基于GIS的河南省1960—2020年降水时空特征分析与预测模型研究

2024-06-23董兆轩

安徽农业科学 2024年11期

摘要基于河南省1960—2020年117个气象站点的降水数据，采用GIS技术、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、Kriging插值法对近61 a河南省的降水时空分布规律进行研究，并根据第六次耦合模式比较计划（CMIP6）预测河南省2025、2035年的降水情况。结果表明：1960—2020年河南省年降水量自北向南逐步递增，空间分布呈现出明显的纬度地带性规律，呈现出北少南多的特征；近61 a河南省年降水量第一主周期为55 a，降水周期为1971—2008年，降水具有周期时间长的特点；近61 a河南省降水量的时间变化趋势呈现出持续波动的状态，年降水量平均为584.7 mm；河南省1964、1985、2003年降水量明显增加，1993、1996、2002、2019年降水量呈下降趋势；河南省2025、2035年降水空间分布与过去61 a降水空间分布存在一定的相似性，各地降水量仍然存在由北向南递增的纬度地带性规律。

关键词降水量；时空特征；预测模型；GIS；河南省

中图分类号 P426.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）11-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.041

Study on Temporal and Spatial Characteristics and Prediction Model of Precipitation in Henan Province from 1960 to 2020 Based on GIS

DONG Zhao-xuan

（School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University，Jiaozuo， Henan 454150）

Abstract Based on precipitation data from 117 meteorological stations in Henan Province from 1960 to 2020， GIS technology， Mann-Kendall test， Morlet wavelet analysis， and Kriging interpolation method were used to study the spatiotemporal distribution pattern of precipitation in Henan Province in the past 61 years. According to the Sixth Coupled Mode Comparison Plan （CMIP6）， the precipitation situation in Henan Province in 2025 and 2035 was predicted.The results showed that the annual precipitation in Henan Province from 1960 to 2020 gradually increases from north to south， and the spatial distribution showed an obvious latitudinal zonality， showing the characteristics of "less in the north and more in the south". The first main cycle of the average annual precipitation in Henan Province in the past 61 years was 55 years， and the precipitation cycle was from 1971 to 2008， precipitation had the characteristic of long cycle time. The time variation trend of precipitation in Henan Province in recent 61 years showed continuous fluctuation， and the average precipitation was 584.7 mm. In Henan Province， precipitation increased significantly in 1964， 1985 and 2003， and decreased in 1993， 1996， 2002 and 2019. The spatial distribution of precipitation in 2025 and 2035 in Henan Province was similar to that in the past 61 years， and there was still a latitudinal zonal law of increasing precipitation from north to south.

Key words Precipitation;Temporal and spatial characteristics;Prediction model;GIS;Henan Province

基金项目国家重点研发计划项目（2017YFD0600404）。

作者简介董兆轩（2000—），男，陕西西安人，从事测绘与GIS应用研究。

收稿日期 2023-08-16

降水量是影响农业产量的重要决定因素之一。河南省作为我国的粮食大省，近年来极端气象事件频发，夏季汛期出现过多次降水灾害［1］。因此，科学掌握河南省降水的时空特征显得尤为关键。国内很多学者对河南省降水特征进行了分析，并取得一定成果［1-8］，如凌敏华等［1］利用趋势检验研究降水时空演变特征，得出降水界限值存在明显的年际变化特征；沈宁娟等［2］研究得出年降水量分布具有明显的空间差异。

河南省位于我国南部与中部的气候过渡带，具有雨热同期的特点，环境温暖潮湿，但由于天气变化剧烈，导致干湿季节变化强烈，年降雨量为461.5～1 065.6 mm。河南省降水量变化强烈，干旱和洪水等自然灾害频繁出现，对当地的农业和经济造成巨大的损失。笔者针对河南省的降水时空特征问题，基于1960—2020年河南省117个地面气象站点的全时段降水数据，采用GIS技术、Mann-Kendall检验方法探究降水的年际变化趋势，根据年际变化趋势，用Morlet分析方法探讨降水的周期变化情况，并根据2种方法的分析结果，通过Kriging空间插值法对气象站数据进行空间插值，分析近61年来河南省降水的空间分布特征和变化趋势，再根据第六次耦合模式比较计划（CMIP6）预测河南省2025、2035年的降水情况，以期为河南的农业战略部署提供相关参考资料。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

河南省位于我国中东部，地处华中平原的黄河中下游地区，土地面积约16.7万km2，地势西高东低，地貌类型复杂多样。河南省处于南北气候过渡带，易受季风气候及全球变暖等气候因素影响，从而引起区域水循环的变化［3］，导致产生较为复杂的降水时空变化，每年5—10月区域汛期降水量占全年降水量的70%～80%。由于全球气候变暖的原因，近年来河南省极端降水频率增加。

1.2 数据来源

该研究数据主要包括国家气象站观测降水数据、河南省数字高程模型（DEM）数据。气象数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的1960—2020年河南省117个气象观测站的全时段逐日降水数据，其区位及遴选的气象站空间分布如图1所示。河南省DEM数据来源于地理空间数据云，通过对应气象站点建立年平均降水量方程式，并对数据进行处理，得到逐年降水量的平均值，根据处理后的数据进行进一步研究。河南省数字高程模型如图2所示。

1.3 研究方法

1.3.1 降水趋势检验。

在气象学领域，基于Rank的非参数曼肯德尔法（Mann-Kendall检验法）常被应用于时间序列变化趋势研究中［4-5］。为探寻河南省降水的时空特征，该研究根据年降水数据序列，构造统计量Mann-Kendall秩次相关系数，且无需考虑样本分布规律、异常值影响。由n个样本量的时间序列，构造的秩序列为：

S=n-1k=1nj=k+1Sgn（1）

Sgn（Xj-Xk）=1Xj-Xk>0

0Xj-Xk=0

-1Xj-Xk<0（2）

式中，S服从正态分布，Sgn（）为符号函数。当n>10时，标准正态统计变量为：

S-1Var（S）S<0

0S=0

S+1Var（S）S<0（3）

式中：Z为标准正态分布统计量，Z是根据时间序列顺序计算出的统计量序列；α为显著性水平。将UF和UB曲线结果与0.05显著曲线进行对照：若UF>UB，说明序列有明显趋势变化；当UF>0，说明序列呈上升趋势，当UF<0，说明序列呈下降趋势；若超过临界值，则呈现显著的上升或下降趋势。

1.3.2 降水周期性检验。

基于Mann-Kendall的检验结果，采用Morlet小波分析方法对河南省区域降水的周期性变化进行研究。Morlet小波分析作为一种时频联合分析方法，在时域和频域上能很好地表征信号的局部特性，其小波函数具有一定的振荡性［5-6］，表达式可定义为：

∫+∞-∞（t）dt=0（4）

Morlet小波分析能将时间序列处理为时间和频率的权重，其表达式为：

（x）=πfbe2jπfcxexfb（5）

式中，fb为带宽参数，fc为小波中心频率。

1.3.3 空间插值方法。

该研究采用Kriging方法对河南省117个地面气象观测站1960—2020年的年降水量数据进行空间插值，研究河南省降水量的空间分布规律及变化特征。克里金插值法基于变异函数理论和结构分析方法，针对降水、气温等空间耦合问题，充分考虑了空间变量的相关性，且样本处理数据具有较为明显的结构性与随机性，数学表达式如下：

Z=ni=1λZ（Xi）（6）

式中，Z为年降水量预测值，λ为克里金插值法权重系数，Z（Xi）为实测点Xi处降水量。

1.3.4 未来降水量预测方法。

CMIP（国际耦合模式比较计划）可分析全球气候模拟中心发布的海洋和大气模拟数据。CMIP6模式与CMIP5模式相比，增加了在社会经济发展方面的考虑，提出了共享社会经济路径（shared socioeconomic pathway，SSP），改进了CMIP5中长期存在的模型偏差和辐射强迫量化差的问题［7］。CMIP6模式中，中间路径SSP245情景最为接近未来实际发展状况。因此，该研究选用CMIP6模式中SSP126、SSP245、SSP585这3种情景下拟合程度最高的模式情景下的预估结果对河南省2025、2035年的降水情况进行相应分析。

2 结果与分析

2.1 降水空间分布及趋势分析

基于GIS数据处理平台、年代际法将研究时间分为4个研究时段，利用克里金（Kriging）插值法对河南省1960—2020年117个地面气象站的年降水量数据进行空间插值分析。降水量空间分布的插值结果如图3所示。

从4个研究时段降水空间分布（图3）可看出，1960—2020年河南省降水量呈逐渐减少趋势，降水量较多的地区为南部的信阳市，逐渐由南部的信阳市向中部的驻马店市和东部的周口市蔓延，并继续向中部的漯河市移动，随后又往东南部南阳市延伸。1976—1990年，南部的驻马店市平均降水量相比1960—1975年有大幅提升；1991—2005年，西部的南阳市、平顶山市和中部的漯河市、周口市平均降水量相比1976—1990年更加充沛；2006—2020年，东南部的信阳市、驻马店市平均降水量相比1991—2005年大幅增加。以上分析表明，河南省1960—2020年降水量空间分布存在2次波动，即在1976—1990年出现较高频率降水后又减少，在2006—2020年降水量又开始增加。

为了进一步对河南省降水量整体空间分布与趋势特征进行分析，对近61 a平均降水量进行可视化插值，其插值结果如图4所示。

由图4可知，1960—2020年河南省年降水量空间分布整体上自北向南呈现出明显的纬度地带性规律，年降水量自北向南逐步递增，呈现出北少南多的特征；近61 a间河南省年降水量最高值位于南部的信阳市，年降水量为981.7 mm，年降水量最低值位于北部的焦作市，年降水量为42.3 mm。

2.2 降水周期性变化分析

为了进一步研究河南省降水时空分布特征，对1960—2020年河南省年降水量时间序列进行了Morlet小波分析，以便获得其降水的周期变化规律。经过处理，得到了复小波方差和小波分析主周期数据，并绘制成散点趋势图，如图5所示。

从图5a可以看出，近61 a来河南省降水量存在3个明显峰值，分别是10、36、55 a。其中，55 a对应峰顶的方差最大，表示根据年降水量得出的第一主周期为55 a，该周期的小波强度最高；第二主周期为36 a，第三主周期为10 a。图5b反映了时间序列中周期波动及强弱变化的特征关系，通过对小波强度最大的第一主周期55 a的主周期趋势分析可以清晰看出，趋势图中2个高峰分别对应12和49 a，说明在年降水量数据变化周期为55 a的条件下，河南省降水量的周期为37 a，降水量具有周期时间长的特点。

基于得到的复小波实部系数和小波分析主周期数据，将数据结果可视化成图［8-10］，得到数据等值线图，如图6所示。根据图6可以分析出河南省降水量的时间尺度特征，体现出降水时间序列在时间尺度和周期性之间的内部关联。根据图6a可以看出，在时间尺度为55、37、10 a的横向上均出现规律性圆圈。因此，1960—2020年河南省117个地面气象站点年降水量数据的第一主周期为55 a，降水周期为1971—2008年。此外，时间尺度为37、10 a的横向上也存在规律性圆圈变化，但分别在1965、1990年后特征不再清晰，不进行深入分析。

2.3 降水时间演变规律

根据1960—2020年河南省117个地面气象站的全时段逐日降水量数据研究其降水时间演变规律。在对逐年降水量数据进行相应处理后得到逐年降水量平均值，绘制出河南省1960—2020年降水量变化趋势图（图7），以此分析降水量的总体变化趋势。

从图7可以看出，河南省1960—2020年逐年降水量呈现出持续波动的状态，其中河南省年降水量平均为584.7 mm。以纵向维度观察，近61 a来河南省年降水量最大值为2000年的893.2 mm，最小值为1967年的324.9 mm；1961—1963、1966—1967、1981—1982、1997—1998、1999—2000、2001—2003年降水量增加趋势十分明显；1964—1966、1984—1986、1996—1997、2000—2001、2017—2018年降水量减少趋势十分显著。以横向维度观察，1961—1967年降水出现明显波动，1968—1982年降水波动变化趋于平稳，1983—1986年降水再次出现明显波动，1987—1993年降水经过波动增加后又趋于稳定波动状态，1994—2003年降水波动频繁且幅度较大，自2003年降水大幅增加后开始波动下降，并逐渐趋于较为平稳的波动状态。

利用Mann-Kendall检验法［1，11-12］进一步探索河南省年降水量的演变及突变性规律，检验结果如图8所示。

从图8可以看出，UF和UB统计量的趋势线之间有10个交点，分别是1961、1962、1965、1967、1992、1994、1996、2010、2015和2017年，这些交点均处于置信区间α=0.05的范围内，说明这2个曲线的结果均通过了0.05的显著性趋势检验。因此，在置信区间［-1.96，1.96］，这10 a均为降水突变点。

此外，UF与UB统计量趋势线中有明显几处拐点，分别在1964、1985、2003、2012年，这3 a UF值最接近于临界值1.96，且UF>0，表明1964、1985、2003、2012年河南省降水量明显增加。特别是2003年，增长量处于急剧上升状态，根据气象站降水数据可知，2003年比2002年年降水量暴增338.8 mm。相反，1961、1993、2002、2019年UF值最接近于临界值-1.96，且UF<0，说明1961、1993、2002、2019年降水量呈下降趋势，如1993年降水量为439.6 mm，比1992年的（500.0 mm）下降了60.4 mm。

2.4 基于CMIP6多模式的降水趋势预测

该研究检验了CMIP6模型［13］在河南省1960—2020年117个地面气象站点的降水分布特征，以及在SSP126、SSP245、SSP585这3种不同的社会经济发展道路上的预测结果，通过线性回归拟合试验比较其均方根误差（RMSE），以此来检验其在不同发展道路上的差异性以及其在不同发展道路上的精确性。计算结果如图9所示，在3种情景中选择出拟合程度最高的模式情景，根据所选择的SSP路径预测河南省2025、2035年的降水情况。

从均方根误差（RMSE）分析结果可以看出，CMIP6数据集SSP路径的3种情景中，CMIP6模式预测数据与实测数据在路径SSP245情景下的拟合程度较高，均方根误差为47.416 7。该研究选取路径SSP245情景下的CMIP6数据集预测河南省不同气候变化情景下2025、2035年降水量及其空间分布，利用CMIP6数据集得出河南省降水量分布图，如图10所示。

从图10可以看出，河南省在未来10～20 a，东部地区降水量空间分布将会呈现逐渐南移趋势，中部地区降水量相较于往年有明显减少，如许昌市、周口市、漯河市；东北部地区降水量变化最为明显，将会出现大幅减少。基于预测降水量空间分布结果，可以预估东北地区干旱天气的发生，对该地区农作物生长造成影响，导致农作物减产；西部地区降水量空间分布将会呈现出北移趋势，降水量出现急剧增加的趋势，在一定程度上会提高该地区农作物产量，但需要预防洪涝灾害［14］。

3 结论

该研究对1960—2020年河南省降水量的空间分布特征进行了分析，基于克里金（Kriging）插值法研究了河南省年际降水量空间分布规律，采用Mann-Kendall检验和Morlet小波分析方法，并进行可视化制图，得到河南省降水的变化趋势及其周期特征。基于CMIP6模型对河南省2025、2035年降水量的空间分布进行预测，获得以下结论：

（1）1960—2020年河南省117个地面气象站点年降水量的空间分布整体上自北向南呈现出明显的纬度地带性规律，年降水量自北向南逐步递增，呈现出北少南多的特征。通过4个研究时段分析得出，1960—2020年河南省降水量呈逐渐减少趋势，降水量较多的地区为南部的信阳市，降水量的空间分布逐渐由南部的信阳市向中部的驻马店市和东部的周口市蔓延，接着继续向中部的漯河市移动，最后又往东南部的南阳市延伸。

（2）1960—2020年河南省117个地面气象站点年降水量数据中小波强度最高的为55 a，即第一主周期为55 a，在此条件下的降水周期为1971—2008年，降水具有周期时间长的特点。

（3）以横向维度观察，近61 a河南省降水量呈现出了持续波动的状态，年降水量平均为584.7 mm。1961—1967年，降水量出现明显波动，1968—1982年波动变化趋于平稳，1983—1986年降水量再次出现明显波动，1987—1993年降水量经过波动增长后又趋于稳定波动状态，1994—2003年波动频繁且幅度较大，自2003年大幅增加后开始波动下降，并逐渐趋于较为平稳的波动状态。

（4）以纵向维度观察，近61 a来河南省年降水量最大值为2000年的893.2 mm，最小值为1967年的324.9 mm。此外，在1961—1963、1966—1967、1981—1982、1997—1998、1999—2000、2001—2003年降水量增加趋势十分明显；1964—1966、1984—1986、1996—1997、2000—2001、2017—2018年降水量下降趋势十分显著。

（5）对河南省近61 a降水量数据进行Mann-Kendall检验，发现数个降水突变点。其中1964、1985、2003、2012年中UF>0，河南省降水量明显增加；相反，1961、1993、2002、2019年中UF<0，河南省降水量呈下降趋势。

（6）通过CMIP6数据集不同SSP的RMSE值比较，选择拟合程度较高的中间路径SSP245情景模式，对河南省2025、2035年降水进行了预测，空间分布上与过去近61 a降水空间分布存在一定的相似性，各地降水量仍然存在由北向南递增的纬度地带性规律。

参考文献

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