近50年来淮河流域降水时空变化特征分析
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doi:10.3724/SP.J.1201.2012.02098
摘要：以淮河流域及周边地区48个气象站点1961年-2010年共50年逐日降水过程为基础资料，以地理信息系统技术为数据处理平台，结合Mann-Kendall秩次相关检验、Morlet小波变换和集对分析法（SPA）等，分析淮河流域年降水量时间序列趋势性、周期性以及降水集中度、集中期、降水质心、旱涝发生频率、旱涝交替在空间上的分布特征。结果表明：① 近50年来，年降水量整体呈略微减少趋势，南部地区降水增加，北部地区降水减少;② 年际变化上存在27年的主周期，年内分配集中在夏季，且北部地区降水更为集中;③ 干旱易发区分布面积较广，洪涝易发区分布相对较集中，上游和中游部分地区为旱涝交替易发区。
中图分类号：TV213.4;P333.2 文献标识码：A 文章编号：
1672-1683（2012）02-0098-06
Spatial and Temporal Variations of Precipitation in Huaihe River Basin in Recent 50 Years
YUAN Zhe1,3,YANG Zhi-yong2,3,ZHENG Xiao-dong3,4,YUAN Yong1,3
(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;
2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;
3.China Institute of Water resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;
4.College of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)
Abstract:Based on the daily precipitation data of 48 weather stations in the Huaihe river basin and its surrounding area from 1961 to 2010,the characteristics of spatial and temporal patterns of precipitation were determined by the methods of Mann-Kendall rank correlation test,Morlet wavelet transform,and set pair analysis on the data processing platform of geographic information system.The spatial variations of the trend,periodicity,concentration degree,concentration period,and centroid of precipitation,the frequency of drought and flood,and the alternation of drought and flood were investigated.The results showed that (1) the precipitation decreased on the whole during the time period and it increased in the south but decreased in the north of the area;(2) the interannual variation of the precipitation had a 27-year primary period,and the precipitation occurred mainly in summer within a year and it was concentrated in the north of the area;(3) the drought-prone area was distributed widely whereas the flood-prone area was concentrated.The alternation of drought and flood existed mainly in the upper and middle reaches of the Huaihe river basin.
Key words:Huaihe river;precipitation;drought and flood;spatial and temporal variations
1 研究背景
随着全球变暖所带来的负面影响日益突出，气候变化所诱发的环境资源问题受到人们的广泛关注，诸多学者对各类气象要素（如降水、气温、蒸发等）的变化进行了大量的研究，并取得了一系列的进展［1-3］。降水作为水资源的一个重要方面，其多寡和分布直接影响到区域经济的发展。淮河流域是中国十大流域之一，位于黄河和长江之间，处于南北气候过渡带，降水时空分布不均、洪涝灾害频发，因此研究该区域的降水变化特征对于水资源的合理应用和洪涝灾害的防治有着重要的指导作用。目前对于降水这一气象要素主要是分析其在时间上变化趋势，并且集中于对一些典型站点的分析［4］，但淮河流域地理位置特殊、气候条件复杂多变，存在南涝北旱和旱涝交替等问题［5］，因此从大尺度上研究降水在该流域空间变化特征尤为重要。本文借助于地理信息系统技术，将各类气象展布在全流域上，结合各类方法（M-K检验、小波分析、GIS、集对分析法等）从宏观的角度分析降水及旱涝在时间和空间上的特征。
2 资料与方法
2.1 流域概况
淮河发源于河南省海拔高度1 140 m的桐柏山主峰太白顶，流经河南、湖北、安徽、山东、江苏5个省，于三江营汇入长江。流域地理坐标为111°56′-122°42′E，30°57′-37°50′N，地处我国南北气候的交界区，属于气候过渡地带，北部地区为暖温带，南部地区为北亚热带;流域面积约为33万km2，包括5个水资源二级分区，见表1。两大主要水系为淮河水系和沂沭泗河水系;地形地貌主要以山丘和平原为主，其中平原面积约站60%。
淮河流域多年平均降水量约为830 mm，年内降水时空分布不均，其中最大年降水量约为最小年降水量的两倍，汛期（6月-9月）降水约占全年降水的60%～80%，南部地区降水量多于北部地区。由于特殊的地理位置、气候状况和下垫面条件，导致淮河流域旱涝灾害频繁，南涝北旱、旱涝交替、连旱连涝现象也时有发生。
本文使用的降水数据源于全国600个气象观测站1951年-2010间的逐日降水资料。从中选取具有连续降水数据（1961年-2010年）且分布于淮河流域四邻点范围内的气象站点的实际观测数据作为本次研究的基础资料，经筛选共有48个气象站点的被选用，见图1。
2.2 Mann-Kendall秩次相关检验
Mann-Kendall检验属于非参数统计检验方法，通过计算时间序列的标准化统计量（M值）来判断序列的变化趋势，M>0表示增加（上升），M1.282表示降水时间序列达到了90%的显著性检验，|M|>1.645表示达到了95%的显著性检验［6-7］。
2.3 小波分析
小波分析具有时域和频域多分辨功能，较好的适应了水资源系统多时间尺度的结构特征，能够反映降水时间序列的局部变化规律，展现降水时间序列的精细结构，该方法目前已广泛应用于气象要素变化的研究之中［8-10］。
2.4 降水集中度和集中期计算
降水集中期和降水集中度能较好地度量降水年内非均匀分配特征，前者能反映降水量在年内的集中程度，后者反映年降水量集中的重心所出现的月份。降水集中度计算的核心是将一年中各月降水量看作向量进行累加，以所得合成向量的大小占年降水量的百分数来反映降水集中程度［11］。各分向量的大小为月降水量值，方向为各个时段，见表2。水平和垂直分量为：
px=∑12i=1pxi=∑12i=1pisinθi
py=∑12i=1pyi=∑12i=1picosθi
合成向量为：
p=px2+py2
集中度和集中期分别为：
Cn=p/p0;D=tan-1(px/py)
式中：i-月份（i=1,2,…,12）;pi-月降水量;px-各月降水向量水平分量之和；py-各月降水向量水平分量之和；p-合成向量大小；p0-年降水量;Cn-集中度;D-集中期。
2.5 空间插值
目前主要的插值方法可分为3种：反距离权重法（IDW），克里格插值法（Kriging）和光滑薄面样条插值法（Spline）［12-14］。本次研究采用反距离权重法和样条插值法进行空间栅格化，将其展布在整个淮河流域上，从而弥补气象站点分布不均和站点稀疏等方面的弊端，能较为客观地从大尺度上反映各类要素在流域内的空间分布状况。
2.6 集对分析法
集对分析法（SPA）作为目前主要的一种不确定分析方法，主要用于分析对象的综合不确定性［15-16］，其关键在于将系统中具有一定联系的两个集合集对（A,B），分析两者之间的同一性（S）、差异性（F）、和对立性（P），根据如下公式可计算集合A和B的联系度：
ua-b=S/N+i×F/N+j×P/N
式中：S-同一性（级别相同）个数;F-差异性（相差一个级别）个数;P-对立性（相差两个级别）个数;N-总个数（S、F、P之和）;i-差异性标识系数（此处i=0）;j-对立性标识系数（此处j=-1）。
本文将集对分析法用于旱涝交替和连旱连涝的研究，联系度的值越小，说明对立性越强，则旱涝交替的可能性大。
3 结果与分析
3.1 淮河流域年降水量变化趋势性和周期性分析
将各个站点逐日降水量整理成逐年降水数据，经IDW插值后统计得到淮河流域年降水量数据，图2为降水量年际变化图。采用Mann-Kendall秩相关检验以及线性回归法对1961年-2010年的降水变化趋势进行分析，结果表明，近50年（1961年-2010年）降水量呈略微减少趋势（-0.2 mm/a）但未超过显著水平。
采用线性回归法对各个站点逐年降水量进行分析，将各个站点线性趋势值（K值）通过空间插值展布到淮河流域上，见图3。不难发现，淮河上游、中游和下游部分区域年降水量呈增加趋势，而沂沭泗河和山东半岛沿海诸河区域降水量呈减少趋势。
采用Matlab7.0平台所提供的Morlet函数对1961年-2010年的年降水量序列进行小波变换，并绘制淮河流域年降水量序列小波变换实部的时频分布图、不同尺度下实部变换过程图和小波方差图见图4-图6。
图4显示了近50年来淮河流域年降水量在不同时间尺度上的周期变化过程（实线代表降水偏多、虚线代表降水偏少），由图4和图6可见，20世纪60年代至今，24～37 a尺度上周期变化最为显著，中心时间尺度为准27 a，年降水量经历了多-少-多3个循环的交替，且2010年等值线尚未闭合，表明2010年之后的一段时间，年降水量仍将偏多;20世纪70年代后期至今，12～20 a尺度上周期变化较为显著，中心时间尺度为准15 a;对于10 a以下的小尺度，存在更多的正负相位交替。
图5给出了不同尺度（5 a、15 a、27 a）下小波变换系数的实部变换过程，其中，小波变换系数为0的点对应的是突变点，正值代表降水偏多，负值代表降水偏少。由图5可知，5 a尺度下，突变点较多，降水偏多和偏少交替相对频繁;15 a尺度下，丰枯突变点在1971年、1981年、1991年、2002年;27 a尺度下，丰枯突变点在1978年、1995年。
3.2 淮河流域年内降水集中度和集中期变化特征
利用各个气象站点逐年降水集中度和集中期的计算结果进行空间插值和区域统计，得到全流域降水集中度和集中期的变化情况，由图7可知，1988年-1998年降水集中度的变化相对其他年代而言较为剧烈，而这11年间，旱涝频繁，且交替出现（如1997年大旱，1998年大涝），从一定程度上也说明，集中度年际变化的程度与旱涝交替的可能性呈正相关趋势。由图8可知，淮河流域全年降水主要集中在6月下旬至7月上旬，表现为雨热同季。统计1961年-2010年淮河流域各个季节降水量（春季：3月-5月;夏季：6月-8月;秋季9月-11月;冬季：12月-翌年2月），结果表明夏季降水量约占全年降水总量的54%，见图9，与集中期计算结果较为一致。
采用IDW插值方法将各站点平均降水集中度数据转为格点，进一步分析其空间分布特征。图10表明，淮河上中下游区域降水年内分布相对较均，而沂沭泗河和山东半岛沿海诸河区域降水年内分布较为集中，因此，在沂沭泗河和山东半岛沿海诸河区域汛雨期较为稳定。
3.3 淮河流域降水质心变化特征
在逐年降水空间分布图的基础上，经过GIS技术处理得到淮河流域逐年降水质心。结果表明，流域内降水质心位于淮河中游流域和沂沭泗河流域交界处，如图11所示。其各个质点平均位置的地理坐标为117°10′51″E，34°2′13″N。
将降水质心的移动划分为两个方向，即经向移动和纬向移动。由图12和图13可知，降水质心整体上有向西和向南偏移的态势（0.72″/a）。经度和纬度Mann-Kendall秩次相关检验统计量M值分别为-1.53和-1.23，前者通过了90%的显著性检验，表明降水质心向南迁移趋势显著。由于降水质心的偏移从一定程度上能够反映降水集中区的移动情况，从图12和图13所反映出的移动趋势可看出，未来几年里，淮河流域南部地区（淮河上游和中游大部分区域）降水量可能会增加，而北部地区降水量则会相应减少，出现南涝北旱的概率将会增加。
3.4 淮河流域旱涝变化特征
根据旱涝指标Z指数方法和淮河流域逐年年降水量，计
算出该流域1961年-2010年旱涝等级，见图14。由图可知，干旱发生频率为18%（9个干旱年份），洪涝发生频率为20%（10个干旱年份），可见，淮河流域旱涝频发。
同样采用旱涝指标Z指数方法，计算出各个站点旱涝等级的时间序列，统计各个站点干旱和洪涝发生的频率，绘制出淮河流域旱涝频率分布图，见图15、图16。结果表明，淮河上中下游流域南部地区和沂沭泗河流域大部分地区是旱涝多发地段，而淮河中上游流域南部地区和山东半岛沿海诸河流域东部地区是洪涝多发地段。
将各个站点旱涝指标Z指数分类结果，分别用Ⅰ级（偏涝、大涝、重涝）、Ⅱ级（正常）、Ⅲ（偏旱、大旱、重旱）表示。将1961年-2009年旱涝级别构建一个集合A，将1962年-2010年旱涝级别构建一个集合B（时滞为1 a），从而构成集对（A,B）。逐一比较两集合级别符号，分别统计相同符号、差一级符号和差两级个数S（同一性）、F（差异性）、P（对立性）。根据公式ua-b=S/N+i×F/N+j×P/N（i取0，j取-1）计算联系度。其值在一定程度上可以反映相邻两年之间发生旱涝交替可能性的大小。利用各站点联系度数据绘制淮河流域联系分布图见图17，联系度的值越小，说明相邻两年的对立性越强，也就是说旱涝交替的可能性越大，通过图17可以看出淮河上游和中游的部分地区发生旱涝交替的可能性较大。
4 结论
总体而言淮河流域年降水量呈现略微下降趋势（-0.2 mm/a），但下降程度并不显著，且北部降水减少，南部降水增加，存在准27 a周期。
淮河流域降水年内分布主要集中在6月下旬至7月中旬，夏季降水约占全年降水的54%，较南部地区而言，北部地区降水相对集中。降水质心呈向西南方向偏移趋势（均为0.72″/a），其中向南偏移更为显著（通过了90%的显著性检验），在未来一段时间里，淮南地区年降水量呈增加趋势。
淮河流域干旱易发区面积相对较大，主要集中在淮河上中下游流域南部地区和沂沭泗河流域大部分地区，洪涝易发区面积相对较小，主要集中在淮河上游及中游偏南部地区。
集对分析法在一定程度上可以反映年际间旱涝交替易发生于淮河上游和中游部分地区，但只能从定性的角度来说明，其定量分析还有待进一步讨论。
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通讯作者：杨志勇（1979-），男，湖南常德人，高级工程师，博士，主要从事水文水资源、分布式水文模拟、气候变化对水资源的影响和干旱管理方面研究。E-mail: