海河流域降雨时空变化特征分析

朱晓春，邢 斌，刘江侠

(水利部海河水利委员会，天津 300120)

自20世纪80年代以来，由于气候变化和人类活动的影响，干旱、洪涝灾害等极端气候事件发生的概率有所增加。水资源对经济社会发展和维持良好的自然生态环境系统起着至关重要的作用，降雨又是流域和区域水资源最主要来源，降雨量的多少及其时空分布决定了水资源在时间和空间上的分配以及水资源数量的改变。由于全球气候变化和人类活动的双重因素影响，导致水循环系统产生一定的变化，进而影响水文循环特征和水资源转化关系。因此，对降雨时空分布特征分析研究，有助于了解水资源转化和分布特点。

海河流域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区。流域内降雨季节性强、时间和空间分布不均，容易发生洪涝、干旱等问题。海河流域也是我国水资源严重不足的地区之一，为支撑经济社会发展用水需求，流域现状水资源开发利用率已达到106%，由于水资源过度开发利用挤占了大量生态环境用水，近5年24条平原河流平均年干涸长度1158km，主要湿地水面比20世纪50年代减少72%，过度超采形成地下水漏斗16个，地面最大沉降超过3.25m，地下水战略储备濒临枯竭，水资源供需矛盾十分突出。客观分析海河流域降雨在时间和空间上的演变规律及其变化趋势，对海河流域防汛抗旱、水资源合理开发利用、高效配置、科学管理以及改善生态环境具有十分重要的现实意义。

1 资料选取及研究方法

以海河流域作为研究对象，在流域35个省套水资源三级区中选取了滦县、唐山、官厅、北京、长治、安阳、临清、九宣闸等35处资料较全的雨量站(气象站)1956—2016年逐月降雨量资料，采用线性回归法、模比系数差积曲线和空间分析法等，分析流域降雨量在时间和空间上的变化特征以及典型代表站降雨汛期、非汛期的变化情况。

2 降雨时间变化特征分析

2.1 年际变化

利用线性回归法、模比系数差积曲线分析海河流域降水变化趋势表明，流域61年的降雨呈明显下降趋势，20世纪60年代至世纪末降雨持续下降，到21世纪初期略呈上升趋势。海河流域61年的平均降雨量为527mm，年降雨量极大值796mm出现在1964年，年降雨量极小值356mm出现在1965年，两者相差440mm，极值比为2.24。1981—1990年连续10年降雨量低于多年平均降雨量，1999—2011年连续13年降雨量低于多年平均降雨量，1992—1993年、2014—2015年连续两年降雨量低于多年平均降雨量。降雨在1965、1973和1997年发生突变，如图1所示。

图1 海河流域1956—2016年年均降雨量

海河流域61年降雨量模比系数差积曲线也显示，1956—1964年总体处于丰水段，其年均降水量比多年平均值大15%；1965—1972年总体处于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%；1973—1979年总体处于丰水段，其年均降水量比多年平均值大9%；1980—2016年总体处于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%，如图2所示。

图2 海河流域年降水量模比系数差积曲线

对选取的35处典型雨量站(气象站)的变差系数Cv值和极值比进行分析，变差系数Cv值和极值比K越大表示变化大，反之则小。35处典型雨量站(气象站)1956—2016年系列降水量均值介于380～778mm，变差系数Cv值介于0.19～0.36，极值比介于2.1～6.1之间，说明海河流域是我国降水量多年变化幅度较大的地区之一，见表1。

2.2 年内分配

海河流域降水量年内分配非常集中，且很不均匀。全年降水量集中在汛期(6—9月)，1956—2016年汛期降水量占全年降水量的68.6%～83.5%，平均为76.7%。汛期降水量又主要集中在7—8月，其降水量占全年降水量的44.5%～60.9%，平均为51.9%。有些年份，全年降水量甚至集中在1～2次大暴雨中。如1963年河北省獐么站，最大7d降水量占全年降水量的80%。单站年最大24h暴雨量最大年与最小年的比值达8.6～22.4倍。暴雨强度大，据点雨量记录统计，我国大陆50min和7d最大降雨记录均发生在海河流域。

通过对选取的35处雨量站(气象站)1956—2016年逐年降水量统计，其汛期降水量占全年降水量的68.6%～82.8%，平均为77%；7—8月降水量占全年降水量的44.5%～60.6%，平均为53%；7月份降雨量占全年的29.3%；非汛期降水量占全年降水量的17.1%～31.4%，平均为22.9%。选取唐山、北京、九宣闸、临清等4处雨量站将1956—2016年汛期降雨和非汛期降雨与全年降雨进行对比，发现汛期降雨比重呈下降趋势，非汛期降雨比重呈上升趋势，如图3所示。汛期降雨比重减少，秋末的十月至次年的三月降雨比重加大，对这些地区的农业生产有利，并且从图3的趋势来看，这种现象还会进一步加剧。

2.3 降雨年段变化特点

海河流域61年系列中，1956—1960、1961—1970、1971—1980年段的年均降雨均大于多年平均降雨，分别比多年平均偏多10%、7%和3%；1981—1990、1991—2000、2001—2010年段年均降雨均小于多年平均降雨，分别比多年平均偏少5%、5%和7%；2011—2016年段的降雨基本与多年平均持平，见表2。

表1 海河流域主要站年降雨特征值表

图3 主要雨量站汛期、非汛期降雨比重趋势图

表2 海河流域不同年段的降雨对比表

3 降雨空间变化特征

海河流域降水量受气候、地形等因素的影响，从空间分布来看，存在明显的地带性差异，总的趋势是由多雨的太行山、燕山山前迎风区分别向西北和东南两侧减少。从海河流域1956—2016年均降水量等值线图来看，流域降水分布具有以下特点：

(1)沿太行山、燕山山脉迎风坡，有一条600mm的弧形多雨带，以及半壁山(河北省承德市)、石庙子(河北省承德市)、八道河(北京市)、下庄(河北省保定市)、五台山(山西省忻州市)、官山(河南省新乡市)等700～800mm的高值中心，其中官山多年平均降水量最大，达905.1mm。

(2)在太行山、燕山的背风坡，降水量比迎风坡明显减少，多年平均降水量为400～550mm。内蒙古大部、大同盆地、张宣盆地、蔚阳盆地、涿怀延盆地一带，多年平均降水量不足400mm，为流域降水量低值区。

(3)平原区多年平均降水量一般为500～550mm，其中滨海平原较大，多在550～600mm。在定州、栾城、广宗、衡水一带，多年平均降水量不足500mm，为平原区降水低值区。

对比1956—2016、1980—2016年年均降雨等值线图，虽然降雨量的高值区分布及其等值线的走向基本一致，但是1980—2016年年均降雨量总体较1956—2016年系列有所减少，特别是沿燕山的滦河山区、北三河山区一带，以及北四河下游平原，平均降雨量减少50mm左右，沿太行山降雨高值区、黑龙港运东平原减少30～40mm，其他区域减少10～30mm，且高值区范围有所缩减。仅有局部区域两个系列的降雨量持平或略有增加，分布于子牙河山区的忻州、滦河山区靠近内蒙古高原东部一带。

4 结论

采用线性回归、模比差积曲线和空间分析法等方法分析了海河流域近61年的降雨时空分布特点，得出如下结论：

(1)海河流域降雨时间上总体呈下降趋势；年内降雨分布极其不均，汛期降雨比重大，非汛期降雨比重小；4处典型雨量站(气象站)的降雨随着时间推移，汛期降雨比重呈下降趋势，非汛期降雨比重呈上升趋势，降雨形势朝有利方向发展；降雨在1956—1980年段年均降雨比多年平均偏多，1981—2010年段年均降雨比多年平均偏少；2011—2016年段基本与多年平均持平。

(2)海河流域降雨空间分布不均，总体来看呈明显的地带性差异，多年平均年降雨量呈现总的趋势是由多雨的太行山、燕山山前迎风区分别向西北和东南两侧减少。

(3)降水量减少是短时间内不可逆转的自然规律，势必会加剧海河流域的水资源危机。从长远看，人类应该减少对自然界的破坏，从保护生态环境入手，使气候环境得到逐步改善。从近期看，落实最严格的水资源管理制度，控制水资源的无序和过度开发利用强度，推进水资源的高效利用和有效保护，最大限度减少人类活动对水资源和水生态的破坏量，构建水资源合理配置和供水安全保障体系，有效合理利用有限的水资源，注重高质量发展是解决水资源短缺行之有效的措施。