1960—2018年河南省降水時空變化特征及重心

凌敏華，韓洪寶

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)黃河生態(tài)保護與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展研究院，鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點實驗室，鄭州 450001)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)在2013年第五次氣候變化評估報告中指出，全球地表平均溫度近130年間上升約0.85 ℃[1]，氣候變暖會促使蒸發(fā)率增加，水循環(huán)過程加快，進(jìn)而導(dǎo)致降水結(jié)構(gòu)改變，降水時空變異加劇[2-3]。降水是描述某一區(qū)域氣候特征的重要指標(biāo)，而降水的時空分布變化規(guī)律直接影響區(qū)域水文情勢以及水資源的時空分布。研究表明，中國整體年平均降水變化波動幅度較小，但區(qū)域降水變化波動幅度相對較大[4]。河南省位于中原腹地，地屬大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，是中國重要的糧食基地，省內(nèi)降水時空分布極不均勻，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響河南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟社會發(fā)展[5]。因而分析河南省降水時間變化特征，掌握其降水空間分布規(guī)律，對于河南省水資源配置、防汛抗旱以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

諸多學(xué)者采用多種氣候統(tǒng)計診斷分析法研究了中國不同區(qū)域、主要流域降水與氣溫的變化特征[6-7]。任國玉等[8]基于國家級2 300個氣象站降水資料，利用滑動平均法、M-K(Mann-Kendall)法等對全國基本降水指標(biāo)變化趨勢進(jìn)行分析，完善了中國現(xiàn)代降水長期變化規(guī)律；耿新新等[9]利用0～1混沌測試法分析了貴州省不同時間尺度降水序列的降水混沌特征的空間分布特征。一些學(xué)者也開展了河南省降水時空變化特征方面的研究，韓艷等[10]基于河南省1951—2013年18個氣象站降水資料，采用時間和空間分析相結(jié)合的方法，分析了河南省年和四季降水時空變化特征；史佳良等[11]基于河南省17個氣象站氣溫與降水資料，利用累積距平、氣候傾向率、小波分析等方法，分析了河南省近50 a氣溫和降水演變規(guī)律。可以看出，已有研究采用的氣象站點數(shù)相對較少，研究范圍主要針對河南省整體降水變化，對河南省局部小區(qū)域或大的分區(qū)研究尚顯欠缺。降水重心定義為區(qū)域內(nèi)某時刻降水分布在空間平面上力矩達(dá)到平衡的點[12]，能夠揭示區(qū)域降水的總體分布特征，其動態(tài)軌跡反映了降水的離散、轉(zhuǎn)移與優(yōu)勢分布情況，有助于分析區(qū)域降水的差異性和均衡性，但目前對河南省降水重心分布及轉(zhuǎn)移情況研究較少。因此，現(xiàn)基于河南省112個氣象站1960—2018年逐月降水資料，分析河南省各站點及分區(qū)降水時空變化規(guī)律，揭示其降水重心分布特征，以期為保障河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)以及水資源評價與管理等提供參考。

1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部，全省總面積16.7萬km2。地勢西高東低，西部以伏牛山為主體，北部太行山脈沿安陽、鶴壁等一帶向西南延伸，桐柏山脈、大別山脈拱衛(wèi)省境之南，東部、中部為沖積平原，地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域。河南省地屬南北氣候過渡帶的大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水時空分布不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，年均降水量在461.5～1 065.6 mm。河南省水資源總量和人均水資源量均低于全國平均水平，屬于嚴(yán)重缺水省份。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取河南省1960—2018年112個氣象站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，全省平均站網(wǎng)密度0.67個/103km2，站網(wǎng)均勻度為0.995 6，站點空間分布均勻，并將月降水?dāng)?shù)據(jù)整理為年降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《地面氣象記錄月報表》(國家氣象信息中心制作)的信息化資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過初步質(zhì)量控制，質(zhì)量良好。根據(jù)地理位置與現(xiàn)有習(xí)慣，將河南省劃分為豫東、豫西、豫中、豫南、豫北5個分區(qū)，河南省氣象觀測站空間分布及地理分區(qū)如圖1所示。

圖1 河南省氣象觀測站空間分布及地理分區(qū)

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，該方法不需要考慮樣本分布規(guī)律、異常值是否存在，適用于檢驗水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)[13]。Mann-Kendall檢驗法用于序列突變檢驗，具體計算公式為

k=1,2,…,n

(1)

式(1)中：UF1=0；E(sk)、Var(sk)為累計數(shù)sk的均值和方差。

E(sk)=k(k-1)/4Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72，k=2,3,…,n

(2)

所有的UFk將組成一條曲線UF，將該方法應(yīng)用于逆序時間序列中得到另一條曲線UB。若UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)有交點，該交點對應(yīng)的時間為可能的突變開始時間點。當(dāng)交點之后若有曲線超出顯著水平線則判定該交點是確定的突變開始時間點[14]，對于多點突變的檢驗需結(jié)合滑動T檢驗法進(jìn)行驗證，兩種方法均采用α=0.05的顯著性檢驗。

2.2.2 Morlet小波分析

小波分析是20世紀(jì)80年代地質(zhì)學(xué)家Morlet提出的一種對時頻局部進(jìn)行分析的方法，在學(xué)術(shù)界有“數(shù)學(xué)顯微鏡”的美譽[15]。該分析方法能清楚地反映研究變量隱藏在時間序列中的周期震蕩情況及多種變化周期，還能較好地揭露研究系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢情況，并且能夠定性估計研究對象未來變化發(fā)展的趨勢[16]。選用Morlet復(fù)小波研究河南省各分區(qū)降水序列的周期變化特征，其母小波為

ψ(t)=eicte-t2/2

(3)

式(3)中：t為時間；i為虛數(shù)；c為常數(shù)，一般取6.2。

處理的數(shù)據(jù)為距平值，按照得到的小波系數(shù)做小波方差的計算，具體計算公式為

(4)

式(4)中：Var(a)為小波方差；Wf(a,b)為小波系數(shù)。

2.2.3 重心模型

重心原本是一個來自物理學(xué)的概念，是指物體處于任何方位時各組成支點重力的合力都通過的那一點。將重心這一概念拓展到區(qū)域面上，亦即區(qū)域重心。區(qū)域重心又稱空間均值，是某一地理要素或發(fā)展要素平均數(shù)在二維空間上的延伸，是指在某一特定時間內(nèi)區(qū)域面上某種地理或發(fā)展要素在空間平面上力矩達(dá)到平衡的點。區(qū)域重心既有助于分析區(qū)域要素的發(fā)展歷程、狀態(tài)和趨勢，也能反映出區(qū)域要素在空間上的流動性與聚集性，區(qū)域重心一般采用重心模型計算得到。近年來，重心模型被廣泛應(yīng)用于降水、土地利用以及經(jīng)濟研究等領(lǐng)域，包括降水重心、土地利用/類型重心、經(jīng)濟總量重心以及人口重心等[17-19]。區(qū)域的年降水重心公式為

(5)

3 降水時空變化特征

3.1 站點降水變化分析

采用M-K法分析河南省112個站點近59 a降水序列變化趨勢，并進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果如圖2所示。1960—2018年期間，112個站點中，降水量呈下降趨勢的站點76個，占67.9%；降水量呈顯著下降趨勢的站點9個，占8.0%，主要分布于豫北地區(qū)；降水量呈上升趨勢的站點36個，其中僅睢縣和舞鋼兩站點降水量呈顯著上升趨勢。

圖2 1960—2018年河南省各站點降水趨勢空間分布

為進(jìn)一步分析112個站點降水變化，統(tǒng)計分析了各站點的降水量氣候傾向率，結(jié)果如圖3所示。1960—2018年期間，河南省各站點氣候傾向率位于-28～24 mm/10 a；東部的周口、商丘以及駐馬店一帶站點降水增加幅度較大，位于10～24 mm/10 a；北部的安陽、鶴壁、濮陽以及南部的南陽一帶站點降水減少幅度較大，位于-28～-10 mm/10 a；河南省各站點降水量氣候傾向率大致呈現(xiàn)西部地區(qū)減少、東部地區(qū)增加的階梯狀分布格局。

圖3 1960—2018年河南省各站點氣候傾向率空間分布

3.2 分區(qū)降水變化分析

3.2.1 降水趨勢分析

1960—2018年期間，豫東地區(qū)降水量具有上升趨勢，豫西、豫中、豫南、豫北地區(qū)降水量具有下降趨勢，均沒有通過顯著性檢驗(顯著性水平α=0.1)，這與有關(guān)學(xué)者[20]研究結(jié)論基本一致。1960—2018年河南省各分區(qū)降水量變化趨勢如表1所示。

表1 1960—2018年河南省各分區(qū)降水量變化趨勢

3.2.2 降水突變分析

河南省1960—2018年的5個分區(qū)降水序列突變曲線如圖4所示。豫東地區(qū)統(tǒng)計量UF曲線總體變化較為平緩，未超過α=0.05置信區(qū)間，說明降水量總體變化趨勢不明顯；UB曲線2002年以前總體變化較為平緩，2010年以后上升趨勢超過了α=0.05置信區(qū)間。在1962、1966、1984、1996、2008以及2018年前后，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，說明年降水量在這些年份可能發(fā)生了突變，進(jìn)一步通過滑動T檢驗法驗證與分析，顯示其在2004和2008年附近發(fā)生突變，確定豫東地區(qū)降水量的突變年份為2008年。

圖4 河南省5個分區(qū)年降水量M-K曲線和滑動T檢驗曲線

豫西地區(qū)統(tǒng)計量UF和UB曲線總體變化較為平緩，未超過α=0.05置信區(qū)間，說明其變化趨勢不明顯；在1970年前后、1978、1986、1990、2000年前后以及2010年，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，進(jìn)一步通過滑動T檢驗法驗證與分析，顯示其在1978年和1986年發(fā)生突變，確定豫西地區(qū)降水量的突變年份為1978年和1986年。

豫中地區(qū)統(tǒng)計量UF和UB曲線均超過了α=0.05置信區(qū)間，UF曲線總體上表現(xiàn)為上升趨勢，UB曲線總體上表現(xiàn)為下降趨勢，在2011、2015以及2018年，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交；進(jìn)一步通過滑動T檢驗法驗證與分析，同時計算降水序列的累計距平，2011年累計距平達(dá)到最大值，最終確定豫中地區(qū)降水量的突變年份為2011年。

豫南地區(qū)降水統(tǒng)計量僅有UB曲線超過了α=0.05置信區(qū)間，UF曲線在近59 a降水量以上升趨勢為主，UB曲線2002年以前總體變化較為平緩，2011年以后上升趨勢超過了α=0.05置信區(qū)間。在1962、1970、1976年前后幾年、1988年前后幾年、2000年前后幾年、2008年以及2016年，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，通過滑動T檢驗法驗證與分析，顯示其在2008年附近發(fā)生突變，確定豫南地區(qū)降水量的突變年份為2008年。

豫北地區(qū)統(tǒng)計量UF和UB曲線均未超過α=0.05置信區(qū)間，說明降水量總體變化趨勢不明顯；UF曲線1975年降水量以上升趨勢為主，在此之后一直呈下降趨勢。在1966、1974、2000年前后幾年以及2005年，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，說明年降水量在這些年份可能發(fā)生了突變，進(jìn)一步通過滑動T檢驗法驗證與分析，顯示其在1974～1978年間可能發(fā)生了突變，確定豫北地區(qū)降水量的突變年份為1974年。

3.2.3 降水周期性分析

采用Morlet復(fù)小波對河南省5個分區(qū)年降水量進(jìn)行周期性分析，結(jié)果如圖5所示。圖中藍(lán)色表示降水處于多雨周期，黃色表示降水處于少雨周期。小波系數(shù)方差圖可確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，所對應(yīng)峰值處稱為該序列的主要時間尺度。由圖5可知，河南省各分區(qū)降水均存在豐-枯交替變化情況，降水序列在演化過程中呈現(xiàn)出多時間尺度的周期性特征。豫東地區(qū)年降水序列在8～12、28～32 a兩個尺度上均有明顯的周期性變化，分別經(jīng)歷了2.5次和3次豐-枯循環(huán)交替，年降水距平的小波方差圖中存在兩個較為明顯的峰值，第一主周期為10 a，周期震蕩最強，第二主周期為4 a；豫西地區(qū)年降水序列在12～15、29～32 a兩個尺度上有明顯周期性變化，分別經(jīng)歷了3次和2.5次豐-枯循環(huán)交替，第一主周期為8 a，第二主周期為11 a；豫中地區(qū)年降水序列在13～16 a時間尺度有明顯周期性變化，經(jīng)歷了2.5次豐-枯循環(huán)交替，第一主周期為8 a，第二主周期為14 a；豫南地區(qū)年降水序列在10～14 a時間尺度有明顯周期性變化，經(jīng)歷了4次豐-枯循環(huán)交替，第一主周期為27 a，第二主周期為10 a；豫北地區(qū)年降水序列在21～26 a時間尺度有明顯周期性變化，經(jīng)歷了2.5次豐-枯循環(huán)交替，第一主周期為8 a，第二主周期為23 a。

圖5 1960—2018年河南省各分區(qū)Morlet小波實部和小波方差圖

4 降水重心變化

根據(jù)1960—2018年降水量，計算得到河南省年降水重心坐標(biāo)59個，繪制年降水重心分布及移動軌跡圖(圖6)。從圖6看出，年降水重心不是隨機分布的，分布在許昌市許昌縣和漯河市臨潁縣一帶，位于33°36′N～34°06′N與113°36′E～114°0′E，處在河南省中心偏東南位置。利用ArcGIS標(biāo)準(zhǔn)差橢圓工具對降水重心的方向性與離散性進(jìn)行分析，創(chuàng)建了59個降水重心點的一級標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，該標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的方向為158.5°，長軸位于西北-東南方向，長度為29.55 km，說明降水重心空間分布格局位于西北-東南方向；短軸位于西南-東北方向，長度為13.86 km，橢圓扁率為0.53，說明年降水重心分布方向性明顯，離散程度較小，同時也說明了年降水量的變化程度在西北-東南方向較為顯著。河南省多年平均降水量呈現(xiàn)東南多西北少，東南地區(qū)降水量處在963～1 096 mm，所占權(quán)重較高，受東亞季風(fēng)的影響程度變動較大[10]，可能導(dǎo)致了年降水重心空間分布格局位于西北-東南方向。

圖6 河南省1960—2018年降水重心位置及移動軌跡

為進(jìn)一步分析年降水重心經(jīng)度和緯度坐標(biāo)隨時間變化情況，繪制了河南省1960—2018年降水重心經(jīng)緯度坐標(biāo)變化圖(圖7)，并利用M-K法對降水重心經(jīng)緯度變化趨勢進(jìn)行了顯著性檢驗。從圖7(a)可看出，1960—2018年期間，河南省年降水重心經(jīng)度整體呈上升趨勢，M-K趨勢檢驗值為1.57，通過信度90%的顯著性檢驗，具有顯著上升趨勢。年降水重心經(jīng)度最大值為114.00°，最小值為113.70°，2008—2011年經(jīng)度呈現(xiàn)大幅度下降趨勢(即降水重心向西移動)。從圖7(b)可看出，年降水重心緯度整體呈下降趨勢，M-K趨勢檢驗值為-0.58，未通過信度90%的顯著性檢驗，因而年降水重心緯度具有不顯著下降趨勢。年降水重心緯度最大值為34.07°，最小值為33.68°，呈現(xiàn)大幅度波動特征。由此可知，1960—2018年期間，河南省降水重心有明顯向東移動趨勢，這與前文的河南省年降水量變率空間分布東部地區(qū)降水增加、西部地區(qū)降水減少的結(jié)論一致。

圖7 河南省1960—2018年降水重心經(jīng)度和緯度坐標(biāo)變化

5 結(jié)論

(1)河南省112個站點的年降水量中，59.8%站點呈不顯著下降趨勢，30.4%站點呈不顯著上升趨勢，呈顯著下降趨勢的站點9個，其中豫北地區(qū)占比最多，僅睢縣和舞鋼兩站點呈顯著上升趨勢。全省各站點降水量氣候傾向率位于-28～24 mm/10 a，大致呈現(xiàn)西部地區(qū)減少、東部地區(qū)增加的階梯狀分布格局。

(2)河南省5個分區(qū)年降水量中，僅豫東地區(qū)年降水量整體上呈上升趨勢。豫東、豫南地區(qū)年降水量在2008年發(fā)生了突變；豫西地區(qū)年降水量分別在1978年和1986年發(fā)生了突變；豫中、豫北地區(qū)年降水量分別在2011年和1974年發(fā)生了突變。河南省各分區(qū)年降水量具有明顯的多年變化的周期性特征，各分區(qū)在整個研究時域內(nèi)經(jīng)歷了2.5次左右豐-枯循環(huán)交替。在主要周期方面，豫西、豫中、豫北地區(qū)降水序列第一主周期都為8 a，豫東、豫南地區(qū)的第一主周期分別為10 a和27 a。

(3)河南省降水重心分布在許昌市許昌縣和漯河市臨潁縣一帶，降水重心空間分布格局整體上呈西北-東南方向，離散程度較小。近59 a降水重心經(jīng)度呈顯著增大趨勢，緯度呈不顯著減少趨勢，降水重心有明顯向東移動的趨勢。