1961-2011年黄淮海地区极端降水时空变化特征*

尹 军，杨志勇，袁 喆，袁 勇

(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京，100038)



1961-2011年黄淮海地区极端降水时空变化特征*

尹 军，杨志勇，袁 喆，袁 勇

(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京，100038)

基于ArcGIS平台，分析了黄淮海地区1961-2011年最大1 d、3 d和5 d降雨的时空变化特征，同时利用Pearson-III分布对其进行拟合，对比1985年前后10年一遇和50年一遇最大1 d、3 d和5 d降雨的变化情况。研究结果表明：1961-2011年黄淮海地区最大1 d、3 d及5 d降水整体有下降趋势，1995年后下降趋势更为明显；海河流域极端降水量下降幅度较大，洪涝灾害风险近年来有降低趋势；淮河流域整体上存在上升趋势，但2005年后出现下降趋势，整体上洪涝风险有加剧趋势。

黄淮海地区；极端降水；时空变化；洪涝灾害

在以增温为主要特征的全球气候变化背景下，水循环速率加快，水循环系统的稳定性降低，极端天气气候事件，特别是极端降水事件，呈现出增加的趋势[1-3]。由此所引发的干旱、洪涝等自然灾害表现出广发、频发的态势，降低了区域生态环境系统的稳定性，约束了社会经济的发展[4-6]。中国是世界上受气候灾害影响最为严重的国家之一，气象灾害每年损失占整个自然灾害损失的70%左右，直接经济损失占国民生产总值的3%～6%。其中，黄淮海地区作为我国重要工业、粮食生产基地，洪涝灾害风险尤为严峻。由于极端降雨事件可能引发洪水[7]，因此进行未来气候背景下极端降水变化规律研究对黄淮海地区洪水管理和风险评价具有重要意义。

最大多日降水变化规律分析是极端降水事件评估的关键[8]，因此本次研究选取最大1 d、3 d、5 d降水来表征区域极端降水，采用GIS技术和时间序列分析方法分析其时空变化特征，并进一步对比1985年前后重现期10年和50年的最大1 d、3 d和5 d降水量的变化。基于上述指数和数据，本文拟对黄淮海地区近几十年来极端降雨时空变化特征进行分析，为研究区洪水管理和风险评价提供参考。

1 研究区概况

黄淮海地区是中国黄河流域、淮河流域和海河流域的总称，包括北京、天津、山东、河北、河南、江苏、安徽、湖北、辽宁、内蒙古、宁夏、青海、山西、四川等2个直辖市、12个省、2个自治区，面积约143.3万km2，位于95°53′～122°60′E，32°10′～43°N之间，包含59个水资源三级区(图1和图2)。黄淮海地区跨越季风气候区、干旱气候区和高地气候区，多年平均降水量为556.0 mm。总人口4.55亿，人口稠密，GDP约占全国GDP的三分之一，是我国政治、经济和文化中心所在地。

2 资料与方法

2.1 数据来源

实测降水资料源于中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)(2 474个国家级地面气象站)，从中选取具有连续降水观测数据系列(1961年1月-2011年12月)且在黄淮海地区四邻点范围内的气象站点实际观测降水资料作为研究的基础数据，累计有1 109个站点被选取(图1)。利用气象站点逐日降水观测数据，生成含有日降水量信息的点矢量图，选取IDW法(Inversed Distance Weighted Method)[9]进行空间插值，生成含有日降水量信息、空间分辨率为5 km×5 km的栅格(GRID)图。在此基础上分析黄淮海地区最大1 d、最大3 d和最大5 d降雨量。

图1 黄淮海地区气象站点分布图

图2 黄淮海地区水资源三级区分布图

2.2 空间趋势分析

研究采用一元线性回归法，分析黄淮海地区最大1 d、3 d、5 d降雨变化倾向率，其公式具体如下：

(1)

式中：Slope是趋势线的斜率；i为年份序号，此处为1～51；n为时间序列长度，此处为51；Ki表示第i年的统计量[10]。

同时采用肯德尔(Kendall)秩相关检验法对时间序列的趋势性进行检验，构造检验统计量U：

(2)

2.3 重现期降水

重现期降水的计算是水利水电工程设计洪水推算中的一个重要参数，也是研究极值分布规律的一个重要目的[12]。由于Pearson-III分布(以下简称P-III分布)具有广泛的概括和模拟能力，在气象上常用来拟合年、月的极值分布[13]，因此，本次研究选用P-III分布来拟合黄淮海地区各单元格年最大1 d、3 d、5 d降雨序列。其中，P-III分布的概率密度函数和保证率分布函数分别为：

(3)

(4)

式中：参数x0(单位：mm)为随机变量x所能取的最小值，α称为形状参数，β为尺度参数，Г(α)是α的伽玛函数，3个参数可通过矩法计算得到[14]。利用已确定的P-III概率分布，可推求不同重现期(此处取T=10和T=50)年最大1 d、3 d和5 d降水量。

3 结果与讨论

3.1 黄淮海地区多年平均最大1 d、3 d、5 d降水时空变化趋势

1961-2011年黄淮海地区最大1d、3d及5d降水整体有下降趋势，在经历了1985-1995年间的明显上升后，1995年至今下降幅度较大。海河流域下降趋势较为明显, 1961-2011年期间，最大1d、3d及5d降水量变化倾向率分别为-1.49mm/10年、-3.56mm/10年和-4.33mm/10年；黄河流域最大1d、3d降水无明显变化趋势，最大5d降水下降幅度相对较大，其变化倾向率为-0.85mm/10年；淮河流域最大1d、3d及5d降水在1961-2011年间整体上有上升趋势，且在1990年代以后处于一个较高的水平，1990年以后多年平均最大1d、3d及5d降水量相对于1990年前分别增加7.6%、8.4%和9.75%，但在2005年后有一定的下降趋势(图3)。

黄淮海地区多年平均最大1d、3d、5d降水量在空间上整体呈现由东南向西北递减的趋势，东南和西北地区差值较大。黄淮海地区多年平均最大1d、3d和5d降水量减少和增加的笼罩面积依次增加。海河流域极端降水量整体上呈减少趋势，淮河流域极端降水量整体上呈增加趋势(图4)。

滦河流域多年平均最大1d降水量减少幅度较大，减少幅度<-3.5mm/10年，其中北三河山区大部分地区、永定河册田水库至三家店区间东部、大清河山区北部、大清河淀西平原北部、大清河淀东平原北部和北四河下游平原西部地区最大1d降水量减少通过显著性检验；海河流域北部和中部、王家坝以上北岸和王家坝以上南岸地区多年平均3d降水量减少幅度较大，减少幅度<-3.5mm/10年，其中滦河平原及冀东沿海诸河、北三河山区、永定河册田水库至三家店区间、北四河下游平原地区以及大夏河与洮河南部地区最大3d降水量减少通过显著性检验；海河流域大部分地区、王家坝以上北岸和王家坝以上南岸地区多年平均最大5d降水量减少幅度较大，减少幅度<-3.5mm/10年，与最大3d降水量变化趋势一致，滦河平原及冀东沿海诸河、北三河山区、永定河册田水库至三家店区间、北四河下游平原地区以及大夏河与洮河南部地区多年平均最大5d降水量减少通过显著性检验。

图3 黄淮海地区1961-2011年最大1 d、3 d、5 d降水量变化趋势

图4 黄淮海地区多年平均最大1 d、3 d、5 d降水时空变化趋势

大汶河中部地区和王蚌区间南岸南部地区多年平均最大1d降水量增加幅度较大，增加幅度>3.5mm/10年，大汶河中部地区增加趋势通过显著性检验；胶东诸河东部、大汶河中部及王蚌区间北岸地区多年平均最大3d降水量增加幅度较大，增加幅度>3.5mm/10年，但仅有胶东诸河西北角小部分地区的增加趋势通过了显著性检验；胶东诸河东部、王蚌区间北岸、高天区及蚌洪区间南岸地区多年平均最大5d降水量增加幅度较大，增加幅度>3.5mm/10年，但仅有王蚌区间北岸中部小部分地区增加趋势通过了显著性检验。

3.2 黄淮海地区不同重现期下最大1 d、3 d、5 d降水时空变化趋势

利用Pearson-III分布对黄淮海地区1961-1985年时段和1986-2011年时段每个栅格最大1d、3d、5d降水量分别进行拟合，推求重现期10年和50年的最大1d、3d和5d降水量(图5和图6)。

研究表明， 黄淮海地区10年一遇和50年一遇最大1d、3d、5d降水量低值区主要为黄淮海地区西北部，高值区主要为滦河平原及冀东沿海诸河、日赣区、沂沭河区、王家坝以上北岸、王家坝以上南岸、王蚌区间南岸，1986-2011年时段与1961-1985年时段相比，滦河平原及冀东沿海诸河、海河流域山区、淮河流域上游地区减少幅度大于20%，淮河流域下游地区、大汶河、湖东区和山东半岛诸河增加幅度较大，大于20%。

图5 黄淮海地区1961-2011年10年一遇最大1 d、3 d、5 d降水

图6 黄淮海地区1961-2011年50年一遇最大1 d、3 d、5 d降水

4 结论

(1)从时间上来说，1961-2011年黄淮海地区最大1d、3d及5d降水整体有下降趋势，1995年后下降趋势更为明显；从空间角度来看，海河流域极端降水量下降幅度较大，淮河流域整体上存在上升趋势，但2005年后出现下降趋势。

(2)黄淮海地区10年一遇和50年一遇最大1d、3d、5d降水量低值区主要为黄淮海地区西北部，高值区主要为滦河平原及冀东沿海诸河、日赣区、沂沭河区、王家坝以上北岸、王家坝以上南岸、王蚌区间南岸，1986-2011年时段与1961-1985年时段相比，滦河平原及冀东沿海诸河、海河流域山区、淮河流域上游地区减少幅度大于20%，淮河流域下游地区、大汶河和湖东区增加幅度较大，大于20%。

(3)海河流域洪涝风险近年来有降低趋势，淮河流域洪涝风险有加剧趋势。淮河上游地区应全面开展生态建设，推进干流骨干水库建设；淮河中游地区应提高堤防标准和河道行洪能力，提高河网连通性；淮河下游地区应加强雨洪资源利用，推进入海水道建设，提高应对洪涝风险能力。

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TemporalandSpatialVariationofExtremePrecipitationinHuanghuaihaiArea, 1961-2011

Yin Jun, Yang Zhiyong, Yuan Zhe and Yuan Yong

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,Beijing100038,China)

BasedontheplatformofArcGIS,temporalandspatialvariationofmaximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysinHuanghuaihaiareafrom1961to2011wasanalyzed.Besides,maximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysin10and50yearreturnperiodbeforeandafter1985werecomparedwitheachother.Theresultsshowthatthemaximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysinHuanghuaihaiareafrom1961to2011arehavingadecreasingtrendonthewhole,especiallyafter1995;thedecreasingtrendismoreobviousinHaiheriverbasin,sotheriskofflooddisasterisdecreasingintherecentyears;Huaiheriverbasinishavinganincreasingtrendonthewholebutitbegantodecreaseafter2005;Huaiheriverbasinisfacinganincreasingriskofflooddisasteroverall.

Huanghuaihaiarea;extremeprecipitation;temporalandspatialvariation;flood

2015-01-09 修改日期：2015-03-09

十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC19B03)；国家自然科学基金项目(51009148,51309129)；国家重点基础研究发展计划“973”计划项目(2010CB951102)

尹军(1988-)，女，山东淄博人，博士，主要从事水文水资源方面的研究. E-mail:yinjun19880209@126.com

杨志勇(1979-)，男，湖南常德人，高级工程师，博士，主要从事水文水资源、分布式水文模拟、气候变化对水资源的影响方面研究. E-mail:yangzy@iwhr.com

P468.024; X43

A

1000-811X(2015)03-0071-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.014

尹军，杨志勇，袁喆，等. 1961-2011年黄淮海地区极端降水时空变化特征[J].灾害学, 2015,30(3):071-075. [Jun Yin, Zhiyong Yang, Zhe Yuan, et al. Temporal and Spatial Variation of Extreme Precipitation in Huanghuaihai Area, 1961-2011[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：071-075.]