海河流域不同降水极值的时空变化分析

郭彦涛

(河北省邯郸水文水资源勘测局，河北 邯郸 056000)

0 引 言

自然灾害给全球社会、经济、环境和人类生活造成巨大的影响，其一直是公众关注的焦点。在所有诱发自然灾害的因素中，水文极端事件(如洪水、山洪、暴雨、严重干旱等)是最主要和最严重的自然灾害，其发生频率较高，对人民生命和社会经济及稳定造成着巨大的影响。在最近几十年，在气候变化和人类活动的影响下，水文极端事件和水害发生的时间、频率和强度以及持续时间一直在增加[1]。降水极值是最常见的水文极值事件之一[2-3]。中国北方的海河流域是一个受气候变化和人类活动影响很大的流域，其面临着严重的水资源短缺问题。海河流域是中国的政治、经济和文化中心[4]。本文选择海沙流域作为研究区，因为其经济在急剧增长、人口密集和城市化程度很高，但流域内的水资源有限。目前，随着人口和经济的快速增长，对流域水资源的可持续性提出了严峻而紧迫的挑战[5]。了解降水的时空变化将是海河流域开展防洪和水资源管理的重要一步。在以前的研究中，对降水极值变异性的研究有限，且没有对水库进行系统的管理，导致流域内洪水和干旱的控制困难，水资源利用效率低下。

本文对1961-2010年期间海河流域降水极值的时间和空间变异性进行研究，分析4种日降水情景的变化及海河流域暴雨和干旱中心，研究城市化对海河流域降水极值变异性的影响，研究结果可为海河流域防洪和水资源规划与管理提供参考。

1 研究区概况

海河流域位于N35°-N43°和E112°-E120°之间，流域面积为318 200 km2。流域内的所有河流的发源地为太行山，并向东流，通过多个河流出口排入渤海。海河流域仅占中国总面积的3.3%，其流域内人口占中国总人口的10%，国内生产总值占15%[6-10]。

2 数据来源

本文采用48个气象站观测的日降水量数据，数据来自中国气象局气象数据共享服务网(http://data.cma.cn/)[11-12]。数据时间为1961-2010年，无缺失数据。测站均匀覆盖整个流域。其中，30个气象站位于海河流域内，剩余18个气象站位于海河流域外。后者用于海河流域边界周围栅格降水数据的插值，进行空间插值主要是为了直观呈现流域不同位置降水极值的相对变化幅度和空间变异性。

3 研究方法

本文对日降水极值的范围进行了分类，分别为0 mm/d(P0)、10～20 mm/d(P10)、20～50 mm/d(P20)、大于50 mm/d(P50)，其分别反映了干旱、中雨、大雨和暴雨。为了分析降水极值随时间的变化，每个栅格的降水序列均被平均划分为50年，并采用降水的出现时间和平均变幅来描述降水极值的变化。M-K(Mann- Kendall)趋势检验[13]被广泛用于时间序列分析，本文在95%置信水平下采用M-K方法分析降水极值的变化趋势。

Mann-Kendall非参数检验[13]被广泛用于检测气象要素时间序列的趋势变化及是否发生显著性变化。其计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

最终计算获得的Z值被用于判断时间序列的变化趋势。当Z>0时，表明时间序列趋势增加；当Z<0时，表明时间序列趋势减小。在显著性水平α下，当|Z|≥Z1-α/2时，表明时间序列存在显著性变化趋势。本文采用0.05显著性水平，|Z0.05|等于1.96。

4 结果分析

4.1 日降水量的时空变异性

图1给出了海河流域日降水量的平均值和标准偏差值。从空间上看，从西北部山区到东南部平原，日降水量在逐渐增加，其平均值为1.4 mm/d，约500 mm/a，均值大致位于流域中的山地和平原之间的边界。中部五台站的日降水量较大，表明山区对降水的变异性具有调节作用。最大降水量出现在渤海北部(冀东平原)，北部准化站和青龙站观测的日降水量较大。从时间上看，20世纪80-90年代，日降水量随年份显著减少。山区和平原的日降水量变化明显不同。在西北部山区，日降水量从60年代到2000年代逐渐增加；而在东南部平原地区，日降水量从60年代到90年代减少，然后在2000年代继续增加；随着时间的推移，冀东平原的日降水量表现出显著的下降趋势。与20世纪60年代相比，在2000年，降水量为1.4 mm/d的等高线向北京市东南部移动了100 km以上。

图1 海河流域日降水量的平均值(a)和标准偏差值(b)Fig.1 Average value (a) and standard deviation value (b) of daily precipitation in Haihe River Basin

日降水量标准差的空间变异性与平均值的空间结果相似，其大小范围分别为3.8～11.3、3.8～11.7、3.7～9.0、4.0～9.1和3.6～9.2。显然，在山区日降水量的波动小于平原地区。在20世纪80年代之前，标准差的最大值出现在冀东平原，但在20世纪90年代后出现在南部海河流域。标准差越大越能反映降水波动更剧烈以及降水极值出现的频率越高。海河流域日降水量的标准差随年份的增加而减少，其有利于水资源的利用；而降水减少将导致海河流域水资源的严重短缺。

图2给出了过去50年海河流域降水极值大于10 mm/d所占的百分比。由图2可以看出，P10、P20和P50降水量的极值占山区年降水量的50%以上，平原地区超过70%，东南海河流域高达85%。随着时间的推移，其在海河流域中所占的百分比变得越来越小，在95%的置信水平下，在统计学意义上其下降趋势并不显著，其Z值为1.145。

4.2 降水极值的变异性

图3给出了海河流域不同时间段内的干旱天数。与流域其他位置相比，海河流域没有发生降水的干旱天数在中东部频率最高。20世纪80年代后，五台山和东北海河流域几乎没有出现干旱天气。从时间上看，1961-1990年，干旱日数和干旱范围随着年份的增加而增加，但此后干旱范围变得越来越小。

图2 海河流域降水极值大于10mm/d所占的百分比Fig.2 Percentage of Precipitation Extreme Value over 10mm/d in Haihe River Basin

图3 海河流域不同时间段内的干旱天数Fig.3 Drought Days in Different Time Periods in Haihe River Basin

图4给出了海河流域P10出现的次数和平均变化幅度。过去50年来，P10极值的空间变化较相似。与中部海河流域 (小于100天)相比，P10在五台山地区、冀东平原和东南海河流域的边界(大于120天)出现的频率较高。在过去50年，P10极值的平均变化幅度没有明显的差异(表1)，但降雨中心随地区位置的变化而变化。P10极值中心位于冀东平原、五台山和东南部海河流域，20世纪60年代位于冀东平原和南部海河流域，20世纪80年代位于冀东平原和东南部海河流域，20世纪90年代位于冀东平原和西北部海河流域，2000年代位于中部和东南部海河流域。可以看出，P10极值中心随着时间的推移并没有表现出规律性的变化。

图4 海河流域P10出现的次数和平均变化幅度Fig.4 The frequency and average variation of P10 in Haihe River Basin

变量指标1961-19701971-19801981-19901991-20002001-2010P0天数2935～30962974～31432457～30812783～31082724～3115P10次数63～11050～10759～16559～11660～103平均值 /mm13.45～14.6413.46～14.7213.46～14.8913.37～14.9613.47～14.72P20次数29～8229～8026～8335～7330～89平均值 /mm23.37～33.7223.77～33.0021.00～31.9928.04～33.3820.00～32.08P50次数1～292～311～282～311～32平均值 /mm50.00～99.9250.00～92.0350.00～111.5455.99～99.5350.00～84.17

图5给出了海河流域P20降水极值出现的次数和平均变化幅度。与P10极值不同，与中北部相比，东部和南部海河流域P20极值出现的频率更高，特别是在冀东平原。P20极值在海河流域的许多地区随着时间的推移而减小。与海河流域的山区相比，平原地区P20极值的平均幅度大得多，并且在过去50年期间，其表现出10年的周期波动和上升趋势。

图5 海河流域P20降水极值出现的次数和平均变化幅度Fig.5 Sub-and Average Variation Range of P20 Precipitation Extreme Value in Haihe River Basin

图6给出了海河流域P50降水极值出现的时间和大小。P50极值的时空变化明显不同于P10和P20极值，其P50极值的发生时间从西北向东南增加。P50极值的出现变得越来越少，平均幅度随着时间的推移而显著下降，尤其在2000年。P50极值中心在以10年为间隔的时段内发生着变化。20世纪60年代和70年代，P50中心位于海河流域南部和冀东平原。20世纪80年代后，P50极值在南部海河流域比北部出现得更频繁。

图6 海河流域P50降水极值出现的时间和大小Fig.6 The Time and Size of P50 Precipitation Extreme in Haihe River Basin

4.3 城市化的影响

根据以往研究，以气温升高作为显著特征定义的气候变化始于20世纪80年代。因此，本文比较了1961-1980年和1981-2010年降水极值的变化，以研究海河流域受城市化的影响。石家庄和北京P20的极值变化幅度较大，石家庄市20世纪80年代和90年代P50极值变化幅度大于周边地区，反映了城市降雨岛( URI )效应。然而，URI问题并未在天津市得到明确的反映，其可能会受到渤海监管效应的影响。2000年后，大多数城市的URI问题消失了，干旱发生的频率主要集中于海河流域中东部的干旱中心。

因此，城市化影响随分析的面积和降水极值而发生变化，城市化影响在2000年代表现并不显著。城市化对P20和P50极值的影响较明显，但P10极值除外。由此可以得出结论，海河流域中降水极值的变异性主要是由大气周期决定的，城市化的影响主要发生于一些局部地区。

5 结 论

在考虑城市化影响的情况下，本文分析了海河流域中降水极值的变化，主要得出以下结论:

1) 日降水量由海河流域西北向东南方向递减，总体来看其均值和标准差随年份在减小。2000年代以后，降水量的下降趋势较明显。在过去的50年里，日降水量的平均值为1.4 mm/d，其等高带向东南方向移动了超过100 km。

2) 20世纪80年代以后，天津市和廊坊市是海河流域的干旱中心。流域内的干旱天数和干旱地区随着年份的增加而增加。

3) 3个降水极值的变化表现出差异。P10极值的大小在过去50年中没有发生明显的变化，但降雨中心随流域空间位置的不同而变化；P20极值的大小在1961-2000间年没有发生显著变化，但在2000年后开始有所增加；而P50极值的变化幅度随年份的增加表现出显著的下降趋势，海河流域降水中心的移动为从东北向南移动。

4) 海河流域降水量的减少主要是由于P50极值减少造成的。