1960—2018年河南省降水时空变化特征及重心

凌敏华，韩洪宝

(1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001；2.郑州大学黄河生态保护与区域协调发展研究院，郑州 450001；3.郑州市水资源与水环境重点实验室，郑州 450001)

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)在2013年第五次气候变化评估报告中指出，全球地表平均温度近130年间上升约0.85 ℃[1]，气候变暖会促使蒸发率增加，水循环过程加快，进而导致降水结构改变，降水时空变异加剧[2-3]。降水是描述某一区域气候特征的重要指标，而降水的时空分布变化规律直接影响区域水文情势以及水资源的时空分布。研究表明，中国整体年平均降水变化波动幅度较小，但区域降水变化波动幅度相对较大[4]。河南省位于中原腹地，地属大陆性季风气候，雨热同期，是中国重要的粮食基地，省内降水时空分布极不均匀，旱涝灾害频发，严重影响河南地区农业生产与经济社会发展[5]。因而分析河南省降水时间变化特征，掌握其降水空间分布规律，对于河南省水资源配置、防汛抗旱以及农业生产具有重要意义。

诸多学者采用多种气候统计诊断分析法研究了中国不同区域、主要流域降水与气温的变化特征[6-7]。任国玉等[8]基于国家级2 300个气象站降水资料，利用滑动平均法、M-K(Mann-Kendall)法等对全国基本降水指标变化趋势进行分析，完善了中国现代降水长期变化规律；耿新新等[9]利用0～1混沌测试法分析了贵州省不同时间尺度降水序列的降水混沌特征的空间分布特征。一些学者也开展了河南省降水时空变化特征方面的研究，韩艳等[10]基于河南省1951—2013年18个气象站降水资料，采用时间和空间分析相结合的方法，分析了河南省年和四季降水时空变化特征；史佳良等[11]基于河南省17个气象站气温与降水资料，利用累积距平、气候倾向率、小波分析等方法，分析了河南省近50 a气温和降水演变规律。可以看出，已有研究采用的气象站点数相对较少，研究范围主要针对河南省整体降水变化，对河南省局部小区域或大的分区研究尚显欠缺。降水重心定义为区域内某时刻降水分布在空间平面上力矩达到平衡的点[12]，能够揭示区域降水的总体分布特征，其动态轨迹反映了降水的离散、转移与优势分布情况，有助于分析区域降水的差异性和均衡性，但目前对河南省降水重心分布及转移情况研究较少。因此，现基于河南省112个气象站1960—2018年逐月降水资料，分析河南省各站点及分区降水时空变化规律，揭示其降水重心分布特征，以期为保障河南省农业生产、防灾减灾以及水资源评价与管理等提供参考。

1 研究区概况

河南省位于中国中东部，全省总面积16.7万km2。地势西高东低，西部以伏牛山为主体，北部太行山脉沿安阳、鹤壁等一带向西南延伸，桐柏山脉、大别山脉拱卫省境之南，东部、中部为冲积平原，地跨长江、淮河、黄河、海河四大流域。河南省地属南北气候过渡带的大陆性季风气候，雨热同期，降水时空分布不均，旱涝灾害频发，年均降水量在461.5～1 065.6 mm。河南省水资源总量和人均水资源量均低于全国平均水平，属于严重缺水省份。

2 资料与方法

2.1 数据来源

选取河南省1960—2018年112个气象站的逐月降水数据，全省平均站网密度0.67个/103km2，站网均匀度为0.995 6，站点空间分布均匀，并将月降水数据整理为年降水数据，数据来源于《地面气象记录月报表》(国家气象信息中心制作)的信息化资料，数据经过初步质量控制，质量良好。根据地理位置与现有习惯，将河南省划分为豫东、豫西、豫中、豫南、豫北5个分区，河南省气象观测站空间分布及地理分区如图1所示。

图1 河南省气象观测站空间分布及地理分区

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，该方法不需要考虑样本分布规律、异常值是否存在，适用于检验水文、气象等非正态分布数据[13]。Mann-Kendall检验法用于序列突变检验，具体计算公式为

k=1,2,…,n

(1)

式(1)中：UF1=0；E(sk)、Var(sk)为累计数sk的均值和方差。

E(sk)=k(k-1)/4Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72，k=2,3,…,n

(2)

所有的UFk将组成一条曲线UF，将该方法应用于逆序时间序列中得到另一条曲线UB。若UF、UB曲线在置信区间内有交点，该交点对应的时间为可能的突变开始时间点。当交点之后若有曲线超出显著水平线则判定该交点是确定的突变开始时间点[14]，对于多点突变的检验需结合滑动T检验法进行验证，两种方法均采用α=0.05的显著性检验。

2.2.2 Morlet小波分析

小波分析是20世纪80年代地质学家Morlet提出的一种对时频局部进行分析的方法，在学术界有“数学显微镜”的美誉[15]。该分析方法能清楚地反映研究变量隐藏在时间序列中的周期震荡情况及多种变化周期，还能较好地揭露研究系统在不同时间尺度中的变化趋势情况，并且能够定性估计研究对象未来变化发展的趋势[16]。选用Morlet复小波研究河南省各分区降水序列的周期变化特征，其母小波为

ψ(t)=eicte-t2/2

(3)

式(3)中：t为时间；i为虚数；c为常数，一般取6.2。

处理的数据为距平值，按照得到的小波系数做小波方差的计算，具体计算公式为

(4)

式(4)中：Var(a)为小波方差；Wf(a,b)为小波系数。

2.2.3 重心模型

重心原本是一个来自物理学的概念，是指物体处于任何方位时各组成支点重力的合力都通过的那一点。将重心这一概念拓展到区域面上，亦即区域重心。区域重心又称空间均值，是某一地理要素或发展要素平均数在二维空间上的延伸，是指在某一特定时间内区域面上某种地理或发展要素在空间平面上力矩达到平衡的点。区域重心既有助于分析区域要素的发展历程、状态和趋势，也能反映出区域要素在空间上的流动性与聚集性，区域重心一般采用重心模型计算得到。近年来，重心模型被广泛应用于降水、土地利用以及经济研究等领域，包括降水重心、土地利用/类型重心、经济总量重心以及人口重心等[17-19]。区域的年降水重心公式为

(5)

3 降水时空变化特征

3.1 站点降水变化分析

采用M-K法分析河南省112个站点近59 a降水序列变化趋势，并进行显著性检验，结果如图2所示。1960—2018年期间，112个站点中，降水量呈下降趋势的站点76个，占67.9%；降水量呈显著下降趋势的站点9个，占8.0%，主要分布于豫北地区；降水量呈上升趋势的站点36个，其中仅睢县和舞钢两站点降水量呈显著上升趋势。

图2 1960—2018年河南省各站点降水趋势空间分布

为进一步分析112个站点降水变化，统计分析了各站点的降水量气候倾向率，结果如图3所示。1960—2018年期间，河南省各站点气候倾向率位于-28～24 mm/10 a；东部的周口、商丘以及驻马店一带站点降水增加幅度较大，位于10～24 mm/10 a；北部的安阳、鹤壁、濮阳以及南部的南阳一带站点降水减少幅度较大，位于-28～-10 mm/10 a；河南省各站点降水量气候倾向率大致呈现西部地区减少、东部地区增加的阶梯状分布格局。

图3 1960—2018年河南省各站点气候倾向率空间分布

3.2 分区降水变化分析

3.2.1 降水趋势分析

1960—2018年期间，豫东地区降水量具有上升趋势，豫西、豫中、豫南、豫北地区降水量具有下降趋势，均没有通过显著性检验(显著性水平α=0.1)，这与有关学者[20]研究结论基本一致。1960—2018年河南省各分区降水量变化趋势如表1所示。

表1 1960—2018年河南省各分区降水量变化趋势

3.2.2 降水突变分析

河南省1960—2018年的5个分区降水序列突变曲线如图4所示。豫东地区统计量UF曲线总体变化较为平缓，未超过α=0.05置信区间，说明降水量总体变化趋势不明显；UB曲线2002年以前总体变化较为平缓，2010年以后上升趋势超过了α=0.05置信区间。在1962、1966、1984、1996、2008以及2018年前后，UF、UB曲线在置信区间内多次相交，说明年降水量在这些年份可能发生了突变，进一步通过滑动T检验法验证与分析，显示其在2004和2008年附近发生突变，确定豫东地区降水量的突变年份为2008年。

图4 河南省5个分区年降水量M-K曲线和滑动T检验曲线

豫西地区统计量UF和UB曲线总体变化较为平缓，未超过α=0.05置信区间，说明其变化趋势不明显；在1970年前后、1978、1986、1990、2000年前后以及2010年，UF、UB曲线在置信区间内多次相交，进一步通过滑动T检验法验证与分析，显示其在1978年和1986年发生突变，确定豫西地区降水量的突变年份为1978年和1986年。

豫中地区统计量UF和UB曲线均超过了α=0.05置信区间，UF曲线总体上表现为上升趋势，UB曲线总体上表现为下降趋势，在2011、2015以及2018年，UF、UB曲线在置信区间内多次相交；进一步通过滑动T检验法验证与分析，同时计算降水序列的累计距平，2011年累计距平达到最大值，最终确定豫中地区降水量的突变年份为2011年。

豫南地区降水统计量仅有UB曲线超过了α=0.05置信区间，UF曲线在近59 a降水量以上升趋势为主，UB曲线2002年以前总体变化较为平缓，2011年以后上升趋势超过了α=0.05置信区间。在1962、1970、1976年前后几年、1988年前后几年、2000年前后几年、2008年以及2016年，UF、UB曲线在置信区间内多次相交，通过滑动T检验法验证与分析，显示其在2008年附近发生突变，确定豫南地区降水量的突变年份为2008年。

豫北地区统计量UF和UB曲线均未超过α=0.05置信区间，说明降水量总体变化趋势不明显；UF曲线1975年降水量以上升趋势为主，在此之后一直呈下降趋势。在1966、1974、2000年前后几年以及2005年，UF、UB曲线在置信区间内多次相交，说明年降水量在这些年份可能发生了突变，进一步通过滑动T检验法验证与分析，显示其在1974～1978年间可能发生了突变，确定豫北地区降水量的突变年份为1974年。

3.2.3 降水周期性分析

采用Morlet复小波对河南省5个分区年降水量进行周期性分析，结果如图5所示。图中蓝色表示降水处于多雨周期，黄色表示降水处于少雨周期。小波系数方差图可确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，所对应峰值处称为该序列的主要时间尺度。由图5可知，河南省各分区降水均存在丰-枯交替变化情况，降水序列在演化过程中呈现出多时间尺度的周期性特征。豫东地区年降水序列在8～12、28～32 a两个尺度上均有明显的周期性变化，分别经历了2.5次和3次丰-枯循环交替，年降水距平的小波方差图中存在两个较为明显的峰值，第一主周期为10 a，周期震荡最强，第二主周期为4 a；豫西地区年降水序列在12～15、29～32 a两个尺度上有明显周期性变化，分别经历了3次和2.5次丰-枯循环交替，第一主周期为8 a，第二主周期为11 a；豫中地区年降水序列在13～16 a时间尺度有明显周期性变化，经历了2.5次丰-枯循环交替，第一主周期为8 a，第二主周期为14 a；豫南地区年降水序列在10～14 a时间尺度有明显周期性变化，经历了4次丰-枯循环交替，第一主周期为27 a，第二主周期为10 a；豫北地区年降水序列在21～26 a时间尺度有明显周期性变化，经历了2.5次丰-枯循环交替，第一主周期为8 a，第二主周期为23 a。

图5 1960—2018年河南省各分区Morlet小波实部和小波方差图

4 降水重心变化

根据1960—2018年降水量，计算得到河南省年降水重心坐标59个，绘制年降水重心分布及移动轨迹图(图6)。从图6看出，年降水重心不是随机分布的，分布在许昌市许昌县和漯河市临颍县一带，位于33°36′N～34°06′N与113°36′E～114°0′E，处在河南省中心偏东南位置。利用ArcGIS标准差椭圆工具对降水重心的方向性与离散性进行分析，创建了59个降水重心点的一级标准差椭圆，该标准差椭圆的方向为158.5°，长轴位于西北-东南方向，长度为29.55 km，说明降水重心空间分布格局位于西北-东南方向；短轴位于西南-东北方向，长度为13.86 km，椭圆扁率为0.53，说明年降水重心分布方向性明显，离散程度较小，同时也说明了年降水量的变化程度在西北-东南方向较为显著。河南省多年平均降水量呈现东南多西北少，东南地区降水量处在963～1 096 mm，所占权重较高，受东亚季风的影响程度变动较大[10]，可能导致了年降水重心空间分布格局位于西北-东南方向。

图6 河南省1960—2018年降水重心位置及移动轨迹

为进一步分析年降水重心经度和纬度坐标随时间变化情况，绘制了河南省1960—2018年降水重心经纬度坐标变化图(图7)，并利用M-K法对降水重心经纬度变化趋势进行了显著性检验。从图7(a)可看出，1960—2018年期间，河南省年降水重心经度整体呈上升趋势，M-K趋势检验值为1.57，通过信度90%的显著性检验，具有显著上升趋势。年降水重心经度最大值为114.00°，最小值为113.70°，2008—2011年经度呈现大幅度下降趋势(即降水重心向西移动)。从图7(b)可看出，年降水重心纬度整体呈下降趋势，M-K趋势检验值为-0.58，未通过信度90%的显著性检验，因而年降水重心纬度具有不显著下降趋势。年降水重心纬度最大值为34.07°，最小值为33.68°，呈现大幅度波动特征。由此可知，1960—2018年期间，河南省降水重心有明显向东移动趋势，这与前文的河南省年降水量变率空间分布东部地区降水增加、西部地区降水减少的结论一致。

图7 河南省1960—2018年降水重心经度和纬度坐标变化

5 结论

(1)河南省112个站点的年降水量中，59.8%站点呈不显著下降趋势，30.4%站点呈不显著上升趋势，呈显著下降趋势的站点9个，其中豫北地区占比最多，仅睢县和舞钢两站点呈显著上升趋势。全省各站点降水量气候倾向率位于-28～24 mm/10 a，大致呈现西部地区减少、东部地区增加的阶梯状分布格局。

(2)河南省5个分区年降水量中，仅豫东地区年降水量整体上呈上升趋势。豫东、豫南地区年降水量在2008年发生了突变；豫西地区年降水量分别在1978年和1986年发生了突变；豫中、豫北地区年降水量分别在2011年和1974年发生了突变。河南省各分区年降水量具有明显的多年变化的周期性特征，各分区在整个研究时域内经历了2.5次左右丰-枯循环交替。在主要周期方面，豫西、豫中、豫北地区降水序列第一主周期都为8 a，豫东、豫南地区的第一主周期分别为10 a和27 a。

(3)河南省降水重心分布在许昌市许昌县和漯河市临颍县一带，降水重心空间分布格局整体上呈西北-东南方向，离散程度较小。近59 a降水重心经度呈显著增大趋势，纬度呈不显著减少趋势，降水重心有明显向东移动的趋势。