近59年河南省汛期降水時(shí)空變化特征研究

張志高，耿益新，蔡茂堂，尹紀(jì)媛，張秀麗，孫梓欣

(1.安陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽 455000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

20世紀(jì)以來，全球氣候顯著變暖[1]，以增暖為主要特征的全球氣候變化使得地表蒸散發(fā)加劇，極端降水事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度急劇增加，深刻地影響地球的水循環(huán)[2,3]。在此背景下，我國很多區(qū)域蒸散及降水時(shí)空分布規(guī)律也顯著發(fā)生變化，嚴(yán)重影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4,5]。汛期降水是全年降水的集中時(shí)期，也是暴雨洪澇災(zāi)害集中頻發(fā)期，因此研究汛期降水具有重要意義，近年來，國內(nèi)外對(duì)汛期降水的研究取得了一系列成果。在模型方法方面，崔玉娟等[6]采用EOF分析方法對(duì)江浙滬地區(qū)的汛期降水時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究；王雅燕[7]運(yùn)用主成分分析對(duì)安徽省汛期降水特征進(jìn)行了空間聚類；羅玉等[8]采用小波分析方法對(duì)四川省汛期降水周期特征進(jìn)行了分析；曹永強(qiáng)和李曉瑞[9]利用向量分析原理對(duì)河北省汛期降水的集中度和集中期進(jìn)行了研究；宋蘇林等[10]運(yùn)用Hurst指數(shù)法預(yù)測了小清河流域汛期降水的未來變化趨勢；在空間尺度方面，張健和李永生[11]對(duì)黑龍江汛期降水及分型特征進(jìn)行了研究；鄧鵬鑫等[12]等對(duì)漢江流域汛期降水的趨勢性、周期性及突變性特征進(jìn)行了研究；黃灝和趙海坤[13]利用山東省22個(gè)氣象站1981-2017年降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了區(qū)域內(nèi)汛期降水時(shí)空特征；王景才等[14]利用淮河上中游流域19個(gè)氣象站點(diǎn)資料對(duì)流域主汛期降水的趨勢、周期及空間分布特征進(jìn)行了研究；也有學(xué)者對(duì)影響因子如厄爾尼諾[15]、北極海冰[16]、伊朗高壓[17]以及印度洋暖池?zé)岷縖18]對(duì)地區(qū)汛期降水的影響進(jìn)行了分析。

河南省地跨南北氣候過渡帶，受季風(fēng)和區(qū)域內(nèi)地形差異以及全球氣候變化的影響，降水時(shí)空分布不均，夏季降水量約占全年降水量的50%～60%，致使旱澇等氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了諸多不利影響。以往關(guān)于河南省降水方面的研究主要集中于降水量變化的平均態(tài)[19]、極端降水[20]或短時(shí)降水特征[21]等方面，而對(duì)河南省降水非均勻性特征方面的研究還較少，因此，本文采用河南省15個(gè)氣象站1960-2018年氣象觀測資料，運(yùn)用衡量降水集中程度的Q指數(shù)和GIS等方法對(duì)河南省汛期(6-9月)降水集中程度、降水量和降水日數(shù)及其傾向率時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，以期為深入認(rèn)識(shí)氣候變化背景下河南省降水規(guī)律以及防洪抗災(zāi)提供依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 研究資料

選取河南省15個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2018年汛期逐日降水實(shí)測數(shù)據(jù)，資料來源于國家氣象局中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov)中國地面氣候資料數(shù)據(jù)集。運(yùn)用RClimDex軟件等對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步質(zhì)量控制，經(jīng)整理后59 a降水資料具有較好的連續(xù)性。研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Spatial distribution of the meteorological stations in Henan Province

1.2 Q指數(shù)法

降水集中度Q指數(shù)是利用信息熵[22]的概念來表征研究時(shí)段內(nèi)降水量時(shí)間分配特征的方法，運(yùn)用Li等定義的Q指數(shù)法對(duì)河南省汛期降水集中程度進(jìn)行研究，其計(jì)算為[23,24]：

(1)

式中：N為研究時(shí)段的總?cè)諗?shù)，在本研究中為河南省汛期6-9月共計(jì)122 d；P(xi)為第i日降水量對(duì)研究時(shí)段降水的貢獻(xiàn)率；Qi(0-1)表示降水集中程度，Q值越接近1，說明降水越集中出現(xiàn)在汛期的少數(shù)天里，越容易出現(xiàn)由降水主導(dǎo)的洪澇災(zāi)害；而Q值越接近0，表明降水趨向于平均分配，造成干旱或洪澇災(zāi)害的可能性就相對(duì)減少。

1.3 降水量等級(jí)劃分

為分析河南省1960-2018年汛期不同強(qiáng)度降水量的時(shí)空變化特征，參考國標(biāo)《降水量等級(jí)GB/T 28952-2012》[25]中關(guān)于降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將≥1.0 mm的24 h降水量定義為有效降水，≥25.0 mm的24 h降水量定義為強(qiáng)降水，≥50.0 mm的24 h降水量定義為極端降水。

2 河南省汛期降水特征

2.1 Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)時(shí)間變化特征

圖2為河南省1960-2018年汛期Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)變化情況。由圖2可知，河南省汛期Q指數(shù)在0.324～0.509之間波動(dòng)，其中2003年最小，1999年最大，多年平均值為0.408，傾向率為0.002/10 a，呈微弱上升趨勢。1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之間，其中2000年最大，1966年最小，多年平均值為470.43 mm。59年來河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的傾向率呈微弱上升趨勢。汛期降水量歷年波動(dòng)較大，其中1985-1994年多在平均值以下，降水偏少。汛期降水日數(shù)多年均值為41.38 d，1964年最多，1997年最少，在26.8～54.9 d之間波動(dòng)，并以-0.107 d/a的傾向率呈減小趨勢。59年來降水日數(shù)波動(dòng)情況與降水量的變化相似，降水量多的年份基本上降水日數(shù)也比較多，降水量少的年份基本上降水日數(shù)也比較少。綜合來看，河南省汛期降水及降水日數(shù)的多(少)對(duì)應(yīng)Q指數(shù)的低(高)(圖2)，表明在汛期降水量少的年份，降水更為集中，降水強(qiáng)度更大，易引發(fā)局地洪澇災(zāi)害。

2.2 Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)空間分布特征

1960-2018年河南省汛期各站點(diǎn)Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)的空間分布特征如圖3所示。59年來河南省各地Q指數(shù)變化范圍為0.366～0.431，大致呈東北向西南逐漸減小趨勢，西南部西峽、三門峽和固始Q指數(shù)較小，均在0.39以下，表明這些地區(qū)降水相對(duì)分散，即降水較均勻地分布在整個(gè)汛期。東北部安陽、新鄉(xiāng)和開封Q指數(shù)大于0.42，表明這些地區(qū)降水相對(duì)較集中。河南省各地的降水量在320.8～560.6 mm之間，其中信陽站最多，三門峽站最少，總體上呈由東南向西北減少趨勢。降水日數(shù)為37.4～49.5 d，其中西峽站最多，開封站最少，總體呈由西南向東北遞減的趨勢。綜合河南省Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)的空間分布可知，汛期降水量和降水日數(shù)多(少)的站點(diǎn)其Q指數(shù)低(高)，表明河南省汛期降水多的地區(qū)，其降水日數(shù)較多，降水較為分散，而汛期降水較少的地區(qū)，其降水日數(shù)也較少，降水較為集中。

圖2 1960-2018年河南省汛期Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)年際變化Fig.2 Changes of Q-index, precipitation and precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

圖3 1960-2018年河南省汛期Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distributions of Q index, precipitation, precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.3 Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)變化趨勢空間分布

圖4為1960-2018年河南省汛期Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)的變化趨勢空間分布情況。由圖4可知，河南省各地Q指數(shù)傾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之間，大部分地區(qū)呈微弱的增加趨勢，說明河南大部分地區(qū)降水有微弱的集中變化趨勢，鄭州、三門峽、固始和寶豐地區(qū)Q指數(shù)有減小的變化趨勢，說明這些地區(qū)汛期降水有微弱的分散趨勢。河南省各地汛期降水量傾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之間，大部分地區(qū)呈增多的變化趨勢，其中西華站增多趨勢最明顯，駐馬店等地區(qū)呈減小趨勢。河南省各地降水日數(shù)的變化趨勢在-1.76～-0.71 d/10 a之間，均呈減小趨勢。總體上看，河南大部分地區(qū)汛期降水呈增多趨勢，而降水日數(shù)則呈減小趨勢，說明更多的降水量集中在更少的天數(shù)里，單日降水強(qiáng)度增加，汛期降水也更為集中。

圖4 1960-2018年河南省汛期Q指數(shù)、降水量和降水日數(shù)變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distributions of linear trends of Q index, precipitation and precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.4 不同強(qiáng)度降水日數(shù)時(shí)間變化

根據(jù)前文降水量劃分標(biāo)準(zhǔn)，1960-2018年河南省汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)年際變化特征如圖5所示。59年來河南省汛期有效降水日數(shù)在18.73～41.73 d之間，1999年最小，2003年最大，多年均值為29.56 d，并以-0.257 d/10 a的傾向率呈減小趨勢。強(qiáng)降水日數(shù)多年均值為5.74 d，1997年最小為2.80 d，最大為2000年的9.67 d，傾向率為0.027 d/10 a，呈增加趨勢。1960-2018年河南省汛期極端降水日數(shù)多年均值為1.96 d，1997年最小為0.73 d，2000年最大為4.27 d，以0.012 d/10 a的傾向率呈增加趨勢。由前述可知，1960-2018年河南省汛期降水日數(shù)以-0.107 d/10 a的傾向率減小，而強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)呈增加趨勢，表明河南省強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)占比呈增大趨勢，更容易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。

圖5 1960-2018年河南省汛期有效降水日數(shù)、強(qiáng)降水日數(shù)和極端降水日數(shù)變化Fig.5 Changes of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.5 不同強(qiáng)度降水日數(shù)空間分布

1960-2018年河南省各地汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)空間分布如圖6所示。河南省汛期有效降水大致呈由南向北、由西向東減小趨勢，豫南地區(qū)駐馬店、信陽和固始等地有效降水日數(shù)超過31.03 d，而豫東北地區(qū)安陽、新鄉(xiāng)和開封等地有效降水日數(shù)一般低于27.24 d。強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)空間分布相似，均大致呈由東南向西北減小趨勢，豫東南地區(qū)駐馬店、信陽和固始等地強(qiáng)降水日數(shù)超過7.03 d，極端降水日數(shù)超過2.63 d，而豫西北地區(qū)新鄉(xiāng)和三門峽等地一般強(qiáng)降水日數(shù)小于4.81 d，極端降水日數(shù)低于1.75 d。綜合河南省汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)空間分布可知，東北部地區(qū)有效降水日數(shù)相對(duì)其他地區(qū)較少，但強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)相對(duì)較多，也即強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)占比更大，降水更為集中，Q指數(shù)因此較大(圖3)。

圖6 1960-2018年河南省汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distributions of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season of Henan province from 1960 to 2018

圖7 1960-2018年河南省汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)變化趨勢空間分布Fig.7 Spatial distributions of linear trends of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season of Henan province from 1960 to 2018

河南省汛期有效降水、強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)變化趨勢空間分布如圖7所示。河南省汛期有效降水日數(shù)變化趨勢在-0.68～0.44 d/10 a之間，大多數(shù)站點(diǎn)有效降水日數(shù)呈減小趨勢，僅開封和固始兩站呈增加趨勢。強(qiáng)降水日數(shù)變化趨勢在-0.22～0.25 d/10 a之間，多數(shù)站點(diǎn)呈增加趨勢。極端降水日數(shù)變化趨勢在-0.11～0.14 d/10 a之間，其中許昌最大，開封和駐馬店最小。

3 結(jié) 論

(1)1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之間，多年平均值為470.43 mm。59年來河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的傾向率呈微弱上升趨勢，空間分布上呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢。河南省各地汛期降水量傾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之間，大部分地區(qū)呈增多的變化趨勢。

(2)河南省汛期降水Q指數(shù)在0.324～0.509之間波動(dòng)，多年平均值為0.408，傾向率為0.002 /10 a，呈微弱上升趨勢。在空間上大致呈東北向西南逐漸減小趨勢，西南部西峽、三門峽和固始地區(qū)降水相對(duì)分散，降水較均勻地分布在整個(gè)汛期，東北部安陽、新鄉(xiāng)和開封降水相對(duì)較集中。1960-2018年河南省各地Q指數(shù)傾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之間，大部分地區(qū)呈微弱的增加趨勢，汛期降水更趨集中。

(3)1960-2018年河南省汛期降水日數(shù)在26.8～54.9 d之間波動(dòng)，多年均值為29.56 d，并以-0.107 d/10 a的傾向率呈減小趨勢，空間分布上由西南向東北遞減。59年來河南省汛期有效降水日數(shù)以-0.257 d/10 a的傾向率呈減小趨勢，強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)分別以0.027、0.012 d/10 a的傾向率呈增加趨勢，表明河南省強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)占比呈增大趨勢，降水更為集中，更容易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。東北部地區(qū)有效降水日數(shù)相對(duì)其他地區(qū)較少，但強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)相對(duì)較多，也即強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)占比更大，降水更為集中。

(4)1960-2018年河南省汛期降水及降水日數(shù)的多(少)對(duì)應(yīng)Q指數(shù)的低(高)，在汛期降水量少的年份，降水更為集中，降水強(qiáng)度更大。59 a來河南大部分地區(qū)汛期降水呈增多趨勢，而降水日數(shù)則呈減小趨勢，汛期降水更為集中。從空間上來看，河南省汛期降水量和降水日數(shù)多(少)的站點(diǎn)其Q指數(shù)低(高)，南部地區(qū)汛期降水較多，其降水日數(shù)較多，降水較為分散，而北部地區(qū)降水較少，其降水日數(shù)也較少，降水較為集中。