河南省年季降水集中度研究

吳奕, 李飛, 李超群

(1.河南省水文水資源測報(bào)中心,河南 鄭州 450003; 2.南水北調(diào)中線實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,北京 100038;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

河南省地跨海河、黃河、淮河、長江四大流域,是我國少見的多流域聚集省份。由于不同流域氣候條件一般不相同,河南省降水分布呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的時(shí)間和空間差異[1-2]。近年來,人類活動影響和氣候變化一定程度上改變了全省的水文循環(huán)過程,導(dǎo)致降水時(shí)間分布特點(diǎn)隨之發(fā)生變化[3-4]。對長系列的氣象資料研究結(jié)果表明,河南省年降水量呈減少的趨勢[5],從降水量年內(nèi)分配的變化趨勢來看,豫南地區(qū)春季降水量減少趨勢明顯[6],汛期日降水量增加,出現(xiàn)了諸如2021年鄭州“7·20”極端暴雨事件[7]。在此背景下,通過對河南省降水的時(shí)間均勻特征進(jìn)行研究,明晰降水的年際、年內(nèi)分布規(guī)律,對于水資源時(shí)空調(diào)節(jié)、水旱災(zāi)害防御具有重要的意義[8-9]。

針對河南省降水時(shí)間分布研究,一般多著眼于探求多年變化特征,如史佳良等[10]、劉曉璐等[11]、商東耀等[12]利用標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)等多種指標(biāo)采用Mann-Kendall等多種方法統(tǒng)計(jì)分析了近年來降水時(shí)間分布年際變化特征。既有研究對于降水年內(nèi)時(shí)間分布規(guī)律的探究較少,一般多基于少量氣象站點(diǎn)資料采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)等進(jìn)行分析研究[13-14]。由于資料可獲得性受限,采用多流域大數(shù)量水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行全省多流域降水年內(nèi)時(shí)間均勻特征研究較少。目前對降水年內(nèi)時(shí)間均勻特征研究廣泛采用的是降水集中指數(shù)(Precipitation Concentration Index,PCI)[15-16]和降水集中度(Q)[17-18],缺少與河南省相關(guān)的深入應(yīng)用研究。

本文基于河南省全省范圍內(nèi)4個(gè)流域522個(gè)雨量站點(diǎn)資料,采用降水集中指數(shù)(PCI)和降水集中度(Q),通過ArcGIS的Kriging空間插值方法,研究全省1956—2021年的降水年內(nèi)時(shí)間分布及降水集中度年際變化特征,探求多流域聚集地區(qū)降水時(shí)間分布的時(shí)空分異規(guī)律,為水資源調(diào)配和水旱災(zāi)害防御提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

河南省地處中原,地勢西高東低,占地面積約16.7萬km2,其中海河流域面積約1.53萬km2,約占全省總面積的9.1%;黃河流域面積約3.62萬km2,約占全省總面積的21.7%;淮河流域面積約8.64萬km2,約占全省總面積的52.9%;長江流域面積約2.76萬km2,約占全省總面積的17.6%。全省地貌大致由豫北、豫西、豫南山地和黃淮海平原、南陽盆地組成。全省屬于暖溫帶-亞熱帶、濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候,具有明顯的過渡性氣候特征。受季風(fēng)氣候的影響,全省南北氣候差異大,南部呈濕潤半濕潤特征,北部呈半濕潤半干旱特征[19]。

河南省多年平均降水量768.5 mm,受大氣環(huán)流和復(fù)雜地形的影響,全省降水量等值線整體呈東西走向,平原區(qū)呈東北-西南走向,伏牛山東麓一帶、大別山區(qū)北側(cè)新縣一帶、太行山東麓衛(wèi)輝市一帶,是降水量高值區(qū)。全省降水主要集中在汛期(6—9月),春、秋、冬3季多干旱少雨,多年平均汛期降水量占全年降水量的60%以上,最大年降水量與最小年降水量比為2.3。全省降水量年內(nèi)分配不均、年際變幅較大,局部地區(qū)容易產(chǎn)生水旱災(zāi)害。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究采用全省范圍內(nèi)水文部門522個(gè)雨量站點(diǎn)的整編數(shù)據(jù)(海河流域269站/km2,黃河流域340站/km2,淮河流域300站/km2,長江流域383站/km2),時(shí)間長度為1956—2021年。站點(diǎn)情況見圖1和表1。

表1 各流域站點(diǎn)數(shù)量 個(gè)

圖1 全省雨量站點(diǎn)分布和流域劃分

所用絕大部分站點(diǎn)資料完整、連續(xù),個(gè)別站建站年份晚于1956年,借用臨近站點(diǎn)數(shù)據(jù)對其建站之前年份的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

1.3 研究方法

1)降水集中指數(shù)(PCI)。降水集中指數(shù)(PCI)計(jì)算方法由DE LUIS M等[20]提出,是對OLIVER J E[21]所定義的PCI的改進(jìn),其定義如下:

(1)

式中:xi為第i個(gè)時(shí)段的降水量,mm;N為時(shí)段數(shù)。

由式(1)可知:若年降水量都集中在一個(gè)時(shí)間段內(nèi),則PCI的值為100,最高;若年降水量均勻分配于N個(gè)時(shí)間段,則PCI值為1/N。在實(shí)際應(yīng)用中,若以月為時(shí)間尺度,國際普遍認(rèn)為:當(dāng)PCI≤10時(shí),表示降水時(shí)間分布較均勻;當(dāng)11≤PCI<20時(shí),表示降水時(shí)間分布偏集中;當(dāng)PCI≥20時(shí),表明降水時(shí)間分布異常集中。

2)降水集中度(Q)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論,信息熵用于描述離散隨機(jī)事件的出現(xiàn)概率,當(dāng)隨機(jī)事件的不確定性增大時(shí),信息熵的數(shù)值也隨之增大。因氣候變量可視為隨機(jī)變量,基于信息熵理論,王睆等[17]和LI H等[22]以降水量為隨機(jī)事件,定義降水集中度Q為:

(2)

(3)

式中P(xi)為xi對總降水量的貢獻(xiàn)率。

由式(2)可知:降水集中度Q值介于0和1之間;如果全部降水都集中在一個(gè)時(shí)次,則Q=1;如果降水均勻分布在每一個(gè)時(shí)次,Q=0。即當(dāng)降水時(shí)間分布較集中時(shí),該值較大;當(dāng)降水時(shí)間分布較均勻時(shí),該值較小。

3)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和氣象干焊表征指標(biāo)Z。為研究降水分布特征與降水豐沛程度的關(guān)系,需要用到SPI和Z。其中,SPI是MCKEE T B等[23]為評估氣象干旱狀況而提出的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo),其原理是認(rèn)為降水量概率密度函數(shù)服從Γ分布,通過降水量概率密度函數(shù)求解累積概率,再將累積概率標(biāo)準(zhǔn)化求得SPI值,具體計(jì)算如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中n為系列長度。

一定時(shí)間尺度的累積概率為:

(8)

式中q是降水量為0的累積概率。H(x)可以通過下式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù):

當(dāng)0

(9)

(10)

當(dāng)0.5

(11)

(12)

式中c0、c1、c2、d1、d2、d3為系數(shù),其中c0=2.515 517、c1=0.802 853、c2=0.010 328、d1=1.432 788、d2=0.189 269、d3=0.001 308。

Z是國際上廣泛應(yīng)用的氣象干旱表征指標(biāo)。假設(shè)降水量服從P-Ⅲ型分布,通過對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理,可將其概率密度函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算,進(jìn)而計(jì)算Z[24]:

(13)

式中:Cs為偏態(tài)系數(shù);φi為標(biāo)準(zhǔn)變量。

根據(jù)SPI和Z值劃分7個(gè)旱澇等級,各等級對應(yīng)的指標(biāo)見表2。

表2 旱澇等級及對應(yīng)的SPI和Z值

2 年降水時(shí)間均勻特征和變化趨勢

基于雨量站點(diǎn)系列數(shù)據(jù),采用式(1)和式(2)計(jì)算各站的降水集中指數(shù)PCI和降水集中度Q(為便于分析,文中涉及PCI和Q值的所有圖為示意圖,采取圖例中所示值為近似值,以同種顏色顯示),并基于ArcGIS軟件,采用Kriging方法進(jìn)行空間插值,將1956—2021年多年平均年值情況繪于圖2,并在圖2上疊加河南省降水量多年均值等值線。

圖2 多年平均PCI值、Q值的空間分布

1) 1956—2021年河南省多年平均PCI值為13.34～24.45,平均為17.98;多年平均Q值為0.11～0.31,平均為0.20。多年平均PCI值和Q值的空間分布總體呈現(xiàn)由北向南遞減的特點(diǎn),河南省北部降水時(shí)間分布較集中,南部降水時(shí)間分布較均勻。

2) 降水集中度的高值區(qū)位于海河流域衛(wèi)河支流峪河、石門河上游、新鄉(xiāng)衛(wèi)輝市太行山東麓,同時(shí)衛(wèi)輝市太行山東麓是全省三個(gè)降水量高值區(qū)之一,該區(qū)域多年平均降水量較河南省海河流域多年均值多49%,同時(shí)表現(xiàn)出北方地區(qū)年降水日數(shù)少的普遍特點(diǎn),但由于地形原因降水量明顯多于周邊區(qū)域,降水集中度較高。

3) 降水集中度低值區(qū)主要位于淮河干流以南的信陽市境內(nèi)除去史灌河、潑河以及寨河和竹竿河上游的大部分地區(qū),竹竿河上游大部分地區(qū)是全省降水量豐沛區(qū),年均降水量達(dá)1 000 mm以上,年均降水日數(shù)達(dá)116 d。

4) 淮河流域南部PCI值和Q年值較低,極端旱澇事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相對較小;海河流域和黃河流域東部區(qū)域的PCI值和Q值較高,降水時(shí)間分布較為集中,極端旱澇事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較大。

以上結(jié)果總體上與段亞雯等[11]、劉向培等[13]在全國尺度上的研究結(jié)論基本一致。

以年均PCI值和Q值隨時(shí)間的總體變化率來表征變化趨勢,取PCI和Q值時(shí)間序列擬合直線的斜率作為變化趨勢,將其空間分布情況繪于圖3。

從圖3可以看出:

1) 1956—2021年河南省年均PCI值和Q值的變化趨勢較小,量級一般為10-3。

2) 從全省范圍看,大部分區(qū)域年均PCI值和Q值略有增加,即降水時(shí)間分布略趨于集中,變化趨勢總體呈現(xiàn)北部降低、南部升高的趨勢。

3) 從省內(nèi)不同流域看,海河流域大部分區(qū)域、黃河流域的中部和東部區(qū)域,以及淮河流域的西北區(qū)域降水時(shí)間分布略趨于均勻,其他區(qū)域降水時(shí)間分布略有集中的趨勢。

3 季降水時(shí)間均勻特征和變化趨勢

基于雨量站點(diǎn)系列數(shù)據(jù),計(jì)算各站的降水集中指數(shù)(PCI)和降水集中度(Q),以當(dāng)年3—5月、6—8月、9—11月、當(dāng)年12月—翌年2月分別作為當(dāng)年春季、夏季、秋季、冬季。將1956—2021年多年平均季值繪于圖4。由圖4可知:冬季的PCI和Q值最大,遠(yuǎn)超過其他季節(jié)的,說明冬季降水時(shí)間分布最集中,而夏季的降水時(shí)間分布相對其他季節(jié)而言最均勻,春季和秋季居中。

圖4 PCI季值、Q季值多年平均空間分布

4個(gè)季節(jié)中,冬季PCI值和Q值最高的原因主要是:河南省屬亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候,四季分明、雨熱同期,冬季降水量較少,很多年份甚至整個(gè)冬季無有效降水,從而導(dǎo)致冬季降水集中程度最高,這在河南省內(nèi)的海河流域最為顯著。

從全省范圍內(nèi)的空間對比來看,降水時(shí)間分布集中程度呈現(xiàn)由北向南遞減、由西向東增加的特點(diǎn),且冬季的區(qū)域間差異最大,而夏季的區(qū)域間差異最小。主要原因是:河南省具有自東北向西南由平原向丘陵山地氣候過渡的特征;冬季降水多為局部發(fā)生且量級小,這也導(dǎo)致降水時(shí)間均勻性差異較大,這在河南省內(nèi)的黃河流域最為明顯。

以PCI和Q的季值隨時(shí)間變化的總體變化率表征降水變化趨勢,PCI和Q變化趨勢類似,以Q值為基準(zhǔn),列出Q值變化趨勢圖,如圖5所示。

圖5 Q值變化趨勢空間分布

由圖5可知:

1) 降水分布隨時(shí)間的變化趨勢不明顯,量級一般為10-3,總體變化為-0.002～0.005,但季節(jié)性差異較大,其中夏季降水集中程度變化較冬季的偏小,表明氣候變化影響下極端旱澇對冬季的影響要大于夏季的。

2) 針對空間分布而言,夏季變化趨勢空間差異性較小,省內(nèi)大部分區(qū)域略趨于均勻,海河流域部分區(qū)域、黃河流域中部和豫東平原大部分的降水時(shí)間分布趨于集中,其他季節(jié)變化趨勢空間差異性較大,尤其是冬季。在進(jìn)行變化趨勢顯著性檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):信陽市西南部及南陽盆地的小部分區(qū)域夏季降水量集中度減小趨勢通過了90%的顯著性檢驗(yàn);開封市中部區(qū)域冬季降水量集中度增加趨勢通過了90%的顯著性檢驗(yàn),說明部分區(qū)域降水集中程度變化顯著。

4 降水時(shí)間均勻特征與降水量、干旱指數(shù)SPI和Z之間的關(guān)系

從PCI和Q多年平均空間分布和變化趨勢看,二者具有極強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,為進(jìn)一步定量驗(yàn)證,將二者繪制于圖6。

圖6 年均PCI值與Q值相關(guān)性

由圖6可知,PCI值與Q值具有極好的相關(guān)性,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。為探究降水時(shí)間分布與降水量及氣象干旱的相關(guān)性,采用式(6)～式(9)計(jì)算SPI和Z值,進(jìn)一步研究年平均Q值、年降水量、年均Z值的相關(guān)關(guān)系,見表3。

表3 降水集中度Q(yQ)與年降水量、干旱指數(shù)SPI、干旱指數(shù)Z之間的相關(guān)性分析表

從表3可以看出,Q值與年降水量、SPI值和Z值等單變量間有一定的正向關(guān)聯(lián)性但相關(guān)性極弱,表明降水時(shí)間分布雖然具有隨著降水量或者氣象干旱程度的增加而偏集中的可能,但與單個(gè)變量的相關(guān)性較弱,相關(guān)系數(shù)不到0.2。Q年值與年降水量、SPI值和Z值3個(gè)單變量有一定的正向關(guān)聯(lián)性,相關(guān)性強(qiáng)于單個(gè)變量,但總體而言相關(guān)性仍不強(qiáng),相關(guān)系數(shù)不到0.3。為進(jìn)一步分析Q值與年降水量、SPI值和Z值之間的相關(guān)性,除線性回歸公式以外,還擬合了指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式、滑動平均等多種形式的公式,結(jié)果發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0.3以內(nèi),相關(guān)性較弱。由此說明,降水時(shí)間均勻特征與降水量、干旱指數(shù)有定性的關(guān)聯(lián),但沒有顯著的相關(guān)性。實(shí)際上,借鑒歷史實(shí)測資料也可以發(fā)現(xiàn),降水量大的年份,降水集中度(PCI)與Q值不一定高,降水集中度還與連續(xù)降水天數(shù)、日降水量等有關(guān),正如1960年和1989年,河南省年降水量分別為725.3 mm和813.2 mm,雖屬平水年(河南省多年平均降水量768.5 mm),但都發(fā)生了全省范圍內(nèi)的旱情[25]。因此,在關(guān)注旱澇事件過程中,不可只關(guān)注降水量和氣象干旱程度,還應(yīng)該兼顧降水時(shí)間分布特性。

5 結(jié)論

以河南省為研究對象,基于多站點(diǎn)長系列降水?dāng)?shù)據(jù),采用降水集中指數(shù)(PCI)和降水集中度Q等指標(biāo),分析了全省降水時(shí)間均勻特征及變化特點(diǎn)。取得的主要結(jié)論如下:

1) 河南省降水時(shí)間均勻特征具有地區(qū)差異性,北部降水時(shí)間分布較為集中,南部較為均勻,集中程度總體呈現(xiàn)由北向南遞減的特點(diǎn)。省內(nèi)海河流域和黃河流域東部區(qū)域降雨時(shí)間分布較為集中,極端旱澇事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較大,長江流域西南部和淮河流域東南部區(qū)域降雨時(shí)間分布相對較為均勻。從季節(jié)尺度上來看,冬季的降水時(shí)間分布最為集中,夏季的降水時(shí)間分布最為均勻,春季和秋季居中。

2) 河南省降水時(shí)間均勻特征變化趨勢總體較小,省內(nèi)海河流域大部分區(qū)域、黃河流域中、東部區(qū)域以及淮河流域的西北區(qū)域降水時(shí)間分布略趨于均勻,其他區(qū)域略趨于集中;從季節(jié)尺度上來看,夏季降水集中程度總體略減小且變化趨勢空間差異性較小,冬季的略增大且空間差異性較大。

3) 降水時(shí)間均勻特征與降水量、氣象干旱程度有一定的正向關(guān)聯(lián)性但相關(guān)性極弱,表明降水時(shí)間分布集中程度雖具有隨著降水量或者氣象干旱程度增加而偏集中的可能,但仍需要將降水時(shí)間均勻特征作為一個(gè)獨(dú)立因素進(jìn)行考慮。