近53年黃河流域降水時空分布特征

賀俊平，賀 振

商丘師范學院環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 商丘 476000

近53年黃河流域降水時空分布特征

賀俊平，賀 振*

商丘師范學院環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 商丘 476000

利用黃河流域76個氣象臺站近53 a（1960—2012）的逐日降水資料，采用國際上通用的極端降水事件指數(shù)，應用一元線性回歸法、移動平均法和徑向基函數(shù)空間插值法，研究了黃河流域極端降水指數(shù)時空變化特征。結(jié)果表明：（1）時間上，黃河流域年平均降水量在過去53 a下降趨勢較為顯著，降水傾向率為-7.2 mm/10a；極端降水量變化趨勢表現(xiàn)較為穩(wěn)定，極端降水傾向率為-0.64 mm/10a，呈不斷降低趨勢；極端降水強度傾向率為-0.078 mm/10a，呈不斷下降趨勢；極端降水比率總體表現(xiàn)為微弱增長趨勢，傾向率為0.49 mm/10a。（2）空間上，降水量空間分布具有明顯的差異性，由北至南呈階梯式逐漸增多趨勢，其中降水量最少的地區(qū)是以銀川為代表的周邊區(qū)域，最多的地區(qū)為黃河流域南部區(qū)域；極端降水量從北至南也具有逐漸增多態(tài)勢，與降水量具有相似的空間分布特點，且極端降水量越多的地區(qū)降水總量也相對較多；極端降水強度表現(xiàn)出由流域西部向東部逐漸增多的趨勢，西部最低值為不到20 mm/d，逐漸向東過渡到最大值為76 mm/d；極端降水比率的分布呈由北向南逐漸遞減的特點，并且出現(xiàn)了以銀川為中心的極大值和以西安為中心的極小值分布格局。

極端降水；極端降水指數(shù)；時空變化；黃河流域

受全球氣候變暖和人類活動的影響，極端天氣氣候事件趨多趨強，已逐漸成為全球主要的氣象災害之一[1,2]。極端天氣氣候事件在糧食生產(chǎn)、社會經(jīng)濟、水資源、生態(tài)安全等方面已產(chǎn)生了巨大影響，正日益引起各國政府和專家學者的重視與關(guān)注[3-5]。中國是世界上受氣候災害影響最為嚴重的國家之一，頻發(fā)的氣象災害不僅威脅到人民的生命財產(chǎn)安全，而且對社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展造成了嚴重影響。

近年來，國內(nèi)外氣象學者利用不同方法，從不同角度對極端天氣氣候事件進行了大量研究，取得了許多重要的研究成果，對氣象災害的預測、評估起到了非常重要的推動作用。翟盤茂等通過對中國極端降水研究后發(fā)現(xiàn)，中國總降水量變化不明顯，但降水強度在逐漸增強[6,7]。楊東、楊興梅等對甘肅黃土高原極端降水的時空分布研究后認為，極端降水在西南部和東北部存在減小趨勢，且夏季極端降水的頻數(shù)和強度在時空上也具有很大的差異[8,9]。佘敦先等分析了淮河流域極端降水事件的時空變化趨勢，認為淮河流域大多數(shù)站點年最大日降水量有增加的趨勢，僅有少數(shù)站點有減少的趨勢，但趨勢均不明顯[10]。胡豪然等分析了四川盆地汛期極端降水事件的時空演變特征，認為該區(qū)汛期極端降水事件的發(fā)生頻次分布與降水量分布差異較大，由西向東呈階梯狀遞減趨勢[11]。李小亞等分析了河西地區(qū)極端降水的時空變化特征，結(jié)果表明研究區(qū)各極端降水指數(shù)均呈增加趨勢[12]。劉健等分析了近50a來黃河三角洲地區(qū)極端降水事件變化特征，結(jié)果表明研究區(qū)的逐年最大日降水量、強降水日數(shù)、強降水強度、暴雨日數(shù)和暴雨強度等5個指數(shù)均呈現(xiàn)逐步下降趨勢[13]。李運剛等基于極端降水指數(shù)法分析了紅河流域極端降水事件的時空變化特征，結(jié)果表明極端降水頻次和強度表現(xiàn)出從東南向西北遞減的特征[14]。張延偉等對新疆極端降水的空間分布和時間趨勢進行了分析，結(jié)果表明新疆極端降水事件存在著明顯的年代際特征，而且還存在準3 a和7 a的震蕩周期[15]。孫鳳華等分析了東北地區(qū)的暴雨、嚴重干燥事件等極端降水事件的時空演變特征，并從極端降水事件發(fā)生頻率和強度變化的角度解釋旱澇災害加劇的原因[16]。肖艷等分析了湘江流域極端降水事件的變化特征，研究了不同強度降水事件的時空分布特征，結(jié)果表明湘江流域各極端降水指數(shù)均呈增加趨勢[17]。李斌等分析了瀾滄江流域極端降水變化特征，認為流域總體上極端降水頻率的增加態(tài)勢明顯，且極端降水的增加可能與氣候系統(tǒng)隨機性變強有關(guān)[18]。張勇等對中國極端降水事件進行了模擬，認為未來長江流域洪澇災害事件發(fā)生的頻率將可能增大[19]。

從以上研究成果可看出，目前關(guān)于中國各區(qū)域極端降水事件的研究已做了大量工作，也逐漸認識到極端降水事件的巨大危害，并有針對性地提出了許多應對策略與建議。然而，由于受地形、氣候等因素的影響，極端降水事件的區(qū)域性差異很大，使得其發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和機制并不盡相同。黃河流域主要位于中國的干旱半干旱地區(qū)，水土流失面積廣、強度大，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是我國水土保持的重點區(qū)域。鑒于此，本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)研究區(qū)內(nèi)76個氣象站1960～2012年降水日值資料，研究了流域極端降水事件的時空變化，揭示該地區(qū)極端降水事件的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，為研究極端天氣氣候規(guī)律積累個案，為提高極端天氣氣候事件的監(jiān)測、預測能力，制定國家防御自然災害規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略措施提供科學依據(jù)。研究成果將對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)及社會可持續(xù)發(fā)展起到積極作用，對流域防災減災和經(jīng)濟建設具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

黃河流域地理環(huán)境、氣候條件十分復雜，其人口、資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展一直是人們關(guān)注的焦點。黃河流域位于96°～119°E，32°～42°N之間，東西長約1900 km，南北寬約1100 km，流域總面積達80萬km2左右。黃河流域幅員遼闊，地形地貌差別很大，從西到東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個地貌單元。流域內(nèi)氣候大致可分為干旱、半干旱和半濕潤氣候，西部干旱，東部濕潤，且冬干春旱，夏秋多雨。特殊的黃土高原地形地貌環(huán)境，使得該區(qū)水土流失對降水，特別是極端降水事件具有較強的敏感性，是黃河流域水土流失最嚴重的地區(qū)。因此，研究黃河流域極端降水時空變化對了解流域水土流失和生態(tài)環(huán)境變化，保護和合理利用水土資源，減少氣象災害，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用氣候數(shù)據(jù)為中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的1960～2012年逐日降水實測資料。為了使得研究區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和統(tǒng)一性，在選取氣象站時，剔除了1960年之后建立的氣象站，選擇在1960～2012年間連續(xù)存在的氣象站，最終共有76個氣象站符合條件（圖1）。其次，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制和錯誤值修正。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對于極端降水事件，中國氣象局將50 mm的日降水量作為極端降水事件的閾值，但由于研究區(qū)特殊的地理位置和氣候環(huán)境，以及氣候存在地域性差異等原因，用50 mm降水作為閾值對于干旱、半干旱地區(qū)幾乎檢測不到極端降水。因此，為克服這種不足，本文采用國際上通用的百分位法來確定各站極端降水事件的閾值。具體方法是：將1960～2012年逐年的日降水量（有降水日）序列由小到大排列，取其第95個百分位數(shù)的53 a平均值作為極端降水事件的閾值，當某站某日降水量超過這個閾值時，就認為是一次極端降水事件。為了全面分析黃河流域極端降水事件的時空變化特征，本文選取了4個降水指數(shù)（表1）。極端降水量為每年極端降水事件的降水量總和，表征極端降水量的多少。極端降水強度為極端降水量與極端降水天數(shù)的比值，強度越大可能造成的危害也越大。降水比率為極端降水量占總降水量的比值，反映極端降水量對總降水量的貢獻，在一定程度上也表征極端降水對洪澇等自然災害的貢獻率。

圖1 黃河流域氣象站分布Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations

表1 極端降水指數(shù)定義Table1 Extreme precipitation indices

2.3 研究方法

首先，在確定了極端降水事件閾值的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計黃河流域地區(qū)1960～2012年逐年逐站的極端降水指數(shù)。其次，逐年計算各指數(shù)76個氣象站的區(qū)域平均值并建立時間序列，采用一元線性回歸統(tǒng)計方法和5年移動平均法計算各指數(shù)的回歸趨勢方程和移動平均曲線。其中，若線性回歸方程的斜率大于0，表示該指數(shù)在53 a間呈上升趨勢，反之，表示該指數(shù)呈下降趨勢。最后，逐站分別計算各指數(shù)53 a間的平均值，代表該氣象站53a間的極端降水指數(shù)值，每個指數(shù)共產(chǎn)生76個空間點值，然后利用ArcGIS的徑向基函數(shù)插值法進行空間插值，形成各指數(shù)在區(qū)域上的空間連續(xù)分布。徑向基函數(shù)插值法如同將一個軟膜插入并嚴格經(jīng)過各個已知樣點，同時又使表面的總曲率最小，屬于精確插值方法。

圖2 黃河流域極端降水事件年際變化Fig.2 Annual variation of extreme precipitation indices in Yellow River Basin

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水時間變化特征

圖2顯示了各極端降水指數(shù)的年際變化。從降水總量的年際變化曲線可以看出（圖2a），在過去53 a，黃河流域年平均降水量呈微弱下降趨勢，降水傾向率為-7.2 mm/10a。5年移動平均曲線表明，在1964～1971年間，流域降水總量為正距平，均高于平均值，表明此時段降水相對較多，但總降水量呈不斷下降趨勢。在1972～1985年間，降水量又出現(xiàn)了不斷增長趨勢，經(jīng)歷了負-正-負-正距平的較小波動。從1985至2001年，流域降水量出現(xiàn)了多次波動，但總體表現(xiàn)為降水量逐漸減少，由正距平逐漸向負距平轉(zhuǎn)變。在2001～2012年間，降水量在波動中由負距平逐漸向正距平轉(zhuǎn)變，表明此時段降水總量在不斷增多。

極端降水量變化趨勢表現(xiàn)較為穩(wěn)定，極端降水傾向率為-0.64 mm/10a，呈不斷降低趨勢，與53 a平均極端降水量基本持平（圖2b）。在1964～1974年間，極端降水量由正距平逐漸向負距平轉(zhuǎn)變，表明降水量在不斷減少。從1974至1979年，極端降水量由負距平轉(zhuǎn)向了正距平，表明降水量在不斷增加。其后至1985年，極端降水一直處于正距平狀態(tài)，說明此時段極端降水相對較多。從1986至2001年，極端降水又從上一時段的正距平轉(zhuǎn)變?yōu)樨摼嗥剑⒈３窒鄬ζ椒€(wěn)狀態(tài)，表明此時段的極端降水一直處于較低水平。從2001年至2012年，極端降水出現(xiàn)了負-正-負-正的較小波動，但總體表現(xiàn)為極端降水增加趨勢。

極端降水強度總體變化趨勢也比較穩(wěn)定（圖2c），極端降水傾向率為-0.078 mm/10a，呈不斷微弱下降趨勢，與53 a平均極端降水強度基本持平。在1964～1980年間，極端降水強度在波動中趨于穩(wěn)定。從1980至1986年，極端降水強度處于正距平，表明此時段極端降水強度相對較大。在1986～1996年間，極端降水強度處于負距平，整體表現(xiàn)為極端降水強度較低。從1996年到2007年，極端降水強度又從負距平轉(zhuǎn)向了正距平，整體表現(xiàn)為快速增長態(tài)勢，隨后至2012年，又轉(zhuǎn)向了負距平，表現(xiàn)為極端降水強度逐漸降低。

黃河流域極端降水比率總體表現(xiàn)為增長趨勢，傾向率為0.49 mm/10a（圖2d）。在1964～1978年間，極端降水比率在波動中趨于穩(wěn)定，但一直處于負距平。從1978到1981年，極端降水比率從負距平轉(zhuǎn)向了正距平，表現(xiàn)為不斷增長態(tài)勢。從1981至1993年，極端降水比率又從正距平轉(zhuǎn)向了負距平，表現(xiàn)為極端降水比率逐漸降低。在1993～2007年間，極端降水比率又從負距平轉(zhuǎn)向了正距平，整體表現(xiàn)為增長態(tài)勢。隨后至2012年，又出現(xiàn)了較小的波動，但極端降水比率整體表現(xiàn)為逐漸降低趨勢。

3.2 極端降水空間分布特征

圖3為1960—2012年各極端降水指數(shù)的空間分布。從降水總量空間分布圖可以看出（圖3a），多年降水總量具有明顯的空間差異特性，降水總量由北至南呈階梯式逐漸增多趨勢。其中降水量最少的地區(qū)是以銀川為代表的周邊區(qū)域，平均年降水總量僅為143～286 mm，降水量最多的地區(qū)為黃河流域的南部地區(qū)，平均年降水量為1000 mm左右。

極端降水量空間分布規(guī)律與平均年降水量空間分布具有非常相似的變化特征（圖3b），極端降水量從北至南也具有逐漸增多態(tài)勢，且極端降水量較多的地區(qū)同時也具有較大的降水總量。在空間分布上，極端降水量最少的地區(qū)也是以銀川為代表的周邊區(qū)域，平均年極端降水量僅為54～86 mm之間，極端降水量最多的地區(qū)仍是以黃河流域的南部居多。

圖3c為極端降水強度空間分布。由圖可知，平均年極端降水強度表現(xiàn)出由流域西部向東部逐漸增多的趨勢。西部最低值為不到20 mm/d，而逐漸向東過渡到最大值為76 mm/d，表現(xiàn)出明顯的由西至東逐漸增大的規(guī)律性。

從極端降水比率空間分布可以看出（圖3d），平均年降水比率的分布呈由北向南逐漸遞減的特點，并且有兩個集中區(qū)，其中銀川附近的極大值為40%左右，而向南逐漸減少，到西安出現(xiàn)了一個極小值，為30%左右。其次，黃河流域西部的極端降水比率也較小，且由西向東逐漸增大。

總的來說，黃河流域降水指數(shù)有明顯的區(qū)域性特點，這主要由流域特定的地形、地貌和地理位置所決定。

圖3 黃河流域極端降水事件空間分布Fig.3 Spatial distribution of extreme precipitation indices in Yellow River Basin

4 結(jié)論

本研究采用黃河流域76個地面氣象站點1960—2012年的逐日降水資料，運用一元線性回歸、移動平均法和插值法，分析了研究區(qū)53年來極端降水的時空分布特征?？偟膩碚f，黃河流域極端降水具有明顯的區(qū)域性規(guī)律：

（1）在時間上，黃河流域年平均降水量在過去的53 a中呈微弱下降的趨勢，降水傾向率為-7.2 mm/10a。在1964—1971年間，流域降水總量相對較多。在1972—1985年間，降水量又出現(xiàn)了不斷增長的趨勢。從1985至2001年，降水量不斷減少。在2001—2012年間，降水量在波動中由負距平逐漸向正距平轉(zhuǎn)變，表明此時段降水量總體在不斷地增多。

極端降水變化趨勢表現(xiàn)較為穩(wěn)定，極端降水傾向率為-0.64 mm/10a，呈不斷降低趨勢。在1964～1974年間，極端降水量在不斷減少。從1974至1979年，極端降水量在不斷增加。其后至1985年，極端降水相對較多。從1986至2001年，極端降水一直處于較低水平。從2001年至2012年，極端降水總體表現(xiàn)為增加趨勢。

極端降水強度總體變化趨勢也比較穩(wěn)定，極端降水傾向率為-0.078 mm/10a，呈不斷降低趨勢。在1964～1980年間，極端降水強度在波動中趨于穩(wěn)定。從1980至1986年，極端降水強度相對較大。在1986～1996年間，極端降水強度較低。從1996年到2007年，極端降水強度整體表現(xiàn)為快速增長態(tài)勢，隨后至2012年，極端降水強度逐漸降低。

黃河流域極端降水比率總體表現(xiàn)為增長趨勢，傾向率為0.49 mm/10a。在1964～1978年間，極端降水比率處于負距平。從1978到1981年，極端降水比率整體表現(xiàn)為不斷增長態(tài)勢。從1981至1993年，極端降水比率表現(xiàn)為逐漸降低。在1993～2007年間，極端降水比率整體表現(xiàn)為增長態(tài)勢，隨后至2012年，又表現(xiàn)出逐漸降低趨勢。

（2）空間上，多年平均降水總量具有明顯的空間差異特性，降水總量由北至南呈階梯式逐漸增多趨勢。其中降水量最少的地區(qū)為以銀川為代表的周邊區(qū)域，降水量最多的地區(qū)為黃河流域的南部地區(qū)。

極端降水量從北至南也具有逐漸增多態(tài)勢，且極端降水量較多的地區(qū)同時也具有較大的降水總量。極端降水量最少的地區(qū)仍是以銀川為代表的周邊區(qū)域，極端降水量最多的地區(qū)還是以黃河流域的南部居多。

極端降水強度表現(xiàn)出由流域西部向東部逐漸增多的趨勢。西部最低值為不到20 mm/d，而逐漸向東過渡到最大值為76 mm/d，表現(xiàn)出明顯的由西至東逐漸增大的規(guī)律性。

極端降水比率的分布呈由北部向南逐漸遞減的特點，并且有兩個集中區(qū)，其中銀川附近的極大值為40.17%，而向南逐漸減少，至西安出現(xiàn)了一個極小值，為30%左右。

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Spatio-temporal characteristics of extreme precipitation event in Yellow River basin in recent 53 a

HE Junping, HE Zhen
College of Environment and Planning, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, Henan, China

Based on daily precipitation data of 76 meteorological stations in Yellow River basin from 1960 to 2012，four precipitation indices were calculated, the inter-annual change trends were studied by methods of regression analysis and five years moving average, and spatial distribution characteristics of the precipitation indices were analyzed by radial base interpolation. The results show: (1) In time, In the period of 1960～2012, average annual rainfall were significant descend with the rate of -7.2/10a, extreme precipitation was the same descend trend with the rate of -0.64/10a as intensity of extreme precipitation with the rate of -0.07827/10a, extremeprecipitation concentration ratio has increased weakly by the rate of 0.49/10a. (2) In space, the spatial distribution of extreme precipitation indices exhibited notable spatial disparity. Rainfall increased significantly from north to south, and the area with the least rainfall is located in the peripheral region of Yinchuan, the most rainfall in the southern Yellow River Basin. Extreme precipitation showed an increasing trend and the same spatial distribution characteristics as rainfall, and the more extreme precipitation, the more rainfall. Intensity of extreme precipitation had an increasing trend from west to east, and the minimum value of less than 20mm/d in west, maximum value of more than 76mm/d in the east. Extreme precipitation concentration ratio has a decreasing trend from north to south with a maximum value centering on Yinchuan, a minimum value centering on Xi’an city.

extreme precipitation event; extreme precipitation indices; Spatio-temporal characteristics; Yellow River basin

P467

A

1674-5906（2014）01-0095-06

賀俊平，賀振. 近53年黃河流域降水時空分布特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(1): 95-100.

HE Junping, HE Zhen. Spatio-temporal characteristics of extreme precipitation event in Yellow River basin in recent 53 a [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 95-100.

國家自然科學基金項目（41101072）；2011年度河南省科技攻關(guān)重點項目（112102210209）；2011年度河南省教育廳自然科學研究計劃項目（2011B170007）；2012年度河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目（12B420003）

賀俊平（1976年生），女，主要從事區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境研究，E-mail: hejunping_2005@126.com；*通信作者：賀振，男，主要從事遙感定量反演與GIS開發(fā)應用研究，E-mail: hezh911@yeah.net

2013-07-06