淮河生态经济带降水时空特征分析

摘 要：以淮河生态经济带为研究对象，选取1961—2014年淮河生态经济带95个地面气象站点的逐日降水数据，运用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相关检验法、小波分析等方法，分析淮河生态经济带降水时空特征。结果表明，淮河生态经济带降水从南到北大致呈递减趋势，空间分布差异比较显著，许多地区降水量的年内分配不均匀；淮河生态经济带降水量呈下降趋势，且有春、秋两季变干旱，夏、冬两季变湿润的趋势；淮河生态经济带降水存在25～36年、13～20年及10年以下3类周期变化规律，以27年尺度的周期变化为第一主周期。

关键词：淮河生态经济带；降水集中度；降水时空分析；Mann-Kendall检验法；小波分析

中图分类号：P339 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-03

淮河生态经济带以淮河干流、一级支流以及下游沂沭泗水系流经的地区为规划范围。《淮河生态经济带发展规划》提出，必须立足现有基础，深入贯彻落实新发展理念，推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局，打造水清地绿天蓝的生态经济带。淮河流域气候条件复杂，水旱灾害发生频繁[1]。因此，研究淮河生态经济带的降水时空特征具有十分重要的意义。关于淮河流域降水特征的研究已有很多，袁喆等[2]分析了近50年来淮河流域降水时空变化特征；佘敦先等[3]

研究了淮河流域近50年来极端降水的时空变化及统计特征。

基于此，选取淮河生态经济带95个站点54年来的降水数据，运用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相关检验法、小波分析等方法，分析淮河生态经济带多年平均降水、降水变化趋势及降水周期，以期为淮河生态经济带的发展提供支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

淮河生态经济带贯通黄淮平原，连接中部和东部地区，介于长江和黄河流域之间。淮河流经山东、河南、安徽和江苏四省，流域面积约为27万km2。淮河流域东北部、西部以及西南部为山区、丘陵，其他地区是平原。

淮河生态经济带位于我国南北气候过渡带，降水量由南向北递减，山区大于平原，沿海大于内陆。淮河以南具有南方的气候特征，炎热湿润；淮河以北则具有北方的气候特征，寒冷干燥。

1.2 降水数据

所用数据为淮河生态经济带内95个地面气象站点1961—2014年的逐日降水观测数据。数据来源于国家气象科学数据中心（https：//data.cma.cn/）的中国地面气候资料日值数据集。

观测站点在整个淮河生态经济带内地理位置分布比较均匀，所选站点降水数据均经过了严格的质量控制，且所选序列无缺测，数据精度为0.1 mm。

1.3 研究方法

1.3.1 降水集中度和集中期

利用张录军等[4]提出的方法，将降水量看作矢量，用降水集中度反映降水总量在研究时段内各个月的集中程度。如果在某一年中，合成向量的模与降水总量之比为1，降水集中度越接近1，表示降水越集中在某一月内；降水集中度越接近0，表示降水越平均分布在各月。集中期为合成向量的方位角，即合成向量所指示的角度，这显示了每月或每候降水量在合成之后的整体效应，可以反映出一年中最大月或候降水量的所在时期。

1.3.2 Mann-Kendall秩次相关检验法

Mann-Kendall秩次相关检验法是趋势性检验的最常用的非参数检验方法之一。该方法计算简便，不受趋势是否为线性的影响，也不受少数异常值的干扰。通过对Mann-Kendall秩次相关检验的统计变量Z值进行分析，可以得出水文序列的长期变化趋势及变化趋势的显著性。

1.3.3 小波分析

J.Morlet提出了一种具有时—频多分辨功能的小波分析（Wavelet Analysis）。小波分析可以更好地研究时间序列问题，清楚展示时间序列中的多种变化周期以及系统在不同时间尺度中的变化趋势，定量提取出降水时间序列中隐含的周期特征及周期的连续稳定性和强度[5]。

2 结果与分析

2.1 多年平均降水量特征分析

2.1.1 多年平均降水量空间分布特征

利用站点资料计算出各站点多年平均降水量，绘制淮河生态经济带多年平均降水量空间分布图（图略），淮河生态经济带多年平均降水量从南到北大致呈递减趋势。这是由于淮河以南为南方的气候特征，炎热湿润，降水较多；而淮河以北则为北方的气候特征，寒冷干燥，降水较少。淮河生态经济带多年平均降雨量为524.3～1 248.3 mm，其中最低值出现在河南省的汝州站，最高值出现在安徽省的金寨站。两者多年平均降雨量差异很大说明了淮河生态经济带降水空间分布差异比较显著。淮河生态经济带四季多年平均降水量均呈现从南到北、从近海到内陆递减的趋势。各季节降水量差异明显，夏季降水最多，冬季降水最少（图1）。

2.1.2 多年平均降水集中度和集中期

根据各站点多年平均月降水量数据，利用降水集中度的计算方法，计算出各站点的降水集中度，绘制淮河生态经济带多年平均降水集中度分布图（图略），淮河生态经济带降水集中度从南到北呈现递增的趋势，其中最大值为0.56，最小值为0.31。淮河以北地区为北方气候特征，冬季降水较少，降水主要集中于夏季；而淮河以南地区为南方气候，湿润多雨，全年降水分布相对均匀。高值区所占面积相对较多，这是由于许多地区降水量的年内分配不均匀，汛期（6—9月）降水量占年降水量的比例较大。淮河生态经济带降水集中期主要在7月，最早日期与最晚日期仅相差11 d，表现出雨热同期的特点。

2.2 降水变化趋势特征分析

使用Mann-Kendall秩次相关检验法，计算降水的Mann-Kendall秩次相关检验统计量Z值，可以得出，淮河生态经济带Z值分布表现出中间高，两边低的特点。降水呈增加趋势的区域主要分布在中部地区，且增加趋势强度逐渐向南部递增；降水呈减少趋势的区域主要分布在两边，且减少趋势强度逐渐向两边递增。淮河生态经济带多年平均降水量Z值为-0.26，为下降趋势；最大Z值为1.66，达到90%置信水平；最小Z值为-2.13，达到95%置信水平。Z＜0的区域占整体区域的68%，这表明淮河生态经济带大部分区域降水呈现减少趋势，平均减少速率为-4 mm/10年，这可能会导致干旱风险增加。

1969—1973年、1979—1985年、1989—1990年、1995—1998年、2001—2005年为淮河生态经济带年降水量上升阶段；1968年以前、1974—1978年、1986—1988年、1991—1994年、1999—2000年、2006—2014年为年降水量下降阶段。图2为淮河生态经济带四季的逐年降水量及线性趋势。从图中可以看出，淮河生态经济带春、秋两季的降水量呈下降趋势，说明这两季正逐渐变干旱；夏、冬两季的降水量呈上升趋势，说明这两季正逐渐变湿润。

2.3 降水周期特征分析

对淮河生态经济带降水情况采用小波分析法进行周期性检验，分析其周期演变特征，并绘制Morlet小波实部时—频分布等高线图（图3a）和小波方差图（图3b）。从图3a中可以看到，淮河生态经济带降水存在25～36年尺度周期，且此周期变化最为显著，中心时间尺度为27年。年降水量变化呈现干湿交替的震荡，体现为降水量由多变少再变多3个循环的交替，1961—1980年、1996—2014年属于降水量较多的时期，即偏湿润期；其他年份属于偏干旱期，降水量较少，这与袁喆等的研究结果基本一致。从20世纪70年代中期到2010年左右，13～20年尺度周期变化较为显著，其中心时间尺度为准16年。而10年以下的小尺度则呈现为正负相位交替的状态。从图3b可以看出，图中出现了3个比较明显的峰值，第一峰值是27年尺度，说明27年左右的周期震荡最强，是时间序列的第一主周期，第二、三主周期是8年、47年。

3 结论

（1）淮河生态经济带多年平均降水量从南到北大致呈递减趋势，降水空间分布差异比较显著，许多地区降水量的年内分配不均匀。

（2）在降水趋势变化方面，淮河生态经济带多年平均降水量Z值为-0.26，为下降趋势。Z＜0的区域占整体区域的68%，大部分区域降水均呈现减少趋势。从季节来看，春、秋季呈下降趋势，夏、冬季呈上升趋势。

（3）在降水周期变化方面，淮河生态经济带降水主要存在三类周期变化规律，分别是25～36年、13～20年及10年以下。其中，以25～36年尺度周期变化最为显著，准27年的周期震荡最强，是时间序列的第一主周期。

参考文献

[1] 邱睿.淮河生态经济带绿色创新效率及其影响因素研究[D].蚌埠：安徽财经大学，2021.

[2] 袁喆，杨志勇，郑晓东，等.近50年来淮河流域降水时空变化特征分析[J].南水北调与水利科技，2012，10（2）：98-103.

[3] 佘敦先，夏军，张永勇，等.近50年来淮河流域极端降水的时空变化及统计特征[J].地理学报，2011，66（9）：1200-1210.

[4] 张录军 ，钱永甫.长江流域汛期降水集中程度和洪涝关系研究[J].地球物理学报，2004，47（4）：622-630．

[5] 何庆龙，周维博，夏伟，等.延安市近60年降水时空特征分析[J].水资源与水工程学报，2018，29（1）：31-37.