淮河流域近70年極端水文氣象特征分析

陳素潔，鞠 琴，郝振純，王樂揚(yáng)，徐海卿

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 全球變化與水循環(huán)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

根據(jù)IPCC評(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)，本世紀(jì)溫室氣體的持續(xù)排放將導(dǎo)致全球部分地區(qū)的暴雨、高溫、干旱等極端氣象水文事件進(jìn)一步加劇[1]，人類的生存環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將面臨更大挑戰(zhàn)[2-3]。淮河流域位于東經(jīng)111°55′—121°25′，北緯30°55′—36°36′，是南北地理分界線及氣候過渡帶，該流域氣候復(fù)雜多變，導(dǎo)致旱澇頻繁且轉(zhuǎn)變急劇無常，流域的氣候問題及帶來的極端水文現(xiàn)象引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注：如楊赤等[4]分析了淮河流域水文極值對(duì)氣候變化的響應(yīng)，盧燕宇等[5]分析研究了淮河流域降水的時(shí)空演變特征，王景才等[6]分析了淮河上中游流域的年降水和主汛期降水的統(tǒng)計(jì)特征，田立鑫等[7]分析了淮河流域時(shí)空變化特征及年均氣溫和PDO的周期特征。然而結(jié)合徑流分析淮河流域降水和干旱變化特征的研究較少，本文對(duì)淮河流域近70年來的降水和干旱變化特征及其徑流響應(yīng)進(jìn)行了研究，預(yù)測(cè)了極端氣象水文事件的未來趨勢(shì)，其結(jié)果可為淮河流域防災(zāi)減災(zāi)及水資源管理規(guī)劃工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究資料和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文結(jié)合淮河流域23個(gè)氣象站點(diǎn)1951—2016年的逐日降雨數(shù)據(jù)及淮河干流重要控制站蚌埠站的逐日徑流數(shù)據(jù)，選取六個(gè)降水指數(shù)[8]和降水百分率距平分別對(duì)淮河流域的降水和干旱變化進(jìn)行分析，并結(jié)合徑流變化進(jìn)一步揭示降水、干旱與徑流之間的相關(guān)關(guān)系。極端降水指數(shù)定義見表1，干旱等級(jí)判定以《GB/T 20481—2017氣象干旱等級(jí)》為準(zhǔn)，見表2。

如圖1所示,氣象站點(diǎn)在淮河流域空間分布較均勻，因此將23個(gè)站點(diǎn)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為流域面平均雨量。蚌埠站作為淮河中游主要控制站，為國(guó)家一類重點(diǎn)水文站，控制面積為12.13萬km2，其測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)淮河流域的徑流特征有一定的代表性[9-11]。

1.2 研究方法

1.2.1 滑動(dòng)平均法

利用滑動(dòng)平均法[12]和線性趨勢(shì)法對(duì)降水指數(shù)序列進(jìn)行初步分析，降水指數(shù)滑動(dòng)平均系列為：

(1)

式中：k為滑動(dòng)長(zhǎng)度，Xj+i-1為第j+i-1年的降水指數(shù)。

1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[13]對(duì)降水序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)。對(duì)于降水序列X={X1,X2…,Xn}(含有n個(gè)樣本)，構(gòu)造一個(gè)秩序列：

(2)

式中：若Xi>Xj(j=1,2……,i)，ri=1；否則ri=0，秩序列Sk是第i個(gè)時(shí)刻數(shù)值大于第j個(gè)時(shí)刻時(shí)數(shù)值個(gè)數(shù)的累加，在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量：

表1 極端降水評(píng)價(jià)指數(shù)表

圖1 淮河流域氣象站點(diǎn)圖示Fig.1 Meteorological station distribution in the HRB

(3)

(4)

(5)

式中：UF1=0，E(Sk)和varE(Sk)分別是Sk的均值和方差，且X1、X2……Xn互相獨(dú)立時(shí)，它們具有相同連續(xù)分布。按時(shí)間序列X的逆序重復(fù)上述過程，得到另外一條曲線UBk，本文給定顯著性水平α=0.05，那么臨界值μ0.05=±1.96。將UFk和UBk及兩條臨界線繪在一張圖上，若UFk和UBk兩條曲線超過臨界線，表明上升或下降趨勢(shì)顯著，超過臨界線的范圍為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域，若UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

1.2.3R/S分析法

基于R/S分析法得到的Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法，用于判斷未來趨勢(shì)相對(duì)于過去趨勢(shì)的變異程度，其基本原理是將一個(gè)時(shí)間序列均分為若干個(gè)數(shù)組，在每個(gè)數(shù)組內(nèi)對(duì)其極值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)數(shù)組時(shí)間長(zhǎng)度為N，將N作為解釋變量，ln[R/S]為被解釋變量進(jìn)行線性回歸，得到線性回歸方程的斜率即為Hurst指數(shù)，Hurst指數(shù)意義如表3，計(jì)算公式為[14]：

ln[R/S]=Hlna+HlnN

(6)

式中：R為極值，S為標(biāo)準(zhǔn)值，H為Hurst指數(shù)；N為時(shí)間步長(zhǎng)。

通過統(tǒng)計(jì)量V可以判斷出序列是否有非周期循環(huán)，且測(cè)定出周期長(zhǎng)度，若V-ln(n)曲線由上升趨勢(shì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)趨勢(shì)或下降趨勢(shì)，則認(rèn)為過去趨勢(shì)對(duì)于未來趨勢(shì)的影響消失，統(tǒng)計(jì)量V計(jì)算公式如下：

(7)

表3 Hurst指數(shù)分類表

2 結(jié)果分析

2.1 降水指數(shù)變化

2.1.1 降水趨勢(shì)分析

以23個(gè)站點(diǎn)逐日降水的算數(shù)平均值作為淮河流域逐日面平均雨量，基于流域面雨量分析極端降水指數(shù)的年際變化，結(jié)果如圖2所示，六個(gè)降水指數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中多年平均RX1day值為39.24 mm，線性增長(zhǎng)傾向率為1.8 mm/10 a，多年相差最大為60.64 mm，最大RX1day年份主要集中在20世紀(jì)60年代，這與余敦先等研究表明1960—2009年淮河流域最大日降水事件發(fā)生年份大多集中在20世紀(jì)60—70年代結(jié)論一致[15]；多年平均SDⅡ值為7.02 mm/d，線性增長(zhǎng)傾向率為0.225 mm/(d·10 a)；多年平均R20值為7.62 d，線性增長(zhǎng)傾向率為0.74 d/10 a；年連續(xù)濕日(CWD)為11.47 d，線性增長(zhǎng)傾向率為0.356 d/10 a；年強(qiáng)降水量(R95P)為384.43 mm，線性增長(zhǎng)傾向率為23.5 mm/10 a；多年平均降水量(PRCPTOT)為807.6 mm，線性增長(zhǎng)傾向率為34.82 mm/10 a，降水量最多年份為2003年，降水量為1227.25 mm，降水量最少年份為1951年，降水量為103.89 mm。除連續(xù)濕日指數(shù)外，所有降水指數(shù)均通過95%置信度的顯著檢驗(yàn)(表4)，說明淮河流域極端降水情況越來越嚴(yán)重。

圖2 極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of extreme precipitation index

2.1.2 降水突變分析

結(jié)合滑動(dòng)平均以及MK突變檢驗(yàn)結(jié)果分析(圖3)：RX1day和 SDⅡ均在1953年前后呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)且一直持續(xù)至今；由圖3(c)可知大雨日數(shù)UF值在1951年后一直大于0，即R20一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì),1962年前后R20出現(xiàn)均值突變，其UF值超過5%臨界線，增加趨勢(shì)變得顯著，在1975年前后其增加趨勢(shì)減緩，此后一直在臨界線上下徘徊；CWD從1951年到20世紀(jì)70年代后期呈增加趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代初期到21世紀(jì)初期呈減小趨勢(shì)，其后逐漸回升，整體變化趨勢(shì)不明顯；R95P和PRCPTOT均在1953年前后呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，但分別在1977年和1994年左右增加趨勢(shì)減緩，此后一直在臨界線上下波動(dòng)。

表4 極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 極端降水指數(shù)突變檢驗(yàn)Fig.3 Extreme precipitation index mutation test

2.2 干旱統(tǒng)計(jì)分析

基于流域逐日面平均雨量分別計(jì)算淮河流域年、季降水百分率距平，對(duì)淮河流域的干旱情況進(jìn)行分析，特旱、重旱、中旱、輕旱和無旱分別用4、3、2、1和0代替。

從年尺度來看(圖4(a))，近70年里輕旱及以上強(qiáng)度干旱的頻率為21.2%，可見淮河流域易發(fā)生干旱災(zāi)害。由圖5可知干旱年主要集中在20世紀(jì)50年代初中期、70—80年代后期以及20世紀(jì)的末期，其中1951—1955年中有4年為重旱、特旱年，1966年和1978年為中旱年，其余年份均為輕旱年。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，所有年份均屬于輕度干旱及無旱。從年降水百分率距平來看，年降水百分率距平逐漸增加且通過了95%置信度的趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)，可知淮河流域的干旱趨勢(shì)逐漸降低。

季尺度上(圖4(b))，四季無旱比例均最高，其次是輕旱、中旱、重旱和特旱；四季干旱頻率分別為24.24%、16.67%、30.3%、33.33%，可見冬旱最為嚴(yán)重。從表5可知，近70年來，冬季發(fā)生中旱及以上強(qiáng)度的干旱共15次，主要集中在20世紀(jì)50年代和80年代，其中中旱年占比最高；夏季在1953年之后便沒有發(fā)生過輕旱以上強(qiáng)度的干旱；春、秋兩季干旱主要發(fā)生在21世紀(jì)的初期和20世紀(jì)的末期。四季降水量距平百分率正逐年增大(圖6)，線性增長(zhǎng)速率由大到小依次為冬季、秋季、夏季、春季，可見冬季旱災(zāi)比例雖高，但其降水量距平百分率增率最大，因而冬旱頻率有減小趨勢(shì)。

2.3 降水、干旱對(duì)徑流的響應(yīng)

2.3.1 降水與徑流的相關(guān)性及長(zhǎng)程分析

結(jié)合MK趨勢(shì)檢驗(yàn)，分析年連續(xù)30天、15天最大降水和徑流的趨勢(shì)變化及相關(guān)性(下文均簡(jiǎn)化為最大30天降水、徑流)，采用R/S分析法檢測(cè)最大30天降水、徑流系列的未來趨勢(shì)并進(jìn)一步判斷未來趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間。

圖4 1951—2016年、季干旱等級(jí)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 The statistical graph of drought grade in seasons and years during 1951—2016

圖5 年降水量距平百分率及干旱情況Fig.5 Annual precipitation anomalytrend and drought statistics

圖6 季降水量距平百分率線性擬合Fig.6 Linear fitting of seasonal precipitation anomaly percentage

表5 干旱等級(jí)計(jì)算結(jié)果(季)

最大30天、15天降水均呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖7)，線性增長(zhǎng)傾向率分別為8 mm/10 a和4.9 mm/10 a，最大30天、15天徑流均呈不顯著減小趨勢(shì)，線性減少傾向率分別為2.97億m3/10 a和1.39億m3/10 a，兩者變化趨勢(shì)不完全一致，說明流域徑流除了受到氣候影響外，下墊面因素和人為影響也較大。最大30天降水Hurst指數(shù)為0.641 7，呈正弱持續(xù)性變化，從V統(tǒng)計(jì)量可知第一個(gè)拐點(diǎn)在ln(N)=2.4，即過去趨勢(shì)對(duì)未來的有效影響時(shí)間長(zhǎng)度N約為11年；同理最大30天徑流Hurst指數(shù)為0.468 7，呈反弱持續(xù)性變化，持續(xù)性時(shí)間約為7年。

最大30天、15天降水與徑流序列在0.01的顯著水平下均呈中度相關(guān)(表6)，最大30天的降水徑流相關(guān)系數(shù)稍偏大一點(diǎn)。

表6 降水徑流相關(guān)系數(shù)表

注：**在0.01水平相關(guān)性顯著。

圖7 最大30天、15天降水和徑流趨勢(shì)(a、b)及R/S分析結(jié)果圖Fig.7 Maximum 30-day, 15-day precipitation and runoff trend and R / S analysis results

2.3.2 干旱與徑流的相關(guān)性及長(zhǎng)程分析

以夏季(6—8月)和冬季(12—2月)作為徑流汛期和非汛期，分別分析夏、冬季降水百分率距平與徑流的趨勢(shì)變化、相關(guān)性和長(zhǎng)程變異情況。因本文選取降水百分率距平作為干旱指標(biāo)，所以干旱與徑流的相關(guān)性分析主要以降水百分率距平與徑流的相關(guān)性為主。

如圖8所示，夏、冬季降水百分率距平均呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，線性增長(zhǎng)傾向率分別為0.03 mm/10 a和0.05 mm/10 a，汛期、非汛期徑流分別呈不顯著減小趨勢(shì)和不顯著增加趨勢(shì)，線性傾向率分別為6.23億m3/10 a和0.45億m3/10 a。夏、冬季降水百分距平序列Hurst指數(shù)分別為0.654 7和0.607 1，分別呈正強(qiáng)持續(xù)性變化和正弱持續(xù)性變化，從V統(tǒng)計(jì)量可知(表7)，夏、冬季降水百分距平變化趨勢(shì)可分別持續(xù)約10年和6年；汛期徑流Hurst指數(shù)為0.481 4，呈反弱持續(xù)性變化，持續(xù)性時(shí)間約為4年，非汛期徑流Hurst指數(shù)為0.510 6，呈正弱持續(xù)性變化，持續(xù)性時(shí)間約為8年。

通過相關(guān)性分析可知(表8)，汛期降水距平與徑流呈中度相關(guān)，而非汛期的降水距平與徑流相關(guān)性大大降低，說明夏季降水距平對(duì)徑流的影響更大，此時(shí)，徑流量能較真實(shí)地反映干旱是否發(fā)生及發(fā)生干旱的強(qiáng)度。

表7 V統(tǒng)計(jì)量-時(shí)間長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

表8 降水百分距平與徑流相關(guān)系數(shù)表

注：**在0.01水平相關(guān)性顯著，*在0.05水平相關(guān)性顯著。

圖8 汛期、非汛期降水距平和徑流趨勢(shì)及R/S分析結(jié)果圖Fig.8 Precipitation distance and runoff trend in non-flood season and R /S analysis results

3 結(jié)論

1)六個(gè)降水指數(shù)除了CWD外，RX1day、SDⅡ、R95P、R20和PCRPTOT均呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)且突變年份主要集中在20世紀(jì)50年代和60年代初期。

2)近70年淮河流域干旱頻率為21.2%，以輕度干旱居多，干旱年主要集中在20世紀(jì)50年代、70—80年代后期以及20世紀(jì)末期；四季冬旱最嚴(yán)重，夏旱最少，年、季降水距平百分率均逐年增大，建議有關(guān)部門可針對(duì)輕旱及冬旱加以預(yù)防與治理。

3) 最大30天、15天降水和徑流均呈中度相關(guān)，其中，最大30天降水、徑流將呈不顯著增加趨勢(shì)分別約11年及7年。汛期、非汛期的降水距平和徑流分別呈中度相關(guān)和弱相關(guān)，且均為不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，該趨勢(shì)降水距平將分別持續(xù)10年(汛期)和6年(非汛期)，徑流則分別持續(xù)4年(汛期)和8年(非汛期)。

本文雖然研究了淮河流域的氣候變化及其徑流響應(yīng),但是干旱分析中只采用了降水百分率距平這一種干旱指數(shù)，分析并不全面。在徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)分析里,并未考慮蒸發(fā)因素，且徑流數(shù)據(jù)只選取了蚌埠水文站一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),以上問題是本次研究的不足點(diǎn),將在下一步工作中進(jìn)行深入研究。