近53年黄河流域降水时空分布特征

贺俊平，贺 振

商丘师范学院环境与规划学院，河南 商丘 476000

近53年黄河流域降水时空分布特征

贺俊平，贺 振*

商丘师范学院环境与规划学院，河南 商丘 476000

利用黄河流域76个气象台站近53 a（1960—2012）的逐日降水资料，采用国际上通用的极端降水事件指数，应用一元线性回归法、移动平均法和径向基函数空间插值法，研究了黄河流域极端降水指数时空变化特征。结果表明：（1）时间上，黄河流域年平均降水量在过去53 a下降趋势较为显著，降水倾向率为-7.2 mm/10a；极端降水量变化趋势表现较为稳定，极端降水倾向率为-0.64 mm/10a，呈不断降低趋势；极端降水强度倾向率为-0.078 mm/10a，呈不断下降趋势；极端降水比率总体表现为微弱增长趋势，倾向率为0.49 mm/10a。（2）空间上，降水量空间分布具有明显的差异性，由北至南呈阶梯式逐渐增多趋势，其中降水量最少的地区是以银川为代表的周边区域，最多的地区为黄河流域南部区域；极端降水量从北至南也具有逐渐增多态势，与降水量具有相似的空间分布特点，且极端降水量越多的地区降水总量也相对较多；极端降水强度表现出由流域西部向东部逐渐增多的趋势，西部最低值为不到20 mm/d，逐渐向东过渡到最大值为76 mm/d；极端降水比率的分布呈由北向南逐渐递减的特点，并且出现了以银川为中心的极大值和以西安为中心的极小值分布格局。

极端降水；极端降水指数；时空变化；黄河流域

受全球气候变暖和人类活动的影响，极端天气气候事件趋多趋强，已逐渐成为全球主要的气象灾害之一[1,2]。极端天气气候事件在粮食生产、社会经济、水资源、生态安全等方面已产生了巨大影响，正日益引起各国政府和专家学者的重视与关注[3-5]。中国是世界上受气候灾害影响最为严重的国家之一，频发的气象灾害不仅威胁到人民的生命财产安全，而且对社会经济的稳定发展造成了严重影响。

近年来，国内外气象学者利用不同方法，从不同角度对极端天气气候事件进行了大量研究，取得了许多重要的研究成果，对气象灾害的预测、评估起到了非常重要的推动作用。翟盘茂等通过对中国极端降水研究后发现，中国总降水量变化不明显，但降水强度在逐渐增强[6,7]。杨东、杨兴梅等对甘肃黄土高原极端降水的时空分布研究后认为，极端降水在西南部和东北部存在减小趋势，且夏季极端降水的频数和强度在时空上也具有很大的差异[8,9]。佘敦先等分析了淮河流域极端降水事件的时空变化趋势，认为淮河流域大多数站点年最大日降水量有增加的趋势，仅有少数站点有减少的趋势，但趋势均不明显[10]。胡豪然等分析了四川盆地汛期极端降水事件的时空演变特征，认为该区汛期极端降水事件的发生频次分布与降水量分布差异较大，由西向东呈阶梯状递减趋势[11]。李小亚等分析了河西地区极端降水的时空变化特征，结果表明研究区各极端降水指数均呈增加趋势[12]。刘健等分析了近50a来黄河三角洲地区极端降水事件变化特征，结果表明研究区的逐年最大日降水量、强降水日数、强降水强度、暴雨日数和暴雨强度等5个指数均呈现逐步下降趋势[13]。李运刚等基于极端降水指数法分析了红河流域极端降水事件的时空变化特征，结果表明极端降水频次和强度表现出从东南向西北递减的特征[14]。张延伟等对新疆极端降水的空间分布和时间趋势进行了分析，结果表明新疆极端降水事件存在着明显的年代际特征，而且还存在准3 a和7 a的震荡周期[15]。孙凤华等分析了东北地区的暴雨、严重干燥事件等极端降水事件的时空演变特征，并从极端降水事件发生频率和强度变化的角度解释旱涝灾害加剧的原因[16]。肖艳等分析了湘江流域极端降水事件的变化特征，研究了不同强度降水事件的时空分布特征，结果表明湘江流域各极端降水指数均呈增加趋势[17]。李斌等分析了澜沧江流域极端降水变化特征，认为流域总体上极端降水频率的增加态势明显，且极端降水的增加可能与气候系统随机性变强有关[18]。张勇等对中国极端降水事件进行了模拟，认为未来长江流域洪涝灾害事件发生的频率将可能增大[19]。

从以上研究成果可看出，目前关于中国各区域极端降水事件的研究已做了大量工作，也逐渐认识到极端降水事件的巨大危害，并有针对性地提出了许多应对策略与建议。然而，由于受地形、气候等因素的影响，极端降水事件的区域性差异很大，使得其发生、发展的规律和机制并不尽相同。黄河流域主要位于中国的干旱半干旱地区，水土流失面积广、强度大，生态环境极为脆弱，是我国水土保持的重点区域。鉴于此，本文在借鉴前人研究成果的基础上，依据研究区内76个气象站1960～2012年降水日值资料，研究了流域极端降水事件的时空变化，揭示该地区极端降水事件的发生、发展规律，为研究极端天气气候规律积累个案，为提高极端天气气候事件的监测、预测能力，制定国家防御自然灾害规划和可持续发展战略措施提供科学依据。研究成果将对该地区的农业及社会可持续发展起到积极作用，对流域防灾减灾和经济建设具有重要意义。

1 研究区概况

黄河流域地理环境、气候条件十分复杂，其人口、资源、环境与可持续发展一直是人们关注的焦点。黄河流域位于96°～119°E，32°～42°N之间，东西长约1900 km，南北宽约1100 km，流域总面积达80万km2左右。黄河流域幅员辽阔，地形地貌差别很大，从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原四个地貌单元。流域内气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候，西部干旱，东部湿润，且冬干春旱，夏秋多雨。特殊的黄土高原地形地貌环境，使得该区水土流失对降水，特别是极端降水事件具有较强的敏感性，是黄河流域水土流失最严重的地区。因此，研究黄河流域极端降水时空变化对了解流域水土流失和生态环境变化，保护和合理利用水土资源，减少气象灾害，促进经济可持续发展具有十分重要的意义。

2 数据和方法

2.1 数据来源

所用气候数据为中国气象科学数据共享服务网提供的1960～2012年逐日降水实测资料。为了使得研究区内的数据具有连续性和统一性，在选取气象站时，剔除了1960年之后建立的气象站，选择在1960～2012年间连续存在的气象站，最终共有76个气象站符合条件（图1）。其次，所有数据均经过了严格的质量控制和错误值修正。

2.2 数据处理

对于极端降水事件，中国气象局将50 mm的日降水量作为极端降水事件的阈值，但由于研究区特殊的地理位置和气候环境，以及气候存在地域性差异等原因，用50 mm降水作为阈值对于干旱、半干旱地区几乎检测不到极端降水。因此，为克服这种不足，本文采用国际上通用的百分位法来确定各站极端降水事件的阈值。具体方法是：将1960～2012年逐年的日降水量（有降水日）序列由小到大排列，取其第95个百分位数的53 a平均值作为极端降水事件的阈值，当某站某日降水量超过这个阈值时，就认为是一次极端降水事件。为了全面分析黄河流域极端降水事件的时空变化特征，本文选取了4个降水指数（表1）。极端降水量为每年极端降水事件的降水量总和，表征极端降水量的多少。极端降水强度为极端降水量与极端降水天数的比值，强度越大可能造成的危害也越大。降水比率为极端降水量占总降水量的比值，反映极端降水量对总降水量的贡献，在一定程度上也表征极端降水对洪涝等自然灾害的贡献率。

图1 黄河流域气象站分布Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations

表1 极端降水指数定义Table1 Extreme precipitation indices

2.3 研究方法

首先，在确定了极端降水事件阈值的基础上，分别统计黄河流域地区1960～2012年逐年逐站的极端降水指数。其次，逐年计算各指数76个气象站的区域平均值并建立时间序列，采用一元线性回归统计方法和5年移动平均法计算各指数的回归趋势方程和移动平均曲线。其中，若线性回归方程的斜率大于0，表示该指数在53 a间呈上升趋势，反之，表示该指数呈下降趋势。最后，逐站分别计算各指数53 a间的平均值，代表该气象站53a间的极端降水指数值，每个指数共产生76个空间点值，然后利用ArcGIS的径向基函数插值法进行空间插值，形成各指数在区域上的空间连续分布。径向基函数插值法如同将一个软膜插入并严格经过各个已知样点，同时又使表面的总曲率最小，属于精确插值方法。

图2 黄河流域极端降水事件年际变化Fig.2 Annual variation of extreme precipitation indices in Yellow River Basin

3 结果与分析

3.1 极端降水时间变化特征

图2显示了各极端降水指数的年际变化。从降水总量的年际变化曲线可以看出（图2a），在过去53 a，黄河流域年平均降水量呈微弱下降趋势，降水倾向率为-7.2 mm/10a。5年移动平均曲线表明，在1964～1971年间，流域降水总量为正距平，均高于平均值，表明此时段降水相对较多，但总降水量呈不断下降趋势。在1972～1985年间，降水量又出现了不断增长趋势，经历了负-正-负-正距平的较小波动。从1985至2001年，流域降水量出现了多次波动，但总体表现为降水量逐渐减少，由正距平逐渐向负距平转变。在2001～2012年间，降水量在波动中由负距平逐渐向正距平转变，表明此时段降水总量在不断增多。

极端降水量变化趋势表现较为稳定，极端降水倾向率为-0.64 mm/10a，呈不断降低趋势，与53 a平均极端降水量基本持平（图2b）。在1964～1974年间，极端降水量由正距平逐渐向负距平转变，表明降水量在不断减少。从1974至1979年，极端降水量由负距平转向了正距平，表明降水量在不断增加。其后至1985年，极端降水一直处于正距平状态，说明此时段极端降水相对较多。从1986至2001年，极端降水又从上一时段的正距平转变为负距平，并保持相对平稳状态，表明此时段的极端降水一直处于较低水平。从2001年至2012年，极端降水出现了负-正-负-正的较小波动，但总体表现为极端降水增加趋势。

极端降水强度总体变化趋势也比较稳定（图2c），极端降水倾向率为-0.078 mm/10a，呈不断微弱下降趋势，与53 a平均极端降水强度基本持平。在1964～1980年间，极端降水强度在波动中趋于稳定。从1980至1986年，极端降水强度处于正距平，表明此时段极端降水强度相对较大。在1986～1996年间，极端降水强度处于负距平，整体表现为极端降水强度较低。从1996年到2007年，极端降水强度又从负距平转向了正距平，整体表现为快速增长态势，随后至2012年，又转向了负距平，表现为极端降水强度逐渐降低。

黄河流域极端降水比率总体表现为增长趋势，倾向率为0.49 mm/10a（图2d）。在1964～1978年间，极端降水比率在波动中趋于稳定，但一直处于负距平。从1978到1981年，极端降水比率从负距平转向了正距平，表现为不断增长态势。从1981至1993年，极端降水比率又从正距平转向了负距平，表现为极端降水比率逐渐降低。在1993～2007年间，极端降水比率又从负距平转向了正距平，整体表现为增长态势。随后至2012年，又出现了较小的波动，但极端降水比率整体表现为逐渐降低趋势。

3.2 极端降水空间分布特征

图3为1960—2012年各极端降水指数的空间分布。从降水总量空间分布图可以看出（图3a），多年降水总量具有明显的空间差异特性，降水总量由北至南呈阶梯式逐渐增多趋势。其中降水量最少的地区是以银川为代表的周边区域，平均年降水总量仅为143～286 mm，降水量最多的地区为黄河流域的南部地区，平均年降水量为1000 mm左右。

极端降水量空间分布规律与平均年降水量空间分布具有非常相似的变化特征（图3b），极端降水量从北至南也具有逐渐增多态势，且极端降水量较多的地区同时也具有较大的降水总量。在空间分布上，极端降水量最少的地区也是以银川为代表的周边区域，平均年极端降水量仅为54～86 mm之间，极端降水量最多的地区仍是以黄河流域的南部居多。

图3c为极端降水强度空间分布。由图可知，平均年极端降水强度表现出由流域西部向东部逐渐增多的趋势。西部最低值为不到20 mm/d，而逐渐向东过渡到最大值为76 mm/d，表现出明显的由西至东逐渐增大的规律性。

从极端降水比率空间分布可以看出（图3d），平均年降水比率的分布呈由北向南逐渐递减的特点，并且有两个集中区，其中银川附近的极大值为40%左右，而向南逐渐减少，到西安出现了一个极小值，为30%左右。其次，黄河流域西部的极端降水比率也较小，且由西向东逐渐增大。

总的来说，黄河流域降水指数有明显的区域性特点，这主要由流域特定的地形、地貌和地理位置所决定。

图3 黄河流域极端降水事件空间分布Fig.3 Spatial distribution of extreme precipitation indices in Yellow River Basin

4 结论

本研究采用黄河流域76个地面气象站点1960—2012年的逐日降水资料，运用一元线性回归、移动平均法和插值法，分析了研究区53年来极端降水的时空分布特征。总的来说，黄河流域极端降水具有明显的区域性规律：

（1）在时间上，黄河流域年平均降水量在过去的53 a中呈微弱下降的趋势，降水倾向率为-7.2 mm/10a。在1964—1971年间，流域降水总量相对较多。在1972—1985年间，降水量又出现了不断增长的趋势。从1985至2001年，降水量不断减少。在2001—2012年间，降水量在波动中由负距平逐渐向正距平转变，表明此时段降水量总体在不断地增多。

极端降水变化趋势表现较为稳定，极端降水倾向率为-0.64 mm/10a，呈不断降低趋势。在1964～1974年间，极端降水量在不断减少。从1974至1979年，极端降水量在不断增加。其后至1985年，极端降水相对较多。从1986至2001年，极端降水一直处于较低水平。从2001年至2012年，极端降水总体表现为增加趋势。

极端降水强度总体变化趋势也比较稳定，极端降水倾向率为-0.078 mm/10a，呈不断降低趋势。在1964～1980年间，极端降水强度在波动中趋于稳定。从1980至1986年，极端降水强度相对较大。在1986～1996年间，极端降水强度较低。从1996年到2007年，极端降水强度整体表现为快速增长态势，随后至2012年，极端降水强度逐渐降低。

黄河流域极端降水比率总体表现为增长趋势，倾向率为0.49 mm/10a。在1964～1978年间，极端降水比率处于负距平。从1978到1981年，极端降水比率整体表现为不断增长态势。从1981至1993年，极端降水比率表现为逐渐降低。在1993～2007年间，极端降水比率整体表现为增长态势，随后至2012年，又表现出逐渐降低趋势。

（2）空间上，多年平均降水总量具有明显的空间差异特性，降水总量由北至南呈阶梯式逐渐增多趋势。其中降水量最少的地区为以银川为代表的周边区域，降水量最多的地区为黄河流域的南部地区。

极端降水量从北至南也具有逐渐增多态势，且极端降水量较多的地区同时也具有较大的降水总量。极端降水量最少的地区仍是以银川为代表的周边区域，极端降水量最多的地区还是以黄河流域的南部居多。

极端降水强度表现出由流域西部向东部逐渐增多的趋势。西部最低值为不到20 mm/d，而逐渐向东过渡到最大值为76 mm/d，表现出明显的由西至东逐渐增大的规律性。

极端降水比率的分布呈由北部向南逐渐递减的特点，并且有两个集中区，其中银川附近的极大值为40.17%，而向南逐渐减少，至西安出现了一个极小值，为30%左右。

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Spatio-temporal characteristics of extreme precipitation event in Yellow River basin in recent 53 a

HE Junping, HE Zhen
College of Environment and Planning, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, Henan, China

Based on daily precipitation data of 76 meteorological stations in Yellow River basin from 1960 to 2012，four precipitation indices were calculated, the inter-annual change trends were studied by methods of regression analysis and five years moving average, and spatial distribution characteristics of the precipitation indices were analyzed by radial base interpolation. The results show: (1) In time, In the period of 1960～2012, average annual rainfall were significant descend with the rate of -7.2/10a, extreme precipitation was the same descend trend with the rate of -0.64/10a as intensity of extreme precipitation with the rate of -0.07827/10a, extremeprecipitation concentration ratio has increased weakly by the rate of 0.49/10a. (2) In space, the spatial distribution of extreme precipitation indices exhibited notable spatial disparity. Rainfall increased significantly from north to south, and the area with the least rainfall is located in the peripheral region of Yinchuan, the most rainfall in the southern Yellow River Basin. Extreme precipitation showed an increasing trend and the same spatial distribution characteristics as rainfall, and the more extreme precipitation, the more rainfall. Intensity of extreme precipitation had an increasing trend from west to east, and the minimum value of less than 20mm/d in west, maximum value of more than 76mm/d in the east. Extreme precipitation concentration ratio has a decreasing trend from north to south with a maximum value centering on Yinchuan, a minimum value centering on Xi’an city.

extreme precipitation event; extreme precipitation indices; Spatio-temporal characteristics; Yellow River basin

P467

A

1674-5906（2014）01-0095-06

贺俊平，贺振. 近53年黄河流域降水时空分布特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(1): 95-100.

HE Junping, HE Zhen. Spatio-temporal characteristics of extreme precipitation event in Yellow River basin in recent 53 a [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 95-100.

国家自然科学基金项目（41101072）；2011年度河南省科技攻关重点项目（112102210209）；2011年度河南省教育厅自然科学研究计划项目（2011B170007）；2012年度河南省教育厅科学技术研究重点项目（12B420003）

贺俊平（1976年生），女，主要从事区域经济与生态环境研究，E-mail: hejunping_2005@126.com；*通信作者：贺振，男，主要从事遥感定量反演与GIS开发应用研究，E-mail: hezh911@yeah.net

2013-07-06