查顯寶，王雙濤，羅平平*，徐承毅，曹 哲，宋益濤

（1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境與學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，西安 710054）

?水土資源與環(huán)境?

降水時空分布及變化特征分析—以安徽省為例

查顯寶1,2，王雙濤1,2，羅平平1,2*，徐承毅1,2，曹 哲1,2，宋益濤1,2

（1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境與學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，西安 710054）

【目的】探究安徽省降水時空分布及其變化規(guī)律?！痉椒ā炕?960—2019年安徽省24個氣象站點的降水日值數(shù)據(jù)，采用趨勢分析、突變檢驗等方法分析安徽省降水時空分布特征和變化趨勢?！窘Y(jié)果】降水量自北向南遞增，夏季降水量約占全年降水量的40%；降水日呈“南頻北稀”、“山區(qū)多，平原少”的空間分布格局，降水量和降水日的高值中心出現(xiàn)在皖南和大別山區(qū)域，低值中心位于淮北平原。年降水量呈上升趨勢，增加的站點共22個?？偨邓粘蕼p少趨勢，中、小降水日顯著減少，大雨和暴雨的降水日呈增加趨勢。安徽省共12個站點存在降水突變年，僅江淮平原和皖南山區(qū)的降水量存在潛在突變年?！窘Y(jié)論】安徽省降水較為集中，極端降水和洪澇風(fēng)險存在增長趨勢，本研究可為安徽省水資源規(guī)劃利用及旱澇災(zāi)害防控提供借鑒。

降水量；極端降水；降水日；降水趨勢；安徽省

0 引 言

【研究意義】自《聯(lián)合國氣候變化框架公約》通過以來，氣候變化已成為全球熱門的科學(xué)問題，相關(guān)研究得到廣泛關(guān)注，研究內(nèi)容從基本規(guī)律研究上升到對人類社會與氣候系統(tǒng)相互作用的綜合研究[1-2]。氣候變化不僅影響社會和生態(tài)環(huán)境發(fā)展，而且增加了災(zāi)害事件的發(fā)生概率[3-4]。在全球變暖的背景下，海陸間氣壓場重新調(diào)整，全球季風(fēng)及季風(fēng)降水對氣候變暖表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征，改變?nèi)蛩h(huán)過程，造成降水量及其時空分布的不確定性增加[5]。受海陸氣壓場、下墊面、海拔和緯度等因素的影響，不同區(qū)域降水發(fā)生了顯著改變，主要表現(xiàn)為中高緯度降水增加，熱帶和亞熱帶降水減少，極端強降水事件增多[6]。降水作為基本氣候變化要素和陸地水文系統(tǒng)的主要因子，降水量和降水分布的變化將影響地表徑流、土壤水分、地下水儲量等要素的時空分布，并影響洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率，其格局的改變對水資源規(guī)劃與管理會產(chǎn)生直接影響[7]。

【研究進(jìn)展】降水是重要的氣候指標(biāo)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至整個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。全球變暖導(dǎo)致降水時空變化的不均勻性更加突出。董滿宇等[8]基于太湖流域1960—2017年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析太湖流域不同等級降水的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)太湖流域大雨、暴雨的降水量和降水日均呈顯著增加，小雨的降水日呈顯著減少趨勢，小雨強度、年降水強度均顯著增強。鄧海軍等[9]基于1961—2016年全國763個觀測站白晝和夜間的降水觀測數(shù)據(jù)，研究了中國晝夜降水變化的時空格局。孫朋等[10]分析了安徽省夏季降水時空分布變化特點、分配特征及變化規(guī)律。李雙雙等[11]對陜北黃土高原區(qū)極端降水時空變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)陜北地區(qū)降水呈極端化，弱降水日減少，強降水日增加，降水持續(xù)時間呈破碎化趨勢。

【切入點】安徽省地處南北氣候過渡帶，地跨淮河、長江、新安江三大水系，地勢由平原、丘陵、山地構(gòu)成。南北冷暖氣流常交匯于江淮地區(qū)，造成氣候變化復(fù)雜，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[12]。復(fù)雜的氣候和多樣的地貌造成了全省范圍內(nèi)降水分布異質(zhì)性明顯?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究安徽省長時間序列下的降水時空變化特征及其影響因素，可為該地區(qū)抗旱防澇、水資源合理規(guī)劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

安徽省南北跨度較大，長江、淮河將安徽省劃分為淮北平原、江淮平原和皖南山區(qū)三大自然區(qū)域，本研究按此三大區(qū)域分析安徽省降水的變化趨勢（圖1）。考慮到時間序列的一致性和完整性，基于安徽省完整、長期連續(xù)觀測的24個氣象站點1960—2019年共60 a的日值降水?dāng)?shù)據(jù)，個別站點的缺測數(shù)據(jù)由相鄰站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補獲得[13-14]。氣象站點的空間分布見圖1。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn）的中國地面氣候日值數(shù)據(jù)集，土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）。

圖1 安徽省降水站點空間分布及區(qū)域分界Fig.1 Distribution map and regional boundaries of rainfall monitoring stations in Anhui Province

1.2 研究方法

1.2.1 年際變化趨勢

通過線性回歸法計算各站點降水量和降水日的氣候傾向率；采用M-K趨勢檢驗分析長時間序列降水量和降水日的演化趨勢規(guī)律。

1.2.2 季節(jié)變化趨勢

將日值數(shù)據(jù)換算為季值數(shù)據(jù)，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季，計算降水量的季節(jié)變化趨勢。

1.2.3 空間分析

利用ArcGIS 10.5將降水的年、季節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析[15]。

1.2.4 突變檢驗

利用M-K檢驗和滑動t檢驗，分析長時間序列降水量的突變點，當(dāng)2種檢驗方法有共同突變年份時認(rèn)為該年份為潛在突變年[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水時空演變特征

2.1.1 空間分布規(guī)律

安徽省各站點年平均降水量、年降水日、雨強指數(shù)及氣候傾向率等指標(biāo)見表1。年平均降水量最高的站點是黃山（2 364.46 mm），其次是屯溪（1 716.46 mm）、祁門（1 713.65 mm）、東至（1 554.21 mm）和寧國（1 448.66 mm），主要分布在皖西南地區(qū)；年平均降水量最低的站點是碭山（755.41 mm），其次是亳州（798.14 mm）和宿州（858.77 mm）?；幢逼皆械恼军c年平均降水量均小于1 000 mm，江淮平原和皖南山區(qū)僅定遠(yuǎn)站（951.64 mm）的降水量平均值未超過1 000 mm。對各氣象站點60 a的年降水總量進(jìn)行M-K趨勢分析，除亳州站、壽縣站和東至站的降水量呈下降趨勢外，其他站點的年降水量均呈上升趨勢，僅馬鞍山站、巢湖站和屯溪站的Z統(tǒng)計值的顯著性水平超過了0.05，預(yù)計未來降水量仍呈緩慢上升趨勢。通過線性回歸分析對安徽省各站點的降水特征進(jìn)行分析，結(jié)果與M-K趨勢檢驗分析的結(jié)果一致，大部分站點的降水量呈上升趨勢，下降的站點僅有亳州站和東至站。

黃山以年降水日182 d位列第一，祁門（166 d）次之。碭山（85 d）的年平均降水日最少。將各站多年平均降水量除以降水日得到年平均雨強，雨強高值中心位于黃山，達(dá)到12.99 mm/d，其次是太湖（11.81 mm/d）和東至（11.51 mm/d）；蕪湖縣（7.94 mm/d）、馬鞍山（7.96 mm/d）、合肥（8.59 mm/d）和六安（8.76 mm/d）的雨強較小，雨強低值中心主要位于淮北平原?；幢逼皆徒雌皆挠陱娭笖?shù)相近，均小于皖南地區(qū)。通過克里金插值得到年平均降水量和年平均降水日的空間分布（圖2）。年降水量從北到南呈遞增的分布特征，淮北平原、江淮平原和皖南山區(qū)年降水量和降水日差異明顯，淮北平原和江淮平原北部地區(qū)降水趨勢表現(xiàn)為東部降水量略低于西部；皖西南部大別山地區(qū)降水量較高；皖南地區(qū)以黃山為降水量高值中心向周圍遞減（圖2（a））。降水日整體表現(xiàn)為“南頻北稀”，“平原少，山區(qū)多”的地域分布特征?；羯轿挥诖髣e山北麓，年降水日平均值達(dá)到141 d（圖2（b））。

表1 安徽省各氣象站點基本情況Table 1 Basic conditions of various meteorological stations in Anhui Province

注 *表示顯著性檢驗水平超過0.05。

圖2 安徽省降水空間分布及其變化規(guī)律（1960—2019年）Fig.2 The spatial distribution and change of rainfall in Anhui Province (1960—2019)

2.1.2 時間變化趨勢

圖3為安徽省淮北平原（a）、江淮平原（b）和皖南地區(qū)（c）三大區(qū)域近60年的降水變化趨勢。由圖3（a）可知，淮北平原降水量整體有所增加，年際變化傾向率為6.925 6 mm/10 a（ɑ=0.05）。多年平均降水量為863.02 mm，最大降水量出現(xiàn)在2003年，達(dá)到1 384.63 mm，是多年平均降水量的1.6倍；年最低降水量出現(xiàn)在1966年，為528.51 mm。由5 a滑動平均曲線可知，20世紀(jì)70年代—80年代中期，淮北平原降水量處于減少趨勢，2000年后降水量又呈短暫的上升趨勢。

江淮平原1960—2019年降水量呈明顯的增加趨勢，年際變化傾向率為20.367 4 mm/10 a（ɑ=0.05），60 a平均降水量為1 183.67 mm（圖3（b））。最低降水量出現(xiàn)在1978年，為666.00 mm。20世紀(jì)70年代—90年代中期，江淮地區(qū)降水量高于多年平均降水量。

皖南地區(qū)年降水量的增加趨勢明顯，年際變化傾向率為26.942 7 mm/10 a（ɑ=0.05）。60 a平均降水量為1 565.26 mm，最大降水量發(fā)生在2016年，降水量高達(dá)2 316.98 mm，是多年平均降水量的1.48倍，最低降水量出現(xiàn)在1978年，降水量為976.73 mm。20世紀(jì)70年代—90年代后期，皖南地區(qū)降水量基本高于多年平均降水量。（圖3（c））。

圖3 淮北平原、江淮平原及皖南地區(qū)近60年降水變化趨勢（1960—2019年）Fig.3 The trend of precipitation in the Huaibei Plain, Jianghuai Plain and Southern Anhui in the past 60 years

2.1.3 季節(jié)變換特征

安徽省降水存在明顯的季節(jié)變化特征，春、夏、秋、冬四季的多年降水量平均值分別為355.4、576.2、230.1 mm和151.1 mm。夏季對全年降水量的貢獻(xiàn)最大，約占全年降水量40%。除春季外，夏、秋和冬三季的全省降水量均呈上升趨勢，年際傾向率依次為31.207、2.48 mm/10 a和11.359 mm/10 a。皖南山區(qū)4個季節(jié)的降水量均高于淮北平原和江淮平原，其中皖南山區(qū)夏季降水量高達(dá)764.3 mm。淮北平原四季的降水量均呈上升趨勢，江淮平原和皖南山區(qū)春秋季節(jié)降水量呈下降趨勢，夏季和冬季則呈顯著的上升趨勢（表2）。在全球變暖的背景下，氣候的變化改變了水文循環(huán)，造成了冬季和夏季降水量的增加。

通過對各區(qū)域氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)的提取分析，運用Arcgis 10.5軟件中的克里金插值生成安徽省近60年4個季節(jié)的降水量空間分布（圖4）。4個季度的降水量空間分布南北差異明顯，春季年平均降水量變化區(qū)間為160～700 mm（圖4（a）），夏季年平均降水量變化區(qū)間為450～1 050 mm（圖4（b）），秋季年平均降水量變化區(qū)間為160～350 mm（圖4（c）），冬季年平均降水量變化區(qū)間為50～300 mm（圖4（d））。不同地區(qū)降水量差異明顯，皖南山區(qū)和江淮平原西南部的大別山區(qū)降水量較多，淮北平原降水量較少。

表2 安徽省春、夏、秋、冬季節(jié)的降水量分布Table 2 Distribution of precipitation in spring, summer,autumn and winter in Anhui Province

圖4 安徽省春、夏、秋、冬四季降水量的空間分布Fig.4 The spatial distribution of precipitation in spring, summer, autumn and winter in Anhui Province

2.2 不同量級降水日的時間變化趨勢

對各區(qū)域年降水日進(jìn)行線性回歸分析得出，淮北平原、江淮平原和皖南地區(qū)的年降水日均呈下降趨勢，下降速率依次為-2.925、-2.11、-4.314 d/10 a。中國氣象行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，日降水量≥0.1 mm為1個降水日，0.1～9.9 mm為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，≥50.0 mm為暴雨[17]。

基于研究區(qū)具體情況，將小雨和中雨綜合命名為中小雨，主要分析中小雨、大雨和暴雨3種量級，分析降水日逐年變化、降水日平均值、降水日5 a滑動平均值以及降水日變化趨勢，如圖5所示?；幢逼皆⒔雌皆屯钅系貐^(qū)的中小降水日呈下降趨勢，下降速率分別為-2.748 3、-2.409 8 d/10 a和-5.000 5 d/10 a，近年來下降速率有所增長；大雨和暴雨的降水日呈上升趨勢，但淮北平原的大雨降水日增加不明顯。

中小雨、大雨和暴雨的降水日平均值從北到南呈遞增趨勢，3個地區(qū)的中小雨降水日差異明顯，大雨和暴雨的降水日增加不明顯。從5 a滑動降水日平均值來看，中小雨降水日的年代際變化特征明顯，整體呈下降趨勢；大雨降水日和暴雨降水日的年際變化特征不明顯，年變化在多年降水日平均值附近波動，波動幅度較小。中小降雨日減少、暴雨日呈增加趨勢，全球變暖、季風(fēng)氣候等氣候因素是導(dǎo)致這些現(xiàn)象的主要原因。

圖5 淮北平原、江淮平原及皖南地區(qū)不同量級降水日的變化趨勢Fig.5 Variation trends of the number of rain days with different precipitation levels

2.3 降水突變分析

2.3.1 站點年降水量的突變年份分析

對各站點年降水量進(jìn)行滑動t檢驗和M-K趨勢檢驗可知，2種方法存在共同的突變年份（表3）。共有12個站點存在突變年份，分別是淮北平原地區(qū)的碭山（1964）、亳州（2008）、宿州（1965，2013）和蚌埠（2010），江淮平原的定遠(yuǎn)（2014）、六安（2001）、霍山（2000，2001）、桐城（1968）、太湖（1968，2012）和安慶（1968），皖南地區(qū)的祁門（1968，2006）和屯溪（1968）。1968年有多個站點存在突變，這些站點的共同點是分布于皖西南地區(qū)，海拔較高，年降水量豐富。

表3 各站點年降水量的突變年份Table 3 The abrupt year of annual precipitation at each station

2.3.2 區(qū)域年降水量的突變年份分析

表4為淮北平原、江淮平原和皖南山區(qū)年降水量的突變檢驗?zāi)攴??；幢逼皆膖檢驗突變年份為2008年和2009年，M-K趨勢檢驗的突變年份為1962、1965、2003、2006、2007、2015年，二者沒有共同的突變年份，不存在潛在突變年份。江淮平原的滑動t檢驗和M-K趨勢檢驗的共同突變年份為1968年和2012年，為潛在突變年份；皖南地區(qū)的潛在突變年份為2008年。

表4 淮北平原、江淮平原及皖南山區(qū)年降水量突變年份Table 4 The abrupt years of annual precipitation in each region

3 討 論

全球氣候變化、土地利用變化和下墊面變化均是降水時空變化的影響因素，海拔高低對降水量的影響因地區(qū)而異[18]。海陸間熱力效應(yīng)、南北水汽輸送差異造成降水量呈南多北少的趨勢[19]。安徽省屬內(nèi)陸地區(qū)，長江和淮河穿境而過，造成淮北平原、江淮平原和皖南山區(qū)的水汽輸送存在差異，降水量空間上表現(xiàn)為南多北少，山區(qū)多平原少；年內(nèi)分布不均勻，春、夏多，秋、冬少。黃山為安徽省降水量高值中心，側(cè)面反映了降水量受海拔、下墊面條件的影響。任秀真等[20]發(fā)現(xiàn)，安徽省中部江南丘陵區(qū)氣溫高于其他區(qū)域，皖南為降水量高值區(qū)，降水量隨緯度增加而減少，且冬夏季各地區(qū)變化趨勢明顯。

為驗證土地利用變化對降水的影響，選取20世紀(jì)70年代、80年代和2018年共3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖6）。20世紀(jì)70年代—80年代土地利用變化不明顯，這一時期年降水量和降水日在多年平均值附近波動變化。20世紀(jì)80年代—2018年土地利用變化顯著，淮北平原和江淮平原北部建筑用地面積增加，導(dǎo)致耕地、草地和林地減少，間接導(dǎo)致淮北和江淮地區(qū)年降水量表現(xiàn)出增加趨勢。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展是土地利用發(fā)生改變的原因，城市的熱島效應(yīng)和雨島效應(yīng)在不同程度上導(dǎo)致降水時空分布格局產(chǎn)生變化[21-22]。

圖6 安徽省土地利用變化Fig.6 Changes of land use in Anhui

淮北、江淮和皖南地區(qū)近60年降水量呈增加趨勢，整體處于較平穩(wěn)的年際波動狀態(tài)，降水量在多年降水量平均值上下波動。楊祖祥等[23]、Nie等[24]認(rèn)為安徽省全年降水量呈增加趨勢，降水量年際變化特征明顯，與本研究結(jié)果相同。各季節(jié)降水量波動變化較小，變化情況與年降水量變化情況相似。夏季平均降水量占年平均降水的40%，夏季降水量增加是年降水量增加的主要原因[10]。3個地區(qū)的中小雨降水日呈浮動下降趨勢，大雨和暴雨的降水日呈浮動增加趨勢?；诨瑒觮檢驗和M-K突變檢驗，共有12個站點存在突變年份；淮北平原無潛在突變年份，江淮平原的潛在突變年份為1968年和2012年，皖南山區(qū)的潛在突變年份為2008年。降水突變與厄爾尼諾現(xiàn)象存在密切聯(lián)系，在厄爾尼諾年份前后易出現(xiàn)降水異常變化[5,19]。在年降水量增加，降水日減少且存在降水突變年份的形勢下，應(yīng)提防強降水事件和極端氣候事件的發(fā)生，提高相關(guān)職能部門的洪澇、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力[25]。本文以降水的線性趨勢量化降水動態(tài)變化趨勢，對安徽省降水時空分布特征及影響進(jìn)行了探究。未來的研究中將增加站點數(shù)量，考慮氣溫、蒸發(fā)量等多個影響因素，結(jié)合CMIP6氣候模式，深入分析安徽省未來的降水時空變化特征[26]。

4 結(jié) 論

1）年降水量呈上升趨勢，年降水日呈下降趨勢。二者呈“南頻北稀”，“平原少，山區(qū)高”的空間分布特征，形成皖西南山區(qū)降水高值中心和淮北平原降水低值中心。

2）各地區(qū)中小降雨日減小，大雨和暴雨的降水日年際變化特征不明顯；淮北平原和江淮平原雨強相近，均小于皖南地區(qū)。安徽省共12個站點存在降水突變年份。

3）1968年有多個站點存在突變，均分布于皖西南地區(qū)。按區(qū)域進(jìn)行降水量突變檢驗，淮北平原無突變年份，江淮平原的突變年份為1968年和2012年，皖南山區(qū)的潛在突變年份為2008年。

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Spatiotemporal Variation in Precipitation Across Anhui Province

ZHA Xianbao1,2, WANG Shuangtao1,2, LUO Pingping1,2*, XU Chengyi1,2, CAO Zhe1,2, SONG Yitao1,2

(1. School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710054, China;2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region,Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

【Objective】Global warming is expected to increase the frequency of extreme weather events such as floods and droughts; understanding their statistical characteristics is important for developing mitigation strategies.Taking Anhui province as an example, this paper analyzes the change in its precipitation over the past six decades.【Method】Daily precipitation measured from 1960 to 2019 from 24 meteorological stations across the province was used to analyze its spatiotemporal variation using trend analysis and mutation testing.【Result】①Temporally,precipitation in summer in the province accounts for about 40% of the annual precipitation; spatially, precipitation increases from the north to the south, and there are more precipitation and rainy days in the mountainous areas than in the flatted plains. The highest precipitation and rainy days are in Dabie Mountains in the south, and the lowest precipitation is in the Huaibei plain. ②The annual precipitation in 22 stations has been increasing largely due to the increase in heavy rains over the past six decades. ③Among the 24 stations, 12 have seen abrupt changes in precipitation pattern, but all these occurred in Jianghuai plain (1969 and 2012) and the mountainous areas (2008).【Conclusion】The precipitation in Anhui province varies spatially, and the probability of extreme precipitations that lead to flooding has tended to increase. These results provide guidance for improving water resource management and developing mitigation strategies to ameliorate flooding and drought in the province.

precipitation amounts; extreme precipitation; rainy day; precipitation trend; Anhui

P426.61+4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021436

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1672 - 3317（2023）01 - 0112 - 09

2021-09-10

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFE0103800）；長安大學(xué)中央高?；究蒲匈M領(lǐng)軍人才項目（300102299302）；京都大學(xué)防災(zāi)研究所國際合作研究項目（2019W-02）

查顯寶（1995-），男。碩士研究生，主要從事城市水文、海綿城市研究。E-mail: 18712196005@163.com

羅平平（1981-），男。教授，博士，主要從事水文水資源研究。E-mail: lpp@chd.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋