汛期降水年際[WTB1X]Cv[WT]在0332～0457之間，最大值位于流域西部，尤以駐馬店區(qū)域為最大值，年際變化程度較其他地區(qū)劇烈；較小區(qū)域則分布于流域東北部徐州-碭山-亳州-宿州一帶以及蚌埠一帶。

由各站點每月多年均值、年均值計算[WTB1X]Cvy，然后空間插值（圖10）。各站點年降水Cvy在 0917～0920之間，系數(shù)基本接近。但流域北部Cvy[WT]要略大于南部[WTB1X]Cvy，反映出北[WT]部相對于南部，年降水的年內(nèi)分配不均勻程度顯得稍微大一點，流域北部區(qū)域的水資源管理和調(diào)配等需要引起重視。

223年際變化趨勢和幅度的空間分布

對比圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)在變化趨勢方面，年降水和主汛期降水在氣候傾向率與MK趨勢檢驗結(jié)果的空間分布上接近一致。另外，年降水和主汛期降水MK絕對值均小于196，沒有通過95%的置信度檢驗。兩者的時間變化趨勢不明顯。

年降水氣候傾向率在-14786～1450 mm（10a）之間，以駐馬店、信陽、固始、徐州表現(xiàn)為減少趨勢[-14～-11 mm（10a）]，以商丘、西華、阜陽、蚌埠、盱眙、霍山為增加趨勢[80～145 mm（10a）]，呈現(xiàn)點簇片狀分布；年降水MK在-0940～0780之間，年降水MK為較小負(fù)值的集中在開封、鄭州、碭山、徐州、駐馬店、信陽、固始、壽縣等地域，MK為較大正值的集中在商丘、西華、蚌埠、盱眙、六安和霍山等地。兩種方法顯示出年降水的空間變化以流域北部、西部和西南部主要表現(xiàn)為減少趨勢，尤以西部和西南部減少較為明顯；而流域中部、南部和東南部主要表現(xiàn)為增加趨勢。

主汛期降水氣候傾向率絕大部分站點在0～20 mm（10a）之間，霍山為287 mm（10a），而僅有很少的站點如亳州、駐馬店、徐州、壽縣介于-242～-084 mm（10a）之間，減少的趨勢非常弱，幾乎可以忽略。從整體上來講主汛期降水呈增加趨勢，尤其南部增加趨勢更趨明顯，呈現(xiàn)條帶狀分布。主汛期降水絕大部分站點MK為正值，在015～100[JP3]之間；僅有壽縣、開封、徐州、駐馬店等地介于-032～-002之間，略微小于0；而僅有盱眙、六安、西華、霍山等地介于116～187之間?？臻g分布總體上是從北到南也呈現(xiàn)條帶狀分布，尤其以霍山的增加趨勢相對明顯。

3結(jié)論

（1） 淮河上中游流域主汛期降水占到年降水的50%以上，流域東南部和西南部雨量較多，尤以流域南端霍山最多。主汛期期間淮河干流上游防洪和中游偏下區(qū)域的洪澇形勢依然較為嚴(yán)峻，需要引起防范。

（2） 年降水和主汛期降水均呈現(xiàn)3個不同時間尺度的“豐-枯”演變特征，同一時間尺度上的豐枯變化規(guī)律基本相同。其中年降水豐枯交替在21～32 a尺度上呈現(xiàn)準(zhǔn)3次振蕩，8～19 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)6次振蕩，3～7 a尺度振蕩較為頻繁；主汛期降水枯豐交替在24～32 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)3次振蕩，8～21 a尺度呈現(xiàn)準(zhǔn)7次振蕩，3～7 a尺度豐枯交替較為頻繁。第一至三主周期年降水分別為31 a、10 a、13 a，主汛期降水分別為13 a、4 a、6 a。

（3） 主汛期降[WTB1X]水年際Cv普遍大于年降水，空間分布上并不一致。年降水Cv較大值分布于流域西部、北部，較小值分布于流域東部、東南部。主汛期降水年際Cv較大值分布于流域西部，較小值分布于東北部以及蚌埠一帶。北部降水的年內(nèi)分[WT]配不均性略大于南部。

（4） 年降水和主汛期降水的變化趨勢均不顯著，但主汛期降水略呈增加趨勢而年降水呈微弱下降趨勢?？臻g分布上，年降水以流域北部、西部和西南部主要表現(xiàn)為減少趨勢，尤以西部和西南部減少較為明顯，而流域中部、南部和東南部主要表現(xiàn)為增加趨勢；主汛期降水從北向南增加趨勢逐漸明顯，呈現(xiàn)條帶狀分布。

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