近60年來南四湖流域降水變化特征分析

田莉娟, 薛麗芳, 楊 慧, 孟瑤瑤

(中國礦業大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221000)

降水作為基本的氣候要素，其年際變化和年內分配直接影響區域乃至全球的水分平衡，對于改變自然生態環境和社會經濟生活有著重要影響[1-2]。在全球變暖的背景下，極端天氣現象如城市內澇、高溫干旱等頻發，特別是降水量時空格局發生變化，使得降水變化成為全球氣候變化研究的熱點領域[3-5]。研究表明，近50 a來中國降水存在明顯的區域差異和年際變化，降水周期變化顯著[6-7]。研究不同區域時，需根據區域特有的降水變化特性展開針對性研究[8]。近年來，眾多學者利用水文站點降水數據分析各區域的降水變化情況，成功探討了區域水循環、氣候變化等特征[9-10]。

南四湖流域是華北地區最大的淡水湖泊，南水北調東線工程重要的調蓄樞紐，東部重要的糧食生產基地和能源基地，降水量的變化對流域水資源利用、工農業生產、漁業生產、生態平衡、防洪抗旱以及社會經濟發展具有重要影響。但受降水自然分配特征和人類活動的影響，流域內降水時空分布不均，水旱災害頻發，自然災害成為制約該地區國民經濟特別是農業經濟和農業持續發展的主要因素[11]。隨著近幾年來南四湖流域特大城市建設和城鄉統籌戰略的實施，流域生產、生活、生態用水矛盾將更加尖銳突出，水資源的短缺和合理開發利用是流域面臨的關鍵問題之一。基于南四湖流域內的8個雨量站點數據，采用多種定量計算方法，對南四湖流域降水變化特征進行初步研究，以期揭示降水的時空分布特征，為流域合理配置水資源、防洪減災、保護生態環境和生命財產安全等提供依據。

1　研究區概況

南四湖流域分屬淮河流域泗河水系，主要位于山東省西南地區，并向南延伸至江蘇北部地區，大約在北緯34°24′—35°59′和東經115°02′—117°42′，流域面積30 453 km2。南四湖湖泊呈西北—東南走向，湖腰處建有二級壩，分湖泊為上級湖與下級湖，入湖河流有53條，集流面積超過1 000 km2的有9條，主要分布在上級湖區。以南四湖和京杭大運河為界，分為湖東、湖西兩部分，湖西地處黃河與古黃河之間的黃泛平原處，地勢平緩；湖東為低山丘陵和山前沖洪積平原，起伏較大；湖西流域以萬福河為界、湖東流域以十字河為界，劃分流域南北界限。氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，年均降水750 mm。

2　數據來源和方法

2.1　數據來源

(1) 降水數據。選取流域8個代表性好、可靠性強的雨量站點(湖西的魚城站、孫莊站、梁山閘站、后營站；湖東的黃莊站、書院站、滕縣站、薛城站)1952—2011年日降水資料。各站點均為國家基本雨量站，建于20世紀50年代初，在流域內分布均勻。降水數據來源于水利部淮委沂沭泗水利管理局公布的淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案，以及中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。

(2) DEM數據。來源于國際科學數據服務平臺網站，分辨率為30 m(圖1)。

圖1研究區示意圖

2.2　研究方法

運用matlab，surfer等軟件，對降水的年內分配、年際的趨勢與周期指標進行計算分析，采用的指標與方法有：

(1) 降水的年內分配指標。降水集中度(Cd)和集中期(D)[12-15]、不均勻系數(Cv)[14-15]和調節系數(Cr)[14-15]以及變化幅度(C)[14]，均是標準統計量，能很好地反映過程內降水的時空非均勻性分布特征。其中集中度和集中期反映降水總量在各時段的集中程度，Cd取值在0.0～1.0，Cd值越接近1.0，表明降水量越集中在某一段時間；相反Cd值越接近0，表明各降水量越均勻,D計算的是合成向量的方位角,經換算后可反映年最大降水量集中于哪一時段內,不均勻系數表征降水量年內分配的不均勻性，調節系數反映降水的年內分配特征[16]。

(2) 空間差值。協同克里金(Co-Kriging)插值方法能將地形等復雜的因素添加到插值處理中，能夠更為精確地對南四湖流域降水量的空間分布進行模擬[17]。

(4) 降水年際周期變化。降雨量的時間序列作為一種信號，還存在多時間尺度的特點[19]。小波分析法作為一種高效的信號分析處理方法，已廣泛運用于降水時間序列分析[20-23]。

3　結果與分析

3.1　降水的年內分配特征

3.1.1時間變化南四湖流域地處暖溫帶季風氣候區，受季風環流影響，降水年內分配不均(表1)。以氣象法劃分季節，夏季受來自太平洋的海洋性季風的影響，形成強降水，量大而集中，一般為380～492 mm，占全年降水的58%～66%；冬季受蒙古—西伯利亞寒流的控制，大陸性季風強，氣候干冷，降水僅28～44 mm，占全年的4%～5.6%；春、秋兩季降水量分別為104～129 mm，106～134 mm，占全年降水量的15%～18%，17%～20%。流域降水一般集中于汛期(6—9月)，降水量為458～557 mm，在全年降水比重為70%～74%。

表1　南四湖流域各站點降水年內分配特征 mm

3.1.2非均勻性特征降水的非均勻性可用于預測流域旱澇災害的發生，降水量多的年份也可能出現旱災，這是因為Cd較大，降水集中，從而降水集中于汛期而其他時段的降水量很少，反之則全年出現旱澇災害的可能性較小，表2中全流域降水的Cd為0.56～0.62，Cv為0.89～1.04，Cr為0.52～0.55，變化幅度不明顯，表明降水較集中。全年最大降水日期在7月，由集中期可看出，流域7月初形成強降水，161～211 mm，占全年降水的25%～29%，由于雨帶從太平洋向內陸移動，最大降水日期南部地區早于北部。

降水集中度高，說明降水集中于某時段，強降水導致洪水爆發，從而其他季度降水稀少，干旱災害嚴峻。流域內降水的年內分配不均，降水集中于7月初，使得湖區地勢低洼之處常常出現“有水澇災、無水旱災”的境況，給農業生產與經濟發展帶來巨大阻力。

3.1.3空間變化鑒于南四湖流域復雜的地形特征，本文采用考慮高程因素的協同克里金(Co-Kriging)法對流域降水量進行插值計算，得到南四湖流域1952—2011年平均降水的空間分布圖(圖2)。流域多年平均降水量呈現典型的由東到西的遞減規律(圖2A)，空間分布極不均勻，湖東的薛城站代表的流域多年平均降水量最大，形成(面積為4 107 km2的)降水高值中心，年均降水量可達780 mm；湖西孫莊站以西，降水最少，在650 mm左右。降水量的空間分布格局呈現較明顯的季節差異：夏季降水在多年平均由東到西遞減分布格局的基礎上，稍微偏東南向(圖2B)，降水等值線表現出在降水中心密集分布而外圍稀疏分布的特征，圍繞著薛城、藤縣、魚城站形成降水的強高值中心，降水高值區的(面積擴張到9 553 km2)影響范圍遠遠大于多年平均降水量下的降水高值中心。湖西的孫莊站所代表的流域由于地勢低洼、氣流下沉，在夏季形成降水低值中心。冬季降水普遍偏少，降水的空間分布呈典型的東南—西北向遞減規律，東南部降水較多，后營、黃莊、書院站的降水量低至30 mm左右；等值線分布比較均勻(圖2C)。流域年降水量東多西少的空間分布特征是受氣候、地理位置、地形等因素共同作用的結果。東南部緯度相對較低，氣溫較高，氣旋活動頻繁，加上湖東為山丘區，易形成地形雨，湖西地勢平坦，大陸性強，降水低于湖東流域。夏季太平洋季風水汽輸送中心增強并向北移，使得南四湖流域水汽通量明顯增加，同時夏季受大氣環流的影響，強降水范圍略高于年平均水平；冬季在西北季風的作用下，水汽輸送大幅減少，降水較少。

表2　南四湖流域各站點降水特征值

3.2　降水的年際變化

3.2.1降水年際趨勢變化流域內各站點多年平均降水約為655.48～784.92 mm。基于ArcGIS軟件構建、優化、裁剪得到了南四湖流域的泰森多邊形，之后進行面積權重的計算，最后根據各雨量站點多年平均降水進行加權平均計算出全流域的多年平均降水量為752.06 mm。對各站點及全流域降水進行M-K秩次相關檢驗(表3)，滕縣、后營的統計量U值為負值，分別為-0.84，-0.24，表明多年降水呈下降趨勢；其他站點為正值，即降水增加，且各站點U值均未通過顯著性檢驗，表明年際變化不顯著；全流域U值為-0.54，即不顯著減少趨勢。從降水歷史來看，20世紀50—60年代為流域的豐水年，80年代到世紀末為枯水期，加上流域內工農業用水量的急劇增加，流域水資源量入不敷出，幾度出現湖水干涸的嚴重現象。

圖2　南四湖流域降水量空間分布

表3　南四湖流域降水的M-K檢驗

根據流域實際加權降水量數據繪制全流域降水多年變化趨勢圖(圖3)。由圖3可以看出，流域內降水年際波動，存在明顯的突變極值點。1957年、1958年、1964年、2003年為大水之年，降水分別為1 136.8，1 041.33，1 267.28，1 169.88 mm，2003年降水量位居1950年以來的第2位；1968年、1988年、2002年為枯水年，降水分別為453.60，370.97，422.35 mm；2002年遭遇了百年一遇的大旱，地表水源不足，干旱缺水成為影響流域經濟發展和糧食安全的主要瓶頸問題。2003年較2002年降水增加約747.53 mm，提高177%，降水的增加對補給流域地下水，改善湖區水環境，緩解流域水資源供需矛盾等具有明顯的作用。若降水量過多易形成洪澇災害，對流域堤防防汛，內澇排水造成很大壓力，特別是對于地勢較低的一些地區，雨水不能迅速宣泄造成農田積水和土壤水分過度飽和，造成更多的地質和農業災害。10 a尺度上，1960年以前降水較多，1966年以后處于偏枯期，持續至70年代初期，降水偏豐，緩和流域內的干旱災情；1980年以來，出現旱澇交替現象；2003年以來降水偏豐。

3.2.2降水年際周期變化對全流域加權降水數據進行標準化處理，基于年降水量求出其距平百分比，作連續Morlet小波變換。利用matlab，surfer軟件計算年降水的小波系數和小波方差，繪制小波系數等值線圖(圖4)。在一定尺度下，流域小波變換實部系數(圖4A)反映近50 a降雨量在不同時間尺度上的周期震蕩特征，等值線數值為正(圖中黃色區域)代表降雨偏多，數值為負(圖中灰色區域)代表降雨偏少，絕對值越大表示變化越顯著。

圖3　南四湖流域降水趨勢變化

全流域降水量在整個時間域上存在8～12 a，20～26 a時間尺度的變化周期，這兩種時間尺度貫穿全時間序列，降水豐、枯相間分布，波動極值點分布規律、表現出明顯的突變振蕩關系，具有全域性，是流域降水的主導周期，此外還存在4～6 a，6～8 a，13～17 a，30～32 a等多個短周期，這4個周期具有局部性。因此，南四湖流域降水量變化并沒有一個固定的周期，而是多種時間尺度相互嵌套。

圖4A小波實部圖中在8～12 a時間尺度上，降水存在多→少→多→少等9次振蕩周期，降水偏多與偏少相間分布，突變極值點增加，其中心時間尺度為10 a左右，在20～26 a時間尺度上，存在4個準周期，降水經歷少→多→少→多的4次循環交替，周期振蕩強烈。中心時間尺度為22 a左右。圖4B中顯示2個很明顯的峰值，對應著10 a，22 a的時間尺度，同時存在15 a，5 a，8 a的次峰值，驗證了小波實部圖中主導周期的準確性。最大峰值為10 a，說明10 a左右的周期振蕩最強，是流域降水的第一主周期，22 a為降水變化的第二主周期，15 a為第三周期。這3個主周期在近60 a降水量序列中起主要作用，其中10 a尺度最為顯著。

圖4　小波變換系數

依據小波方差結果繪制主周期小波系數(圖4C)，為正表示多雨期，反之少雨期。10 a尺度上，降水在1952—2011年豐枯變化顯著，豐水、枯水持續時間約為3 a，4 a，可以推測2010年以后小波系數為正，2011—2013年降水將進入偏多期；22 a尺度上降水經歷了4次由少到多的周期振蕩變化，持續時間約為7 a，8 a，突變點為1959年、1967年、1974年、1982年、1989年、1996年、2003年、2011年，可推測降水在2010年以后為負，2011—2017年左右降水將處于偏少期。

據中新網國家防汛抗旱總指揮辦公室發布的2014年干旱災害情況顯示：2014年南四湖流域降水僅370 mm，較往年同期少3成左右；7月底，上下級水位降至32.73 m和31.81 m，部分湖床裸露，對湖區生態環境產生巨大影響。2014年發布的干旱災害情況與小波分析結果一致，可驗證小波變化方法的適用性。

4　結 論

(1) 南四湖流域降水年內分配不均，最大降水在7月10號附近，汛期(6月—9月)降水占全年的70%～74%，流域多年平均降水呈不顯著減少趨勢，從東向西遞減趨勢明顯。降水量的空間分布具有較明顯的季節差異：夏季降水圍繞薛城、藤縣、魚城站形成降水的強高值中心，降水高值區影響范圍遠大于多年平均水平，冬季降水較少，等值線分布比較均勻。

(2) 全流域多年平均降水約為714.29 mm，M-K檢驗U值為-0.54，表明多年來降水減少趨勢不顯著。受季風環流的強弱和活動范圍不同的影響，存在明顯的降水突變與振蕩。

(3) 降水年際周期變化主要時間尺度是10 a，22 a，其中10 a時間尺度周期振蕩強烈，貫穿整個時域；22 a為降水的第二主周期，兩個時間尺度對流域降水周期變化起到主導作用。在10 a尺度下經歷了多→少→多等9次周期振蕩，22 a尺度下經歷少→多→少等4次突變振蕩。根據降水的小波主周期變化特征，可預測南四湖流域2014年以來處于降水相對偏少期。

降水的年內分配與年降水量是流域旱澇災害的兩個極為重要的驅動因子，降水年內集中度高的地區，若降水量大，易引起洪澇災害，反之旱情加劇。降水年內分配與主周期振蕩趨勢特征，可預測流域未來降水變化趨勢與空間特征，為災害預防、水資源利用提供借鑒與理論指導。

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