淮河流域汛期候尺度降水集中度与集中期的时序变化特征

叶正伟,殷 鹏

(淮阴师范学院 城市与环境学院,江苏 淮安 223300)

以增暖为主要特征的全球气候变化正显著影响着全球水文循环的改变，表现为区域降水的再分配与调整，包括降水强度、降水集中程度的非平稳性等，并由此出现极端水文事件的异常，导致旱涝灾害加剧[1-2]。

降水集中度与集中期能很好地反映降水过程的时间非均匀性分布特征，是探讨降水量不均匀分布的重要方法，是众多学者关注气候变化下降水特征的热点问题[3-6]。降水集中度的研究可采用不同的时间尺度，包括月尺度、候尺度、日尺度等[6-17]。早在1980年，Oliver就提出了基于月尺度的降水集中度指标[6]，而月尺度的降水集中度分析在意大利、西班牙等被广泛应用[7-9]。Martin-Vide则重点探讨了基于日尺度的降水集中度指数，以在日尺度上描述不同强度降水对总降水的贡献[10]。

我国学者也采用不同尺度降水集中度方法开展了相关研究，月尺度上，李英杰等分析了秦岭南北地区1960—2014年的降水集中度特征，认为秦岭以南降水集中度高于秦岭以北，且秦岭地区降水集中度呈显著上升趋势[11]；张录军等探讨了长江流域不同地段汛期降水的时空分布特征和变化规律[12]；张天宇等认为，在我国暴雨发生年分内，降水集中度与年降水量的正相关区与中国降水空间的分布具有较好的一致性[13]。基于全国范围，佟晓辉等也探讨了1960—2011年中国日降水集中程度的时空变化特征[14]，孔锋等分析了1951—2012年中国降水集中度和集中期的时空格局[15]。日尺度上的降水特性分析也普遍应用于珠江流域[16]、澜沧江流域[17]、淮河上游[18]、西南地区[19]与黄土高原[20]等。

我国东部是季风降水变率较大的地区[21]，受气候变暖的影响亦较为突出，而地处我国南北气候分界过渡带的淮河流域，是我国降水变化异常、旱涝频发的区域，也是气候变化区域响应的典型流域，不少学者已开展了淮河流域汛期降水变化特征的研究[22-23]。周亮广等探讨了1951—2009年淮河流域日尺度的降水集中度特性[22]；邢万秋等分析了淮河流域1957—2008年降水集中度特性的时空规律[23]；李远平等探讨了淮河上游淠河流域汛期降水集中度和集中期的变化特征[24]。

而综合淮河流域降水集中特性的分析来看，月尺度、日尺度的研究已有所展开，但候尺度上的研究并未充分展开，且已有降水集中度特性研究的时间序列亦有待更新。因此，本文针对1960—2014年淮河汛期5—8月的降水变化，基于候尺度，采用降水集中度与集中期方法，探讨淮河流域汛期降水量的时间演化特征，为流域旱涝灾害规律的认识与区域水资源管理和利用提供科学依据。

1 研究区概况

淮河流域地处我国东部，介于长江和黄河两流域之间，位于东经111°55′—121°25′，北纬30°55′—36°36′，面积为27万km2(图1)。流域西起桐柏山、伏牛山，东临黄海，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江分界，北以黄河南堤和泰山为界与黄河流域毗邻，淮河干流发源于桐柏山太白顶北麓，依次流经河南，湖北，安徽，江苏。地貌上，淮河流域西部、西南部及东北部为山区、丘陵区，其余为广阔的平原，平原面积约占总面积的三分之二[22-27]。气候上，淮河流域地处我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带区，淮河以南属北亚热带区，受季风降水影响，冬春季降水偏少，夏秋季降水丰富，冷暖和旱涝转变急剧[22-27]。

图1淮河流域地形与气象站点分布

2 数据处理与研究方法

2.1 数据来源

选用淮河流域30个气象测站点1960—2014年的逐日降水实测数据，站点分布见图1。以候为尺度，研究时段为淮河流域汛期5—8月(第25～49候)，获得不同站点的候降水资料。流域各个站点分布较均匀，且流域边缘皆有控制站点，可代表整体流域范围，故采用算术平均方法获得流域汛期各候的降水数值。所有数据来源于中国气象局气象数据中心的国家气象科学数据共享服务平台(http:∥data.cma.cn/)。所有数据经过质量控制，对个别观测站点存在部分年份数据不连续或缺失情况，采用与其自然环境相似的相邻站点进行替代插补。

2.2 研究方法

应用降水集中度与集中期分析淮河流域汛期降水的时间分布情况。降水集中度(Precipitation Concentration Degree，PCD)和集中期(Precipitation Concentration Period，PCP)是表征单站降水量随时间分配的参数，其定义和计算公式如下[6,14-16]：

(1)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

由以上公式可知，PCD可以反映出研究期内总降水量在每一候分配的集中程度。如果在研究期内，降水总量集中出现在某一候内，那么它们所合成向量的模与降水总量之比为1，表示PCD为最大值，表明降水越集中；如果每一个候内降水量都相等，那么它们各自的分量累加之和为0，则表示PCP是最小值，表明降水量比较均匀。PCP是合成向量的方位角，指示的是每单个候降水量合成后的总体效应，也就是向量合成后其重心所指示的角度，反映了最大候降水量出现的时段(候)[6,14-16,23-24]。

此外，采用Mann-Kendal趋势分析与突变检测方法分析PCD与PCP的时间变化特征[28]，应用小波方法分析PCD和PCP在时序上的周期、相位关系[29-30]。限于篇幅，Mann-Kendall趋势分析与突变检测方法详见文献[28]。Morlet小波周期分析与小波相干(Wavelet Transform Coherence，WTC)方法详见有关文献[29-30]。

3 结果与分析

3.1 汛期降水量的年际变化

淮河流域的降水主要是集中在汛期，1960—2014年流域多年5—8月的汛期平均降水量为550 mm；汛期降水年际间波动频繁(图2A)，变幅较大，最大汛期降水量为2003年的798 mm，最小汛期降水量为1966年的314 mm。汛期降水的总体趋势为波动中微弱上升。而年代际变化上(图2B)，1970s和1990s为汛期雨量偏低时期，尽管1991年淮河流域汛期出现较大洪涝。2000s以来是汛期降水量最高的时代，但降水量自2007年以来持续减少。

图21960-2014年淮河流域汛期降水量及其年代变化

3.2 汛期PCD和PCP的年际变化

淮河流域汛期降水集中度的变化波动较大(图3A)，多年平均值0.296 2，总体呈微弱减小趋势，变化倾向率极小，仅为0.01/10 a；集中度最大的年份为1965年的0.573，最低年份为2013年的0.131 6，变幅达0.441 3，均方差为0.103 6。淮河流域汛期降水集中度变幅较大，这也是流域气象旱涝频繁的主要原因[4,14-15]。降水集中度的不同年代变化上，1960s—2000s的平均集中度分别为0.336 4，0.320 24，0.250 14，0.275 5，0.298 1，以1960s为最集中，1980s最低，且1980s以来都略偏低。

淮河流域汛期降水集中期呈升高变化趋势(图3B)，变化倾向率为0.628/10 a，多年降水集中期均值为38候，也即降水集中出现于7月上旬，降水集中期的均方差为3.732 1。流域集中期最早为1980年的第28候，最迟为1999年的第46侯，变幅相差18候，这也表明淮河流域降水集中期总体波动较大，也是淮河流域汛期旱涝发生时间上变动较大的原因。降水集中期的年代变化上，1960s—2000s的平均集中度分别为37，37，36.1，40，39.1，以1980s为最偏早，1990s以来都较为偏迟。

3.3 汛期PCD和PCP的趋势与突变特征

淮河流域降水集中度与集中期的Mann-Kendall突变检测结果见图4。

由图可知，降水集中度在1983年后出现一次较为明显的突变过程(图4A)，集中度表现为减少的过程，但并未达到0.05置信度水平；自2005年以来，集中度出现多次频繁的波动过程，但皆未明显突变。降水集中度的Mann-Kendall变化趋势统计量为-1.016 3，表明降水集中度为减小的趋势，但变化趋势不显著。

降水集中期上(图4B)，1990年为较明显突变过程，但未达到0.05置信度水平，此后集中期数值为升高过程，也即降水集中期的候数推后。而降水集中期的Mann-Kendall变化趋势统计值为1.896 8，表明集中期数值具升高趋势，但变化趋势不显著。

图31960-2014年淮河流域汛期PCD(A)和PCP(B)的年际变化

图4淮河汛期降水集中度(A)与集中期(B)的Mann-Kendall突变检测结果

3.4 汛期PCD和PCP的周期特征

周期变化上，淮河流域汛期降水集中度PCD在1960s中期具有2 a左右的周期(图5A)，在1991—2004年具有3～5 a左右的周期，且通过显著性水平。汛期集中期PCP的周期在1970s后段存在2 a左右的短周期(图5B)，而在1970—1992年存在显著的6～9 a左右周期变化，这一周期可能与东亚夏季风强弱的变化周期存在关联[4,21]。

小波相干分析显示(图5C)，降水集中度与集中期在1975年左右以及2000年左右存在比较显著的2 a左右的共振周期，而在1975—1985年还具有4～5 a左右的正相位共振周期，二者皆通过95%的显著性水平。

注：图5A，5B中，粗黑等值线包围的范围为通过α=0.05显著性水平下的红噪声谱检验；细黑线为影响锥线；颜色深浅表示功率谱的强度；箭头方向反映了两者的相位关系。

图5淮河流域汛期降水集中度与集中期的变化周期及两者小波相干

4 结 论

(1) 淮河流域汛期降水年际波动频繁，变幅较大，总体为微弱上升趋势；1970s和1990s为汛期雨量偏低时期，而2000s以来是汛期降水量最高的时代。

(2) 降水集中度的变化波动较大，多年平均值0.296 2，呈微弱减小趋势，以1960s为最集中，1980s最低，且1980s以来都略偏低；降水集中度在1983年后出现一次较明显突变过程。降水集中期总体为不显著的升高趋势，多年平均降水集中期出现于7月上旬38候；集中期以1980s最偏早，1990s以来都较偏迟；降水集中期在1990年为明显的突变过程，此后集中期推后。

(3) 周期变化上，汛期降水集中度在1960s中期具有2 a左右的周期，在1991—2004年具有3～5 a左右的周期。汛期集中期在1970s后段存在2 a左右的短周期，而在1970—1982年存在显著的6～9 a左右周期变化。降水集中度与集中期在1975年左右以及2000年左右存在2 a左右的正相位共振周期，而在1975—1985年还具有4～5 a左右的正相位共振周期。