葉金印，黃 勇，張春莉，李致家

(1:河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098)

(2:淮河流域氣象中心，蚌埠233040)

(3:安徽省氣象科學(xué)研究所，合肥230031)

在全球氣候變化的影響下，降水的氣候特征，特別是極端強(qiáng)降水事件時(shí)空分布也隨之變化［1］，在多數(shù)陸地地區(qū)強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻率呈增加趨勢(shì)［2］.研究表明:我國(guó)降水的長(zhǎng)期趨勢(shì)具有明顯的區(qū)域性［3-4］，極端強(qiáng)降水平均強(qiáng)度和極端強(qiáng)降水事件都有增加的趨勢(shì)［5］.翟盤茂等利用中國(guó)296個(gè)分布均勻的觀測(cè)站逐日降水資料，研究了中國(guó)過(guò)去45年降水事件頻率和強(qiáng)度等方面的極值變化趨勢(shì)，認(rèn)為降水日數(shù)極端偏多的區(qū)域范圍有越來(lái)越小的趨勢(shì);平均降水強(qiáng)度極端偏高的區(qū)域范圍表現(xiàn)為擴(kuò)大的趨勢(shì);中國(guó)降水極值變化還反映出明顯的區(qū)域性特點(diǎn)［6］.劉小寧利用我國(guó)25個(gè)觀測(cè)站的大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)、1 d最大降水量資料，分析了我國(guó)暴雨頻數(shù)及1 d最大降水強(qiáng)度時(shí)空分布特征［7］.諸多研究表明，雨日的變化與降水量的變化存在明顯的地區(qū)性差異［8-14］.進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，淮河流域夏季強(qiáng)雨帶頻繁出現(xiàn)，2003、2005和2007年更是發(fā)生了嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害，給該地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失［15］，然而專門分析淮河流域極端降水的時(shí)空變化趨勢(shì)和統(tǒng)計(jì)特征的研究還不多見(jiàn).

淮河流域(30°55'～36°20'N，111°55'～121°20'E)地處我國(guó)東部之間，西起桐柏山、伏牛山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚(yáng)運(yùn)河和如泰運(yùn)河南堤與長(zhǎng)江流域分界，北與黃河南堤和沂蒙山脈與黃河流域毗鄰，流域面積為27×104m2.流域內(nèi)以廢黃河為界，分為淮河和沂沭泗河兩大水系，面積分別為19×104、8×104m2.淮河流域西部、南部和東北部為山丘區(qū)，面積約占流域總面積的1/3，其余為平原(含湖泊和洼地)，是黃淮海平原的重要組成部分(圖1).淮河流域地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，北部屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，南部屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū).流域內(nèi)天氣系統(tǒng)復(fù)雜多變，降水量年際變化大，年內(nèi)時(shí)空分布也極不均勻.地形地貌的復(fù)雜性以及氣候特點(diǎn)決定了淮河流域降水空間分布的獨(dú)特性.此外，伴隨全球氣候變化以及變暖的趨勢(shì)，淮河流域降水分布特征也在隨之發(fā)生改變.為此，本文利用1961-2010年淮河流域內(nèi)145個(gè)氣象站的日降水以及相關(guān)氣象要素的觀測(cè)資料，分析淮河流域汛期降水日數(shù)和強(qiáng)度的氣候變化規(guī)律，進(jìn)一步了解氣候變化對(duì)淮河流域降水的影響.

圖1 淮河流域地形、地貌分布Fig.1 Topography and geomorphology distribution in Huaihe River basin

1 數(shù)據(jù)與處理方法

選用淮河流域內(nèi)145個(gè)地面氣象觀測(cè)站1961-2010年汛期(5-9月)逐日的降水、平均氣溫、相對(duì)濕度以及風(fēng)速等氣象要素觀測(cè)資料.本文采用中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司下發(fā)的《短期氣候預(yù)測(cè)質(zhì)量分級(jí)檢驗(yàn)辦法》的降水強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)24 h降水量將雨日分為3類:雨日、大雨日以及暴雨日.其中，雨日是指24 h內(nèi)降水量大于0.1 mm;大雨日是指24 h降水量大于等于25 mm且小于50 mm;暴雨日則是指24 h降水量超過(guò)了50 mm.

為分析不同類型降水日的時(shí)空分布，對(duì)逐日資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)量包括出現(xiàn)頻率(P)、不同等級(jí)降水所占比重(W)以及平均降水強(qiáng)度(R).另外，考慮到不同類型降水日出現(xiàn)頻率的平均值有所差異，為便于在同一張圖上進(jìn)行頻率/比重隨緯度和高度變化的分析，引入頻率偏差(PD)和比重偏差(WD).各統(tǒng)計(jì)量計(jì)算方法為［16］:

式中，NRain表示各種雨日出現(xiàn)的天數(shù)，NTotal表示總?cè)諗?shù);Pi表示i等級(jí)降水日出現(xiàn)的頻率，P0表示雨日的出現(xiàn)頻率;P表示各觀測(cè)站點(diǎn)的出現(xiàn)頻率，P表示研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)頻率的平均值;W表示各觀測(cè)站點(diǎn)上的比重表示研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)比重的平均值;Ri表示某等級(jí)降水中第i次的日降水量，M表示某等級(jí)降水出現(xiàn)的總?cè)諗?shù).

2 空間分布分析

2.1 降水空間分布

雨日出現(xiàn)頻率(圖2a)的空間分布具有典型的地域分布特性，呈現(xiàn)北低南高的分布.在淮南山區(qū)和里下河地區(qū)出現(xiàn)了兩個(gè)高發(fā)區(qū)，隨著緯度的增加，出現(xiàn)頻率逐漸減小.大雨日的出現(xiàn)頻率(圖2b)與雨日出現(xiàn)頻率在總體上相似，同時(shí)出現(xiàn)了一些小的差異，主要體現(xiàn)在:淮南山區(qū)的峰值區(qū)開(kāi)始向南延伸，且峰值中心也開(kāi)始南移;另外，在淮河干流下游出現(xiàn)一個(gè)低值區(qū).對(duì)于暴雨日出現(xiàn)頻率(圖2c)來(lái)說(shuō)，其分布出現(xiàn)了較大的變化:在淮河源頭桐柏山區(qū)、淮南山區(qū)和沂沭泗地區(qū)出現(xiàn)三個(gè)高值中心的同時(shí)，黃淮北部出現(xiàn)了兩個(gè)低值區(qū)，一個(gè)位于沙穎河上游，另外一個(gè)位于渦河中游.就三個(gè)高值區(qū)而言，位于新沂河區(qū)的高值區(qū)與雨日出現(xiàn)頻率的分布相近，而位于淮河源頭桐柏山區(qū)、淮南山區(qū)的高值區(qū)在位置上卻有所偏差，峰值區(qū)向西偏移.另外，黃淮北部出現(xiàn)的頻率低谷，頻率分布仍然呈現(xiàn)北低南高的趨勢(shì).從暴雨日比重(圖2d)的空間分布來(lái)看，其特征與暴雨日出現(xiàn)頻率的分布接近，只是在大別山區(qū)南側(cè)的沿江出現(xiàn)了一個(gè)峰值區(qū).

圖2 雨日(a)、大雨日(b)、暴雨日(c)出現(xiàn)頻率和暴雨日比重(d)Fig.2 Percents of rainfall(a)，heavy rain(b)，storm(c)，ratio of storm(d)

通過(guò)與地形分析對(duì)比可以看出，各類雨日的出現(xiàn)頻率均與地形之間有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，海拔高的區(qū)域出現(xiàn)頻率高.而暴雨日比重的分布特征不僅表現(xiàn)為高海拔地區(qū)的數(shù)值較大，而且在南四湖和洪澤湖的低海拔區(qū)也出現(xiàn)了一個(gè)峰值區(qū).相反地，在海拔較高的流域南部淮南山區(qū)卻未出現(xiàn)峰值，這是暴雨日比重分布與各種雨日出現(xiàn)頻率分布所不同的地方.

從出現(xiàn)頻率偏差隨高度的變化(圖3a)可以看出，雖然變化曲線出現(xiàn)了許多波動(dòng)，但是總體上呈現(xiàn)隨高度增加而增加的趨勢(shì)，其中暴雨日的變化幅度最大.當(dāng)海拔高于90 m(ln(高度)=4.5 m)時(shí)，雨日的出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)出隨高度增加而增加的趨勢(shì);特別是大雨日和暴雨日的頻率偏差急劇上升.當(dāng)高度高于90 m以后，海拔高度對(duì)暴雨日出現(xiàn)頻率的影響較大，而對(duì)降水日出現(xiàn)頻率的影響明顯小于對(duì)暴雨日的影響.當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，高度變化的影響雖有波動(dòng)，但隨高度不再發(fā)生顯著變化.

分析比重偏差隨高度的變化(圖3b)發(fā)現(xiàn):以海拔高度90 m(ln(高度)=4.5 m)為界可將隨高度的變化分為兩部分:低于90 m的低海拔區(qū)大雨日和暴雨日比重呈現(xiàn)波動(dòng)，無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì);海拔高于90 m的區(qū)域表現(xiàn)出大雨日和暴雨日比重上升趨勢(shì)明顯，而大雨日比重下降趨勢(shì)明顯.

綜合以上分析可以看出:雨日的出現(xiàn)頻率總體上呈現(xiàn)隨高度增加而增加的趨勢(shì)，即高海拔對(duì)暴雨日的出現(xiàn)有正效應(yīng)，但其影響有一定的限度.

圖3 頻率偏差(a)、比重偏差(b)隨高度變化Fig.3 Bias change of percents(a)and ratios(b)with height

圖4 頻率偏差(a)和比重偏差(b)隨緯度變化Fig.4 Bias change of percents(a)and ratios(b)with latitude

從頻率偏差隨緯度的變化(圖4a)看，各等級(jí)降水日數(shù)均有隨緯度增加而減小的趨勢(shì)，并伴隨有不規(guī)則的波動(dòng).從變化幅度來(lái)看，在低緯度地區(qū)波動(dòng)明顯，32°N以北的變化曲線相對(duì)較為平滑.從地形分布上可以看出，32°N以北地形起伏不明顯，而32°N以南則主要為淮南山區(qū)和桐柏山區(qū)，故波動(dòng)主要反映了地形高度對(duì)降水的影響.因此，拋去地形影響，頻率偏差總體上呈現(xiàn)出隨緯度增加而較小的趨勢(shì).與頻率偏差的分布有所不同，暴雨日比重偏差隨緯度的變化趨勢(shì)不明顯，主要表現(xiàn)為波動(dòng)變化(圖4b).因此，可以認(rèn)為暴雨日比重隨緯度無(wú)明顯的變化趨勢(shì).對(duì)各類雨日的平均降水量以及暴雨日降水量在汛期降水總量中所占比重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):從空間分布來(lái)看，總體上呈現(xiàn)淮河干流上下游多、中游少的“啞鈴狀”分布;另外，隨著日降水量的增多，分布特征變得更加復(fù)雜多變.

在雨日平均降水量的空間分布中，在淮河上游桐柏山區(qū)和淮南山區(qū)西側(cè)存在一個(gè)高值，另一個(gè)高值區(qū)位于邳倉(cāng)區(qū)、新沂河區(qū)以及里下河北部(圖5).兩個(gè)高值區(qū)中間的淮河中游為低值區(qū).大雨日平均降水量的分布要顯得復(fù)雜了許多，總體上來(lái)說(shuō)有三個(gè)大值區(qū):淮南山區(qū)、沙穎河和渦河中游及淮河干流中下游地區(qū);同時(shí)在沂沭泗水系也存在分散的高值區(qū).對(duì)于暴雨日的平均降水量來(lái)說(shuō)，分布相對(duì)更有規(guī)律，主要表現(xiàn)為:總體上呈現(xiàn)淮河干流上下游多、中游少的分布，但暴雨日平均降水量淮河中上游明顯高于下游，尤其是淮河源頭桐柏山區(qū)暴雨日平均降水量更大.從暴雨日降水量所占比重的分布來(lái)看，明顯地呈現(xiàn)淮河干流上下游多、中游少的“啞鈴狀”分布，沙穎河上游存在明顯的低值區(qū).

圖5 雨日(a)、大雨日(b)、暴雨日(c)平均降水量和暴雨日降水量所占比重(d)Fig.5 Average precipitation of rainfall(a)，heavy rain(b)，storm(c)and ratio of strom precipitation(d)

對(duì)降水量空間分布的分析表明:隨著日降水量的增大，其空間分布變得更加不均勻;另外，在淮河上游和下游均出現(xiàn)了暴雨日降水量比重的高值中心及其對(duì)應(yīng)的中游低值區(qū)，說(shuō)明地形的存在會(huì)使某一區(qū)域強(qiáng)降水事件頻發(fā)，而另一區(qū)域強(qiáng)降水量事件減少，從而使得分布上出現(xiàn)了不均勻的空間分布.

2.2 溫濕要素的空間分布

分別選取氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速進(jìn)行時(shí)空變化分析，以了解這些因子的時(shí)空分布特征以及與降水分布特征的異同.

從平均相對(duì)濕度和相對(duì)濕度≥90%出現(xiàn)頻率的空間分布(圖6a、b、c、d)來(lái)看，總體上均呈現(xiàn)出南多北少、東西多中間少的空間分布特征，大值中心主要位于淮河上游桐柏山區(qū)和淮南山區(qū)以及下游里下河地區(qū).對(duì)于三種不同等級(jí)降水日(雨日、大雨日和暴雨日)來(lái)說(shuō)，平均相對(duì)濕度空間分布特征相似，僅僅是在量值上有所差異:日均降水量越大，平均相對(duì)濕度越大.此外，在沂沭泗地區(qū)南部，出現(xiàn)了與總體分布特征相悖的特征:高暴雨日比重區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)濕度的低值區(qū).

圖6 相關(guān)氣象要素空間分布Fig.6 Spatial distribution of related meteorological factors

從各種平均風(fēng)速的空間分布來(lái)看(圖6e、f、g)，各種分布總體上相似，風(fēng)速低值區(qū)均與降水高頻率區(qū)的分布相類似.淮南山區(qū)和桐柏山區(qū)的平均風(fēng)速以及風(fēng)速≥5 m/s出現(xiàn)頻率(圖6h)均較低，而這些區(qū)域恰好為發(fā)生雨日的高頻率區(qū)以及高濕度區(qū).另外，在淮河下游里下河地區(qū)存在大風(fēng)區(qū)，大雨日和暴雨日發(fā)生頻率以及大雨日和暴雨日平均降水量在這一區(qū)域卻表現(xiàn)為相對(duì)的低值區(qū).

對(duì)于氣溫而言，不論是任何等級(jí)降水日的年平均氣溫空間分布(圖6i、j、k)，還是平均氣溫高于32℃頻率的空間分布(圖6l)，均表現(xiàn)為淮河中下游為高值區(qū)，在南四湖區(qū)也存在次高值中心，淮河干流上游和沙穎河上游以及沂蒙山區(qū)為低值區(qū).氣溫的空間分布對(duì)雨日的降水量級(jí)空間變化無(wú)明顯響應(yīng).

3 時(shí)間變化分析

通過(guò)對(duì)變化曲線進(jìn)行線性擬合，提取出其中的斜率因子，以此來(lái)表征頻率的變化趨勢(shì)(其中斜率為負(fù)表示有下降趨勢(shì)，斜率為正表示有上升趨勢(shì)).1961-2010年淮河流域雨日出現(xiàn)頻率有下降的趨勢(shì)，而暴雨日所占比重卻有上升的趨勢(shì)(圖7a).對(duì)平均降水量而言，雨日和暴雨日平均降水量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)(圖7b)，且隨著日降水量的增大，增加趨勢(shì)更加顯著(表現(xiàn)為擬合斜率隨雨強(qiáng)增大).暴雨日數(shù)所對(duì)應(yīng)的暴雨總量占總降雨量的比重也存在明顯的變化趨勢(shì)，從二次多項(xiàng)式擬合趨勢(shì)線(圖7c)可以看出，呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1978年，表明淮河流域極端強(qiáng)降水事件在1978年前后存在明顯的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折.通過(guò)以上分析可以認(rèn)為，1961-2010年淮河流域降水呈現(xiàn)出次數(shù)減少而強(qiáng)度增強(qiáng)的變化趨勢(shì).

圖7 1961—2010年雨日、暴雨日出現(xiàn)頻率和比重(a)、平均降水量(b)，暴雨總量比重(c)變化曲線Fig.7 Change curves of percents and ratios(a)，average precipitation(b)of rainfall and strom，ratio of storm precipitation(c)during 1961 2010

在對(duì)降水變化趨勢(shì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8.其中溫度為上升的趨勢(shì)，相對(duì)濕度表現(xiàn)為弱的減少趨勢(shì)，而風(fēng)速則表現(xiàn)出了較強(qiáng)的減弱趨勢(shì).

圖8 1961-2010年各氣象要素變化Fig.8 Meteorological factors varity during 1961-2010

4 討論

根據(jù)以上分析，淮河流域的降水有著顯著的時(shí)空變化特征，突出表現(xiàn)為:空間變化的不均勻性和時(shí)間變化的趨勢(shì)性.

空間變化的不均勻性主要表現(xiàn)在:淮河上游和下游均出現(xiàn)了暴雨日降水量比重的高值中心及其對(duì)應(yīng)的中游低值區(qū).另外，雨日平均降水量分布隨著日降水量的增大，其空間分布變得更加不均勻.從頻率偏差隨緯度分布來(lái)看，各等級(jí)降水日數(shù)均有隨緯度增加而減小的趨勢(shì)，并伴隨有不規(guī)則的波動(dòng).從變化幅度來(lái)看，在低緯度地區(qū)波動(dòng)明顯，32°N以北的變化曲線相對(duì)較為平滑.這種空間變化與其他相關(guān)研究結(jié)果具有較好的一致性［17-18］.導(dǎo)致降水空間分布不均勻性的原因除緯度因素外，還與流域特有的地形有關(guān).淮河流域西部、西南部及東北部為山區(qū)和丘陵區(qū)，東臨黃海.來(lái)自印度洋孟家拉灣、南海的西太平洋的水汽，受邊界上大別山、桐柏山、伏牛山、沂蒙山和內(nèi)部局部山丘地形的影響，產(chǎn)生抬升作用，利于降水;而在廣闊的平原及河谷地帶，缺少地形對(duì)氣流的抬升作用，則不利于降水.因此，在水汽和地形的綜合影響下，致使降水呈現(xiàn)自南部、東部向北部、西部遞減，山丘區(qū)降水大于平原區(qū)，山脈迎風(fēng)坡降水量大于背風(fēng)坡的規(guī)律.通過(guò)與地形圖對(duì)比可以看出，各類雨日的出現(xiàn)頻率均與地形之間有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，海拔高的區(qū)域出現(xiàn)頻率高.從地形分布上可以看出，32°N以北地形起伏不明顯，而32°N以南則主要為淮南山區(qū)和桐柏山區(qū)，故波動(dòng)主要反映了地形高度對(duì)降水的影響.降水的空間不均勻性除與地形相關(guān)外，可能還受其它因子的影響，值得今后進(jìn)一步研究.

時(shí)間變化的趨勢(shì)性表現(xiàn)在雨日出現(xiàn)頻率有下降的趨勢(shì)，而暴雨日出現(xiàn)頻率以及各類型雨日的平均降水量均有上升的趨勢(shì).淮河流域汛期的降水過(guò)程呈現(xiàn)局地性、突發(fā)性的強(qiáng)降水過(guò)程增多的發(fā)展趨勢(shì)，在這種氣候變化背景下，淮河流域突發(fā)性暴雨事件頻發(fā).

對(duì)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)分析表明:相對(duì)濕度有減少趨勢(shì)，表明淮河流域的水汽條件在變差，可能的原因是降水頻率在減小.淮河流域地面氣溫在升高而風(fēng)速卻在降低，地面氣溫的升高有利于熱力不穩(wěn)定能量的積累以及熱對(duì)流的產(chǎn)生，而風(fēng)速的降低則不利于區(qū)域內(nèi)物理量的交換，從而導(dǎo)致局地性分布規(guī)律增強(qiáng).溫度和風(fēng)速的共同影響，使得淮河流域局地性對(duì)流系統(tǒng)頻發(fā)，進(jìn)而引起暴雨日的增多以及暴雨日降水量的增加.這種變化趨勢(shì)與其他相關(guān)研究結(jié)果具有較好的一致性［19-20］.雖然雨日出現(xiàn)的頻率在減少，但由于平均降水量的增加，總降水量也表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)1961-2010年汛期(5-9月)淮河流域145個(gè)地面氣象站降水、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速觀測(cè)資料的分析，總結(jié)出淮河流域汛期降水的時(shí)空分布規(guī)律.

1)在緯度上，南多北少，雨日的出現(xiàn)頻率以及相應(yīng)的降水量隨緯度增加而減小;隨著海拔高度的增加，頻率和降水量都有所增加;隨著日降水量的增大，空間分布特征開(kāi)始變得更加復(fù)雜.

2)影響淮河流域降水分布的因子有地形地貌(包括下墊面分布)、溫度分布以及風(fēng)速和相對(duì)濕度的大小，其中在山丘區(qū)，地形影響較大.但地形對(duì)暴雨的影響有一定限度，到達(dá)一定高度后，海拔高度對(duì)于降水的影響效應(yīng)將不再顯著.

3)1961-2010年雨日出現(xiàn)頻率有下降的趨勢(shì)，而暴雨日出現(xiàn)頻率以及各類型雨日的平均降水量均有上升的趨勢(shì).淮河流域汛期局地性、突發(fā)性的強(qiáng)降水事件呈現(xiàn)增多的趨勢(shì).

由于以上分析采用的是145個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)資料，在分析區(qū)域分布時(shí)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行了插值，因此所得出的空間分布規(guī)律還不夠精細(xì)且分布特征與實(shí)際之間尚存在一定的差異.這有待于進(jìn)一步選用時(shí)空分辨率更高的觀測(cè)和探測(cè)資料來(lái)進(jìn)行分析，以得到更加精細(xì)化的降水分布及變化規(guī)律.

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