1960-2019年河南省降水結構時空變化特征

張志高, 張凱昭, 蔡茂堂, 尹紀媛, 劉 晴, 劉慧穎

(1.安陽師范學院 資源環境與旅游學院, 河南 安陽 455000;2.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 3.中國地質科學院 地質力學研究所, 北京 100081)

降水作為全球水循環的重要方面，直接關系到地表徑流和干濕狀況，是氣候和水文氣象最重要的變量之一[1-2]。20世紀以來，全球氣候顯著變暖，19世紀60年代以來，人為造成的全球變暖已經達到0.87℃[3]，以增溫為主要特征的全球氣候變化正顯著影響全球水文循環，改變降水的時空分布，導致洪澇、干旱、臺風等極端事件頻發，深刻影響人類社會經濟發展和地球生態環境[4-6]。降水結構是水循環的重要指標，鑒于降水結構變化對水文過程的影響，降水結構分析已成為氣候研究的熱點。

目前已有的降水結構研究主要有兩類，一類是基于逐小時降水資料，分析區域降水日變化特征，如張煥等[7]分析了西南地區不同季節降水時數、雨強以及極端強降水的變化特征；多典洛珠等[8]采用諧波等分析方法揭示了拉薩汛期小時降水的演變規律，并對比了不同歷時和等級降水的頻次和貢獻；伍紅雨等[9]分析了廣東小時強降水在汛期前后的時空差異；宋曉猛等[10]探討了北京地區不同歷時和不同等級降水的時空演變規律，認為降水歷時和等級的空間分布受地形特征影響。另一類則以日降水量數據為基礎，探討不同歷時和等級降水的時空分布特征，如盧珊等[11]對陜西省不同等級降水研究發現，降水量與降水日數呈下降趨勢，降水強度以0.15 mm/a的趨勢增加；劉占明等[12]對北江流域的汛期降水結構進行了分析，發現中短歷時降水發生率下降，貢獻率上升，長歷時降水發生率、貢獻率下降，小雨、中雨發生率、貢獻率下降，大雨、暴雨發生率、貢獻率上升；趙華榮等[13]對廣西地區降水結構研究發現各歷時降水發生率隨著降水歷時增加逐漸減少，3 d降水歷時貢獻率最大；起永東等[14]分析了漢江流域降水時空分布特征，并探討了海溫及大氣環流對流域降水的影響；陳東輝等[15]分析了東北地區夏季不同等級降水的氣候變化特征，認為氣溫增加和氣溶膠濃度增加是導致小雨量減少的主要原因。

河南省地跨南北氣候過渡帶，受季風以及區域內地形差異以及全球氣候變化的影響，降水時空分布不均，夏季降水量占全年降水量的50%～60%，致使旱澇等氣象災害發生頻繁，如河南“75·8特大暴雨”等[16]給當地農業生產和社會經濟發展帶來了諸多不利影響。以往關于河南省降水方面的研究主要集中于突發性強降水過程的診斷分析[17]、極端降水[18]或降水變化的平均態[19]]等方面，而對河南省降水結構方面的研究還較少。因此，本文采用1960—2019年河南省17個氣象站點逐日降水數據，從不同歷時和等級降水時空演變規律及其發生率和貢獻率方面探討河南省近60 a來降水結構變化特征，以期為深入認識氣候變化背景區域水循環對氣候變化的響應以及防洪抗災提供依據。

1 研究區概況

河南省位于31°23′—36°22′N，110°21′—116°39′E。全省地勢西高東低，北、西、南三面太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈沿省界呈半環形分布，中、東部為華北平原，西南部為南陽盆地。河南省氣候自南向北由亞熱帶向暖溫帶氣候逐漸過渡，氣候溫和，四季分明，雨熱同期，年平均氣溫在12～16℃，年降水量為500～1 400 mm，降水多集中于6—8月。

2 數據與方法

2.1 數據來源

河南省17個氣象站點1960—2019年逐日降水氣象資料來自中國氣象科學數據共享服務網地面氣象資料數據庫中的中國地面氣候資料日值數據集(http:∥cdc.Cma.Gov.cn)，并通過初步質量控制。研究區域及站點分布見圖1。

2.2 降水歷時和降水等級劃分

參考有關資料并根據氣象部門規定，將降水量≥0.1 mm的情況視為發生了有效降水[20]，以此將連續有效降水日數定義為降水歷時，結合河南省自身情況，將降水歷時劃分為1 d，2 d，3 d，4 d以及≥5 d(連續降水日數達5日及以上)5個等級。根據《降水量等級(GB/T 28592—2012)》，將河南省降水等級按照降水量大小的不同依次劃分為4類：小雨(0.1～10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(25～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

圖1 河南省氣象站點分布

2.3 研究方法

采用Mann-Kendall非參數統計檢驗法對降水事件進行趨勢檢驗[21]，并判斷其顯著性，統計量Z為正值表示序列呈增加趨勢，負值表示呈減少趨勢，|Z|≥1.28，1.64，2.32時表示分別通過了信度90%，95%，99%顯著性檢驗。

此外，采用一元線性回歸法分析氣象要素變化趨勢，基于ArcGIS平臺，運用克里金插值對河南省降水相關指標進行空間插值。

3 結果與分析

3.1 河南省各歷時降水發生率和貢獻率空間變化特征

河南省各站點降水歷時發生率及其空間分布如圖2A、圖3所示。由圖2A可知，河南省降水發生率整體隨降水歷時的增加而降低，各歷時降水平均發生率表現為1 d(44.66%)>2 d(29.37%)>3 d(12.30%)>5 d及以上(6.87%)>4 d(6.80%)，短歷時(1～2 d)降水發生率達74.03%，占據主導地位。在空間分布上，各站1 d降水歷時發生率為36.31%～51.19%(圖3)，大致呈由南向北逐漸增加趨勢，東南部桐柏、信陽和固始1 d降水發生率較小，均在37.90%以下，北部安陽和新鄉最高，在50.79%以上。2 d歷時降水發生率為27.51%～30.70%，西南部西峽和南陽較低，在27.98%以下，鄭州最高為30.70%。3 d歷時降水發生率在9.75%～14.44%，東南部桐柏和固始較高，在14.34%以上，北部安陽和新鄉較低，在9.87%以下。4 d歷時降水發生率在4.83%～9.80%，桐柏最高，新鄉最低?！? d歷時降水發生率在4.80%～10.70%，信陽最高，安陽最低。整體上看，1 d，2 d歷時降水發生率總體呈由南往北逐漸增加趨勢，3 d以上歷時降水呈由南向北減少趨勢。

由圖2B可知，全省各歷時降水平均貢獻率表現為≥5 d(26.73%)>2 d(26.20%)>3 d(18.68%)>4 d(14.43%)>1 d(13.96%)。在空間分布上(圖4)，1 d歷時降水貢獻率為8.84%～20.92%，北部安陽和新鄉等站較高，在18.20%以上，東南部桐柏、信陽和固始等站較小，在9.84%以下。2 d歷時降水貢獻率為19.92%～32.67%，中北部鄭州、安陽和新鄉等站較高，在31.22%以上，東南部桐柏和信陽等站較小，在21.74%以下。3 d歷時降水貢獻率為15.88%～20.70%，整體呈由東南向西北遞減趨勢。4 d歷時降水貢獻率為10.12%～16.86%，桐柏最高，新鄉最低，整體呈由西南向東北遞減趨勢?！? d歷時降水貢獻率為18.52%～35.33%，整體呈由南向北遞減趨勢。整體上看，短歷時降水貢獻率呈現由南向北增加的趨勢，3 d以上歷時降水貢獻率呈現由南向北減少的趨勢。

注：1鄭州；2寶豐；3許昌；4開封；5商丘；6永城；7西華；8孟津；9三門峽；10南陽；11桐柏；12西峽；13駐馬店；14信陽；15固始；16安陽；17新鄉。下圖同。

圖3 河南省各歷時降水發生率空間分布

圖4 河南省各歷時降水貢獻率空間分布

3.2 河南省各等級降水發生率和貢獻率空間變化特征

河南省各站點各等級降水發生率如圖5A、圖6所示。由圖5A可知，河南省各等級降水發生率隨降水等級增加而降低，全省小雨發生率平均為76.99%，暴雨發生率僅為2.63%。在空間分布上(圖6)，小雨發生率為73.37%～80.28%，大致呈由東南向西北遞增趨勢，東南部桐柏和駐馬店小雨發生率較小，在73.93%以下，西北部三門峽和新鄉最高，在79.44%以上。中雨發生率為13.10%～16.79%，新鄉最小，永城最大。大雨發生率為4.77%～6.80%，東南部桐柏和駐馬店較高，在6.56%以上，三門峽最小。暴雨發生率在0.94%～3.68%，整體呈東南向西北減小趨勢，駐馬店最大，三門峽最小。整體上看，小雨發生率由東南向西北遞增，中雨、大雨和暴雨發生率由東南向西北遞減。

河南省各站點各等級降水貢獻率如圖5B、圖7所示。小雨、中雨、大雨和暴雨平均貢獻率分別為23.36%，28.20%，24.59%，23.86%，較為均衡。在空間分布上(圖7)，小雨貢獻率為19.11%～30.84%，大致呈由東南向西北遞增趨勢，東南部桐柏和駐馬店小雨貢獻率較小，在19.79%以下，西北部三門峽和孟津最高，在26.59%以上。中雨貢獻率為25.88%～34.14%，商丘最小，三門峽最大。大雨貢獻率為22.49%～27.41%，南部桐柏和南陽較小，在22.71%以下，孟津最大。暴雨貢獻率為9.87%～30.82%，整體呈東南向西北減小趨勢，桐柏最大，三門峽最小。整體上看，小雨、中雨和大雨貢獻率由東南向西北遞增，暴雨貢獻率由東南向西北遞減。

圖5 河南省各等級降水發生率和貢獻率

3.3 河南省各歷時降水變化趨勢空間特征

河南省各歷時降水發生率和貢獻率變化趨勢檢驗結果見圖8。由圖8A可知，歷時1～3 d的降水發生率呈上升趨勢的居多，但較少站點能通過90%的置信檢驗(p<0.1)，說明這種變化不顯著。4 d和≥5 d降水發生率則大多呈下降趨勢，且較多數據通過了90%的置信檢驗(p<0.1)，在≥5 d降水中，寶豐、許昌、商丘、永城、三門峽、南陽、固始甚至通過了99%的置信檢驗(p<0.01)，說明對于長歷時(4 d以上)降水來說，發生率整體呈現出比較明顯的下降趨勢。

歷時降水貢獻率變化趨勢(圖8B)與發生率較為相似，大部分站點1～3 d歷時降水貢獻率呈上升趨勢，且有近半的站點通過了90%的置信檢驗(p<0.1)。4 d和≥5 d的降水貢獻率則大多呈下降趨勢，表明長歷時降水呈減少趨勢，在≥5 d降水中，所有的站點Z值小于0，且多數站點通過了90%的置信檢驗(p<0.1)，說明長歷時降水的貢獻率明顯下降。

3.4 河南省各等級降水變化趨勢空間特征

河南省各等級降水發生率和貢獻率變化趨勢檢驗結果見圖9。由圖9A可知，小雨和中雨發生率變化趨勢比較明顯，除孟津外，16個站點小雨發生率呈下降趨勢，11個站點通過了90%的置信檢驗(p<0.1)，5個站點通過了99%的置信檢驗(p<0.01)。大部分站點中雨發生率呈增加趨勢，鄭州等9個站點通過了90%的置信檢驗(p<0.1)。大部分站點大雨和暴雨發生率呈增加趨勢，但增加趨勢不明顯。

由圖9B可知，小雨和中雨貢獻率呈下降趨勢的站點較多，大雨和暴雨貢獻率呈增加趨勢的站點較多，但整體上各等級降水貢獻率無論是增加趨勢還是下降趨勢都不太顯著。

4 討 論

結果表明1960—2019年河南省降水發生率整體隨降水歷時和降水等級的增加而降低，短歷時(1～2 d)降水發生率為74.03%，占據主導地位，小雨發生率為76.99%，占絕對優勢，與前人研究[12-13,20]較為一致。

河南省各降水歷時和降水等級發生率、貢獻率的空間差異顯著，這與全省地跨南北氣候過渡帶，深受季風氣候影響有關。豫南固始、信陽等站點位于秦嶺—淮河一線附近，屬北亞熱帶季風氣候區，降水豐富、雨季時間較長，暴雨、強降水發生率較高；豫西北地區暴雨發生率和貢獻率較低，原因是大陸性氣候較強、季風相對較難深入。

圖6 河南省各等級降水發生率空間分布

圖7 河南省各等級降水貢獻率空間分布

圖8 河南省各站點各歷時降水發生率和貢獻率變化趨勢檢驗結果

圖9 河南省各站點各等級降水發生率和貢獻率變化趨勢檢驗結果

河南省降水發生率和貢獻率變化趨勢與已有研究結果也較為一致。降水歷時方面，全省中短歷時(1～3 d)降水發生率和貢獻率呈上升趨勢，而長歷時降水則顯著下降，這與前人在廣西[13]、長江上游地區等[20]地研究結果一致。降水等級方面，河南省小雨發生率、貢獻率呈下降趨勢，而暴雨發生率和貢獻率增加，Qian等[22]研究發現近幾十年來我國東部小雨減少，盧珊等[11]研究發現陜西省小雨呈顯著下降趨勢，暴雨呈上升趨勢，董旭光等[23]研究發現山東省近50 a來暴雨呈增加趨勢。近60 a來河南省不同等級降水變化趨勢表明全省降水結構有向極端強降水轉移的發展態勢。

本文從數理統計角度探討了近60 a來河南省降水結構的時空變化，但對于降水結構變化的驅動機制如大氣環流、城市化過程的影響以及降水結構變化對區域農業生產等的影響仍需進一步研究。

5 結 論

(1) 河南省降水發生率整體隨降水歷時的增加而降低，其中1 d降水歷時的發生率平均為44.66%，≥5 d降水歷時發生率平均為6.87%，短歷時(1～2 d)降水發生率達74.03%，居主導地位。各歷時降水平均貢獻率表現為≥5 d(26.73%)>2 d(26.20%)>3 d(18.68%)>4 d(14.43%)>1 d(13.96%)；降水發生率隨降水等級增加而降低，小雨發生率為76.99%，暴雨僅為2.63%，各等級降水貢獻率為23.36%～28.20%，分布較為均衡。

(2) 短歷時(1～2 d)降水發生率和貢獻率呈由南往北逐漸增加趨勢，3 d以上歷時降水發生率和貢獻率呈由南向北減少趨勢。小雨發生率由東南向西北遞增，中雨、大雨和暴雨發生率由東南向西北遞減。小雨、中雨和大雨貢獻率由東南向西北遞增，暴雨貢獻率由東南向西北遞減。

(3) 中短歷時(1～3 d)降水發生率呈不顯著上升趨勢，4 d以上歷時降水發生率呈顯著下降趨勢；中短歷時降水貢獻率呈顯著上升趨勢，≥5 d歷時降水發生率顯著下降；各等級降水變化趨勢方面，小雨發生率呈顯著下降趨勢，中雨發生率呈顯著增加趨勢，小雨和中雨貢獻率不顯著下降；大雨和暴雨發生率和貢獻率不顯著增加。