近60年淮河流域子流域面雨量氣候特征分析

王東勇 安晶晶 王皓 靳莉莉 童金 王根

（安徽省氣象臺，合肥 230031）

0 引言

淮河是我國七大江河流域面積較小的河流，其地理位置位于南北氣候過渡帶，氣候條件復雜。淮河流域位于111°55′—121°20′E，30°55′—36°20′N，西起桐柏山、伏牛山，東鄰黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚運河和如泰運河南堤與長江流域分界，北以黃河南堤和沂蒙山脈與黃河流域毗鄰，流域面積27 萬km2。流域內以廢黃河為界，分為淮河和沂沭泗河兩大水系，面積分別為19 萬和8 萬km2。淮河干流發源于桐柏山區，流經河南、安徽、江蘇，在三江營流入長江，洪河口以上為上游，洪河口以下到洪澤湖出口中渡為中游，中渡以下為下游入江水道。沂沭泗河水系發源于沂蒙山，由沂河、沭河、泗河組成。

受東亞季風活動影響，淮河流域極易發生大范圍洪澇災害，平均2～3年發生一次。近十幾年來眾多學者[1-30]開展了淮河流域暴雨和洪澇氣候特征分析研究，基于氣候態分析得出，淮河流域極端降水呈增多趨勢，發生極端性洪水的風險在加大。2003年、2005年淮河大水之后，陶詩言等[31]對2007年梅雨鋒降水進行了大尺度特征分析。趙思雄等[32]對2007年淮河流域致洪暴雨進行了中尺度系統特征分析。

面雨量是經典的水文學概念，它是指某一時段內一定面積上的平均雨量，因其能客觀反映降水對確定流域的影響，故其是洪水預報的重要參數。21世紀以來氣象工作者一直關注面雨量的分析與應用研究[33-39]，如徐晶等[33]對比了一些計算方案，其中較為常用的有泰森多邊形法和算術平均法。基于流域面雨量分析子流域氣候特征的研究相關文獻報道較少[40-41]。開展淮河流域面雨量研究各子流域極端降水氣候特征，有助于提高流域面雨量預報水平，為有效開展流域防汛提供科學依據。

1 流域子流域劃分和資料

1.1 淮河流域子流域劃分

面雨量這一概念的由來，是為了水文模型計算水量，根據淮河流域匯流特點，這里將子流域的劃分與水文控制站相對應，如淮河干流息縣有一個重要水文控制站，根據高程信息，劃分出淮河上游大坡嶺到息縣為一子流域，息縣水文站水位與該子流域面雨量直接相關。同樣原理將淮河流域劃分為15個子流域，其中淮河水系10個子流域（標記為“1～10”），沂沭泗水系5個子流域（標記為“11～15”），見圖1。流域內山丘區面積約占1/3，平原面積約占2/3。從不同坡度可以看出，流域西部為伏牛山區（子流域5）、桐柏山區（子流域1、2、3）和西南部大別山區（子流域4、7），東北部為沂蒙山區（子流域12、13），其余為廣闊平原（子流域6、8、9、10、11、14、15）。

圖1 淮河流域15個子流域劃分及坡度Fig. 1 Division of fifteen sub-basins over Huaihe River basin and slope

1.2 資料來源

地面降水觀測資料采用國家氣象信息中心提供的淮河流域全部常規氣象站逐日降水（20—20時）觀測整編資料，時間段為1960—2018年。在淮河流域172個國家級氣象站中，1960年后觀測資料較為完整，各年份站點數見表1。此172個臺站在流域15片區內分布較均勻，特別是洪汝河上游、淮河上游、大別山區及沂沭河上游等小片區內臺站建站早、數據完整度高、站點數分布合理，具有較強代表性，所以各子流域面雨量可采用算術平均法。

表1 各年份站點數一覽Table 1 list of rainfall stations in each year

2 淮河流域各子流域面雨量分布特征

2.1 年累計面雨量和主汛期面雨量特征分析

圖2給出了1960—2018年近60年各區面雨量年均值分布。有5個子流域面雨量均值超過1000 mm，分別是4區史河流域1150 mm，7區淠河流域及潁河下游、淮干1105 mm，1區淮河上游大坡嶺到息縣1076 mm，2區淮河上游息縣到王家壩區間1046 mm，10區洪澤湖以下、淮河下游1005 mm。此5個子流域全部位于流域南部，而流域正北部15區南四湖地區最小，僅為681 mm，也是唯一少于700 mm的區域。圖2這一分布與各區所處緯度呈顯著負相關。對比前30年（1960—1989年）和后29年（1990—2018年）各區面雨量年均值以及主汛期面雨量得到，雖然各區數值略有變化，但總體分布形勢沒有顯著變化，見圖3。全年來看15個子流域有11個增多或略有增多，4個減少或略有減少，減少的各區分別位于流域上游的1、3、5區和12區沭河上游。對比圖3a和3b，前后有子流域5、11和14，汛期和全年變化不一致，但變化量并不大。

圖2 1960—2018年淮河流域年均總面降水量分布（單位：mm）Fig. 2 Distribution of total annual area rainfall in the Huaihe River basin from 1960 to 2018 (unit: mm)

圖3 各子流域年面雨量均值和主汛期面雨量對比圖Fig. 3 Comparison of mean annual area rainfall and main flood season from June to September in each sub-basins

對比圖4主汛期（6—9月）面雨量，分布略有不同，超過600 mm的子流域分別是4區、10區、11區、1區和7區，最少的5區448 mm位于流域西北部。總體來看呈現東南向西北逐漸遞減。

圖4 1960—2018年6—9月主汛期淮河流域年均面降水量分布（單位：mm）Fig. 4 Annual average area rainfall distribution of Huaihe River basin in the main flood season from June to September, 1960 to 2018 (unit: mm)

由汛期降水占全年降水比值可知，超過70%的4個子流域（12～15區）全部位于流域北部的沂沭泗地區。與此相反，汛期降水占全年降水比值少于60%的1、2、4、7區全部位于桐柏山區和大別山區。流域西南全年降水分布較均勻，而東北部沂沭泗地區全年降水主要集中在主汛期6—9月。

2.2 各子流域月面雨量特征及降水峰值時間分布

圖5給出了各子流域面雨量逐月分布。全部15個區均是7月降水最多，其次是8月，僅2區淮河上游息縣至王家壩區間和7區淠河和潁河下游6月為次多。即淮河流域多數各區降水集中在7—8月，其次是6月。

為進一步分析各子流域的降水集中時段，圖6給出了6—9月（淮河流域汛期）5 d滑動累計面雨量時序變化。由圖6可知，淮河水系的各子流域主要降水時間均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水開始略晚一些，大約在6月底前后。對比各子流域出現降水峰值時間，可得到整個流域降水峰值發生在6月底至7月下旬初，表現為峰值時間較長的單峰型。而各子流域峰值型與出現時間也有所差異。子流域淮河水系1～9區，降水峰值時間分布與全流域均值相近，峰值持續時間較長，大約持續1個月。而在10區淮河下游，表現峰值較窄，強降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值較高，但持續時間略短，大約15 d左右。而流域北部，降水峰值略晚于南部，特別是流域東北部12區沭河上游、13區沂河上游，出現了顯著的雙峰形態，分別為7月上旬至7月底和8月中旬前后。這一特征與流域其他區域差異顯著。對比各子流域5 d降水量滑動累計均值可知，子流域2區、4區、7區、10～14區降水峰值顯著高于流域平均值，這些區域多數是流域南部和東北部山區，只有5區，潁河上游顯著低于全流域平均值。

圖5 1960—2018年1—12月各子流域面雨量分布Fig. 5 Area rainfall distribution of each drainage basin from January to December, 1960 to 2018

圖6 1960—2018年淮河流域各子流域5 d降水量滑動累計平均Fig. 6 5-days rainfall moving cumulative average of each sub basin of Huaihe River Basin from 1960 to 2018

圖7 逐年各子流域5 d滑動降水量超過100 mm次數分布Fig. 7 Distribution of more than 100 mm times of 5-days moving rainfall in each sub basin year by year

3 淮河流域各子流域面雨量極端降水分布特征

為了研究各子流域極端降水情況，文中統計了逐年各子流域5 d滑動降水面雨量超過100 mm的次數，見圖7。近60年中出現頻次最高的是1區淮河上游大坡嶺至息縣，共計108次，每年約1.8次，其次是2區、4區每年達到1.6次，12區沭河上游每年達到1.5次。與前3名相比，沭河上游所有超過100 mm的過程全部集中在6—9月，而其他三區每年有約0.3 次超過100 mm的過程發生在非汛期。即這3個子流域在非汛期，特別是5月和10月也有發生極端降水的可能。發生頻次最低的是8區渦河及淮河中游、淮干，每年僅有約0.6次，且全部集中發生在6—9月。下面給出了各流域歷史過程降水量排名前5名的統計數據，見表2。

對比淮河干流王家壩水文站近60年排名第一的水位發生在1968年7月16日，為30.35 m，由表2可知，此次洪水主要發生在淮河干流上游1區、2區和4區，流域其他區域降水不明顯，表明是一次區域性大洪水。而王家壩水文站近60年排名第二的水位發生在2007年7月11日，為29.59 m，由全流域性降水造成，特別是由上游降雨疊加中下游高水位頂托引起。中下游子流域9區面雨量排名第2。1991年7月11日淮河中游正陽關水位26.52 m，為近60年來排名第三。對比表2，子流域7區和10區都出現了近60年面雨量第1位，正陽關的高水位由全流域強降水引起，特別是由淮河下游和淮河山區強降水造成。由表2可分析出導致沂沭泗最大洪水歸因于1974年8月13—14日沂沭上游、下游同時出現了極端強降水。此外由表2可進一步得出，強降水出現時間主要集中在6月中下旬至7月，即淮河流域主汛期，如1968、1991、2003、2005、2007年等。而也有少數強降水極值出現在8月，甚至延伸至9月，此種情況多數是由汛后臺風或臺風低壓引起的強降水導致的，如3區洪汝河上游降水量為544.4 mm、5區潁河上游為249.4 mm，由臺風“妮娜（1975）”減弱后的低壓引發。從強降水出現的時間來看，除了需要關注汛期持續強降水以外，同時也要關注汛后臺風及臺風低壓的影響。

從極端降水風險來看，圖8給出了 1960—2018年各子流域5 d滑動降水最大值分布。大部分極值超過200 mm，超過300 mm的區域主要位于淮河上游1～4區，淮河上游、洪汝河上游、史河流域，沂河和沭河流域也有300 mm左右極值區，最大沭河上游達到394.7 mm。從風險高發區域來看，氣象服務重點需要關注流域西部伏牛山區、西南部大別山區、桐柏山區及流域東北部沂蒙山區。

表2 P1～P15流域歷史過程降水量前5名時間及降水量（單位：mm）Table 2 Top 5 time and rainfall of historical process rain in p1—p15 Basin (unit: mm)

圖8 1960—2018年各子流域5 d滑動降水量最大值分布Fig. 8 Distribution of maximum value of 5-days moving rainfall in each sub basin from 1960 to 2018

4 結論與展望

通過統計與分析淮河流域各子流域降水面雨量不同時間尺度的特征，文中主要結論如下。

1）淮河流域各子流域年降水量分布與各區所處緯度呈顯著負相關，而主汛期降水量表現為自東南向西北逐漸遞減，從年代變化來看，流域內大部分（11個區）降水略呈增多趨勢，但并不顯著。

2）淮河流域各子流域降水最集中期多數在7—8月，僅流域西南部少數區集中在6—7月。從降水峰值開始時間分析，淮河水系的各子流域主要降水時間均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水開始略晚一些，大約在6月底前后。

3）子流域淮河水系1～9區，降水峰值時間分布與全流域均值接近，峰值持續時間較長，大約1個月左右。而在10區淮河下游，降水峰值較窄，強降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值較高，但持續時間大約僅15 d左右。流域北部，降水峰值略晚于南部，特別是區域東北部12區沭河上游、13區沂河上游，出現了顯著的雙峰形態。

4）5 d面雨量超過100 mm的次數，出現頻次最高的是1區淮河上游大坡嶺至息縣，每年約1.8次，其次是2區、4區每年達到1.6次，另外在12區沭河上游每年達到1.5次。

5）5 d面雨量極值主要由汛期集中強降水和汛后臺風暴雨引起，同時它與局地洪水過程存在很好的對應關系，高風險區域位于伏牛山區、桐柏山區、大別山區以及沂蒙山區。

文中以淮河流域所有雨量站近60年逐日降水觀測資料為基礎，分析了淮河流域面雨量氣候特征等，得到了較多有益的結論，如5 d累積面雨量與歷史資料對比分析，它與歷史資料的極值資料的排序，可以初步分析它將帶來的影響，這一指標可應用于實際業務預報中。后期將基于大氣再分析、數值天氣預報模式資料和衛星反演降水等資料開展淮河流域降水產生機理等研究，并基于格點資料得出較多區域特征信息，以更好地開展公共氣象服務，服務于民生。