淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水時空特征分析

摘 要：以淮河生態(tài)經(jīng)濟帶為研究對象，選取1961—2014年淮河生態(tài)經(jīng)濟帶95個地面氣象站點的逐日降水數(shù)據(jù)，運用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法、小波分析等方法，分析淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水時空特征。結(jié)果表明，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水從南到北大致呈遞減趨勢，空間分布差異比較顯著，許多地區(qū)降水量的年內(nèi)分配不均勻；淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水量呈下降趨勢，且有春、秋兩季變干旱，夏、冬兩季變濕潤的趨勢；淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水存在25～36年、13～20年及10年以下3類周期變化規(guī)律，以27年尺度的周期變化為第一主周期。

關(guān)鍵詞：淮河生態(tài)經(jīng)濟帶；降水集中度；降水時空分析；Mann-Kendall檢驗法；小波分析

中圖分類號：P339 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-03

淮河生態(tài)經(jīng)濟帶以淮河干流、一級支流以及下游沂沭泗水系流經(jīng)的地區(qū)為規(guī)劃范圍。《淮河生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》提出，必須立足現(xiàn)有基礎(chǔ)，深入貫徹落實新發(fā)展理念，推動形成人與自然和諧發(fā)展的現(xiàn)代化建設(shè)新格局，打造水清地綠天藍的生態(tài)經(jīng)濟帶。淮河流域氣候條件復雜，水旱災(zāi)害發(fā)生頻繁[1]。因此，研究淮河生態(tài)經(jīng)濟帶的降水時空特征具有十分重要的意義。關(guān)于淮河流域降水特征的研究已有很多，袁喆等[2]分析了近50年來淮河流域降水時空變化特征；佘敦先等[3]

研究了淮河流域近50年來極端降水的時空變化及統(tǒng)計特征。

基于此，選取淮河生態(tài)經(jīng)濟帶95個站點54年來的降水數(shù)據(jù)，運用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法、小波分析等方法，分析淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水、降水變化趨勢及降水周期，以期為淮河生態(tài)經(jīng)濟帶的發(fā)展提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河生態(tài)經(jīng)濟帶貫通黃淮平原，連接中部和東部地區(qū)，介于長江和黃河流域之間。淮河流經(jīng)山東、河南、安徽和江蘇四省，流域面積約為27萬km2。淮河流域東北部、西部以及西南部為山區(qū)、丘陵，其他地區(qū)是平原。

淮河生態(tài)經(jīng)濟帶位于我國南北氣候過渡帶，降水量由南向北遞減，山區(qū)大于平原，沿海大于內(nèi)陸。淮河以南具有南方的氣候特征，炎熱濕潤；淮河以北則具有北方的氣候特征，寒冷干燥。

1.2 降水數(shù)據(jù)

所用數(shù)據(jù)為淮河生態(tài)經(jīng)濟帶內(nèi)95個地面氣象站點1961—2014年的逐日降水觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（https：//data.cma.cn/）的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。

觀測站點在整個淮河生態(tài)經(jīng)濟帶內(nèi)地理位置分布比較均勻，所選站點降水數(shù)據(jù)均經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制，且所選序列無缺測，數(shù)據(jù)精度為0.1 mm。

1.3 研究方法

1.3.1 降水集中度和集中期

利用張錄軍等[4]提出的方法，將降水量看作矢量，用降水集中度反映降水總量在研究時段內(nèi)各個月的集中程度。如果在某一年中，合成向量的模與降水總量之比為1，降水集中度越接近1，表示降水越集中在某一月內(nèi)；降水集中度越接近0，表示降水越平均分布在各月。集中期為合成向量的方位角，即合成向量所指示的角度，這顯示了每月或每候降水量在合成之后的整體效應(yīng)，可以反映出一年中最大月或候降水量的所在時期。

1.3.2 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法

Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法是趨勢性檢驗的最常用的非參數(shù)檢驗方法之一。該方法計算簡便，不受趨勢是否為線性的影響，也不受少數(shù)異常值的干擾。通過對Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗的統(tǒng)計變量Z值進行分析，可以得出水文序列的長期變化趨勢及變化趨勢的顯著性。

1.3.3 小波分析

J.Morlet提出了一種具有時—頻多分辨功能的小波分析（Wavelet Analysis）。小波分析可以更好地研究時間序列問題，清楚展示時間序列中的多種變化周期以及系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢，定量提取出降水時間序列中隱含的周期特征及周期的連續(xù)穩(wěn)定性和強度[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 多年平均降水量特征分析

2.1.1 多年平均降水量空間分布特征

利用站點資料計算出各站點多年平均降水量，繪制淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水量空間分布圖（圖略），淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水量從南到北大致呈遞減趨勢。這是由于淮河以南為南方的氣候特征，炎熱濕潤，降水較多；而淮河以北則為北方的氣候特征，寒冷干燥，降水較少。淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降雨量為524.3～1 248.3 mm，其中最低值出現(xiàn)在河南省的汝州站，最高值出現(xiàn)在安徽省的金寨站。兩者多年平均降雨量差異很大說明了淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水空間分布差異比較顯著。淮河生態(tài)經(jīng)濟帶四季多年平均降水量均呈現(xiàn)從南到北、從近海到內(nèi)陸遞減的趨勢。各季節(jié)降水量差異明顯，夏季降水最多，冬季降水最少（圖1）。

2.1.2 多年平均降水集中度和集中期

根據(jù)各站點多年平均月降水量數(shù)據(jù)，利用降水集中度的計算方法，計算出各站點的降水集中度，繪制淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水集中度分布圖（圖略），淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水集中度從南到北呈現(xiàn)遞增的趨勢，其中最大值為0.56，最小值為0.31。淮河以北地區(qū)為北方氣候特征，冬季降水較少，降水主要集中于夏季；而淮河以南地區(qū)為南方氣候，濕潤多雨，全年降水分布相對均勻。高值區(qū)所占面積相對較多，這是由于許多地區(qū)降水量的年內(nèi)分配不均勻，汛期（6—9月）降水量占年降水量的比例較大。淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水集中期主要在7月，最早日期與最晚日期僅相差11 d，表現(xiàn)出雨熱同期的特點。

2.2 降水變化趨勢特征分析

使用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法，計算降水的Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗統(tǒng)計量Z值，可以得出，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶Z值分布表現(xiàn)出中間高，兩邊低的特點。降水呈增加趨勢的區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，且增加趨勢強度逐漸向南部遞增；降水呈減少趨勢的區(qū)域主要分布在兩邊，且減少趨勢強度逐漸向兩邊遞增。淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水量Z值為-0.26，為下降趨勢；最大Z值為1.66，達到90%置信水平；最小Z值為-2.13，達到95%置信水平。Z＜0的區(qū)域占整體區(qū)域的68%，這表明淮河生態(tài)經(jīng)濟帶大部分區(qū)域降水呈現(xiàn)減少趨勢，平均減少速率為-4 mm/10年，這可能會導致干旱風險增加。

1969—1973年、1979—1985年、1989—1990年、1995—1998年、2001—2005年為淮河生態(tài)經(jīng)濟帶年降水量上升階段；1968年以前、1974—1978年、1986—1988年、1991—1994年、1999—2000年、2006—2014年為年降水量下降階段。圖2為淮河生態(tài)經(jīng)濟帶四季的逐年降水量及線性趨勢。從圖中可以看出，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶春、秋兩季的降水量呈下降趨勢，說明這兩季正逐漸變干旱；夏、冬兩季的降水量呈上升趨勢，說明這兩季正逐漸變濕潤。

2.3 降水周期特征分析

對淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水情況采用小波分析法進行周期性檢驗，分析其周期演變特征，并繪制Morlet小波實部時—頻分布等高線圖（圖3a）和小波方差圖（圖3b）。從圖3a中可以看到，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水存在25～36年尺度周期，且此周期變化最為顯著，中心時間尺度為27年。年降水量變化呈現(xiàn)干濕交替的震蕩，體現(xiàn)為降水量由多變少再變多3個循環(huán)的交替，1961—1980年、1996—2014年屬于降水量較多的時期，即偏濕潤期；其他年份屬于偏干旱期，降水量較少，這與袁喆等的研究結(jié)果基本一致。從20世紀70年代中期到2010年左右，13～20年尺度周期變化較為顯著，其中心時間尺度為準16年。而10年以下的小尺度則呈現(xiàn)為正負相位交替的狀態(tài)。從圖3b可以看出，圖中出現(xiàn)了3個比較明顯的峰值，第一峰值是27年尺度，說明27年左右的周期震蕩最強，是時間序列的第一主周期，第二、三主周期是8年、47年。

3 結(jié)論

（1）淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水量從南到北大致呈遞減趨勢，降水空間分布差異比較顯著，許多地區(qū)降水量的年內(nèi)分配不均勻。

（2）在降水趨勢變化方面，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶多年平均降水量Z值為-0.26，為下降趨勢。Z＜0的區(qū)域占整體區(qū)域的68%，大部分區(qū)域降水均呈現(xiàn)減少趨勢。從季節(jié)來看，春、秋季呈下降趨勢，夏、冬季呈上升趨勢。

（3）在降水周期變化方面，淮河生態(tài)經(jīng)濟帶降水主要存在三類周期變化規(guī)律，分別是25～36年、13～20年及10年以下。其中，以25～36年尺度周期變化最為顯著，準27年的周期震蕩最強，是時間序列的第一主周期。

參考文獻

[1] 邱睿.淮河生態(tài)經(jīng)濟帶綠色創(chuàng)新效率及其影響因素研究[D].蚌埠：安徽財經(jīng)大學，2021.

[2] 袁喆，楊志勇，鄭曉東，等.近50年來淮河流域降水時空變化特征分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2012，10（2）：98-103.

[3] 佘敦先，夏軍，張永勇，等.近50年來淮河流域極端降水的時空變化及統(tǒng)計特征[J].地理學報，2011，66（9）：1200-1210.

[4] 張錄軍 ，錢永甫.長江流域汛期降水集中程度和洪澇關(guān)系研究[J].地球物理學報，2004，47（4）：622-630．

[5] 何慶龍，周維博，夏偉，等.延安市近60年降水時空特征分析[J].水資源與水工程學報，2018，29（1）：31-37.