楊偉偉

（安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241003）

巢湖流域年降水集中程度與洪澇災害關系研究

楊偉偉

（安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241003）

為了研究降水集中期和集中度與洪澇災害之間的關系，對巢湖流域9個市縣1957-2006年的年降水量進行分析，并對巢湖流域的逐日降水量采用15 d為時長的降水集中期和集中度分析，再結合小波分析找出降水集中度和集中期的震蕩周期,最后分析了巢湖流域降水集中期和集中度與洪澇災害之間的關系.結果表明：降水集中度和集中期能夠定量地表征降水量在時空場上的非均勻性,提取出最大降水重心對應的時段;旱澇災害發(fā)生的基本特征及其形成機制;巢湖流域的降水集中度、集中期與巢湖流域洪澇災害之間存在著比較密切的聯系.旨在為巢湖流域洪澇災害防治工作提供參考依據.

降水集中度；降水集中期；洪澇災害

0 引言

巢湖流域的氣象災害較多，主要有洪澇、干旱、冰雹、寒潮、連陰雨等，其中尤以洪澇災害危害最為嚴重，每年所造成的災害損失也是最為嚴重的[1].對于降水集中期和集中度的研究已經有很多，并且大多數的研究都分析了降水的集中程度[2，3].王紀軍[4]等利用河南省49個站臺1957-2005年逐侯降水資料，運用降水集中度和集中期分析了河南省降水時空分布特征和變化規(guī)律，得出降水集中度和集中期能夠定量地表征降水量在時空場上的非均一性.戴廷仁[5]等對遼寧省的降水集中度集中期研究,認為遼寧省的年降水集中度和汛期降水集中度均呈減少的趨勢，汛期降水集中度減小的趨勢明顯.且多水年的降水集中度明顯比少水年的偏大，多水年的降水集中度分布較少水年復雜.姜愛軍[6]等基于日降水序列提出一種度量不同強度降水過程時空集中程度的指標，根據中國740個氣象站逐日降水資料研究分析了中國降水過程集中度和集中期及其相關統計特征，結果表明暴雨過程年內集中度與年降水量正相關區(qū)與中國降水的空降分布有很好的一致性.然而對于中小流域分析其降水集中程度和與洪澇災害之間關系的比較少[7].

筆者采用降水集中度和集中期的概念，以15 d為時長，以巢湖流域為研究對象，在采用了Mexican hat小波分析和距平分析的基礎上，討論巢湖流域的降水集中度和集中期在時空分布上的特征與聯系及其與洪澇災害發(fā)生之間的關系，提出了一些變化規(guī)律.

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖流域位于安徽省中部，地理緯度大致為東經116°24′30″-118°0′0″、北緯30°58′40″-32°6′0″內，處于長江、淮河兩大水系中間，屬于長江下游左岸水系，東南瀕臨長江，西接大別山山脈，北依江淮分水嶺，東北鄰滁河流域，流域面積13 486 km2[8].

通過統計的年降水量分布折線圖（圖1），發(fā)現巢湖流域多年平均雨量在500-1 800 mm之間，平均值為1 050 mm.各市、縣（區(qū)）由于所處緯度非常接近年降水量總體空間分布比較均勻，且各市、縣（區(qū)）年降水量分布除去特殊年份的降水量分布特征非常相似.這樣在研究過程中就可以分為從流域降水集中度情況和特殊年份這兩方面進行降水量特征分析.筆者選取了原巢湖地區(qū)、合肥和廬江與全流域的降水集中度進行了對比研究.希望通過典型縣（市）與全流域的對比更清晰的得出巢湖流域降水集中程度的特征，并比較流域部分地區(qū)與全流域在降水分布上的異同.

圖1 巢湖流域年降水量

1.2 數據來源

在文獻原理基礎上，提出一種同時提取不同強度降水過程在過程內和年內非均勻分布特真的方法，并利用安徽氣象中心氣象資料室提供的1956-2006年巢湖流域9個站逐日降水資料，對流域的降水集中度和集中期進行研究，進而得知流域的降水集中程度.

1.3 研究方法

1.3.1降水集中度（PCD）和集中期（PCP）

對于單站降水量時間分配特征的新參數：降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義如下[9]：

其中

Rt為某測站研究時段內總降水量，rtj為研究時段內某時序內降水量，θj為研究時段內各時序對應的方位角（整個研究時段的方位角設為360度）.其中i為年份（i=1957,1958，…，2006），j為研究時段內的時序（j= 1，2，…，24）.

1.3.2 降水集中度與集中期的小波分析筆者選取的小波分析函數為墨西哥帽小波函數（Mexican hat）[10]

它是高斯函數exp（-t2/2）的二階導數的負值.由φ（t）導出的小波函數為：

對時間函數f（t）定義其小波變換的小波系數Wf和整體小波功率譜Wsf分別為[11]：

式中a，b為實數，a為伸縮系數且a>0，也叫做小波尺度.從式（4）可知，a越大，小波函數Φa,b（t）的支集越大，越大值越小.B為平移因子，反應小波變換對時間函數f（t）的關注點.式（5）為小波系數的定義式，它反映出信號在時間局部區(qū)域上的頻率特征，而傳統的Fourier分析只能反映信號的整體特征.式（6）反映信號在時間域的整體特征，類似于功率譜分析，利用它可以確定一個時間序列中存在的主要周期.

圖2 巢湖年降水量集中期、集中度

2 結果與分析

2.1 巢湖流域降水集中期與集中度

通過合肥、巢湖、廬江和全流域的降水集中期和降水集中度分析看出，降水集中度的總體數值都比較小，集中在0-0.3之間，表明絕大多數年份降水量分布都比較均勻.合肥在1993年降水集中度出現最大值，巢湖在1999年的降水集中度數值最大，表明在這些年內降水量非常集中，而且從全流域降水集中度的分布趨勢來看，除去特殊年份的差距比較大之外，總體趨勢非常相似.降水集中期有明顯的相似性，都集中在一年內以15 d為時間間隔的1-5和18-23時間段，對應到一年內的3，4，5月份與9，10，11月份.在降水集中度分布比較均勻，降水集中期分布時段集中的情況下，降水在年內分配上就出現明顯的汛期，即對應的降水集中期分布比較集中的時段.

由圖中可以看到全流域降水集中度總體有緩慢增長的趨勢，集中度無明顯變化.巢湖降水集中期出現最早的是1967年，出現在1月中旬，最晚出現在1966年出現在12月下旬.合肥最早出現在1977年，出現在1月上旬，最晚出現在1971年，出現在12月下旬.廬江最早出現在2000年，出現1月上旬，最晚的是1997年，出現在12月中旬.全流域集中期最早出現在1978年，出現在1月下旬，最晚是1998年，出現在12月上旬.

圖3 合肥年降水量集中期、集中度

圖4 廬江縣年降水量集中期、集中度

圖5 全流域集中期、集中度

2.2 降水集中期集中度的Mexican hat小波分析

對巢湖流域的降水集中期和降水集中度進行Mexican hat小波分析，得到降水集中期和集中度的震蕩周期.由圖6可以看到巢湖流域的降水集中度有較為明顯的4-6年的短周期變化，不太明顯的8-10年的長周期變化.而降水集中期的Mexican hat小波分析（圖7），得出巢湖流域的降水集中期存在著較為明顯的3-5年的短周期變化，不太明顯的6-8年的較長周期變化.

圖6 巢湖流域降水集中度的小波分析

圖7 巢湖流域降水集中期的小波分析

3 降水集中期、集中度與洪澇災害的關系

3.1 汛期降水與集中度和集中期的相關分析

采用合成分析法[11]，分別對巢湖流域1957-2006年年降水量最多和最少的前5年進行合成.多水年依次為1991年、1975年、1987年、1989年和1983年；少水年順次為1978年、2001年、1966年、1965年和1958年.由多水年和少水年的平均PCD空間分布可知：①多水年的降水集中度比少水年的大，多水年的集中度平均為0.26，其中最大值為0.32最小值為0.21；少水年的集中度平均為0.12，其中最大值為0.16最小值為0.05.多水年的降水集中期教少水年的降水集中期靠后.②多水年的降水集中度空間分布類型較少水年簡單.③多水年和少水年的降水集中度和集中期均呈正相關，相關系數為0.86，均可通過0.001的信度檢驗.④對多水年和少水年的降水集中度和集中期分別進行t檢驗，其結果均在0.10置信度下，均需要接受原假設即多水年和少水年的集中度和集中期不存在顯著差異.

3.2 降水特殊年份的距平分析及其與降水集中期、集中度的關系

研究表明，當年內降水分配比較均勻時洪澇災害不易發(fā)生[12-15].但是，在實際中總是出現一些降水特殊的年份，導致洪澇災害的發(fā)生[16-18].如巢湖在1969年爆發(fā)的山洪災害和1991年強降水導致的洪災，1996年汛期和縣與無為縣爆發(fā)的洪澇災害等[1].研究發(fā)現這些出現降水特殊情況的年份降水距平百分比都大于平常年代，并且大于年平均值.進一步分析發(fā)現出現災害的時段與降水集中度數值突增對應的時段一致，而降水集中期的出現稍有滯后性.在降水集中度較大的年份容易發(fā)生洪澇災害，如1999年巢湖的降水集中度達到0.47，1998年的廬江降水集中度達到0.48.但是洪澇災害的發(fā)生與降水集中期的關系更為明顯，在降水集中度相似的年份，有些年份發(fā)生了比較嚴重的洪澇災害,究其原因就是這些年份的降水集中期較為集中.

圖6 距平百分比

4 結論

對巢湖流域年降水量采用以15 d為時長的降水集中期和集中度分析，并在小波分析的基礎上得出降水集中期、集中度的震蕩周期，最后探討了降水集中期集中度與洪澇災害的發(fā)生之間的關系.雖然與大流域的研究相比降水集中度的數值偏小，但是不同地區(qū)之間仍然存在著0.1以上的差值，所以對巢湖流域降水集中期集中度的研究仍然具有一定的意義.巢湖流域的降水集中期和集中度有明顯的周期性特征，并且其周期有重疊部分，這部分與洪澇多發(fā)的年份也相對應.通過研究巢湖流域降水集中期與集中度之間的關系，獲得了降水量分布的規(guī)律和趨勢，對于特殊年份降水集中期、集中度的分析得出了降水集中期集中度與洪澇災害之間的關系，可以為洪澇災害的防治提供參考依據.

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（責任編輯 李健飛）

A Study of Relation between Concentration of Annual Precipitation and Flood Disaster at Chaohu Basin

YANG Wei-wei
（School of Territorial Resources&Tourism，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003，China）

To know the relation between the concentration period and concentration ratio and floods，this paper analyzes the annual precipitation from 1957 to 2006 of the nine cities and counties at the Chaohu Basin，and probes into the concentration period and concentration ratio for the precipitation of the counties and cities with 15d a time to find out the period of oscillations of the concentration period and concentration ratio combined with wavelet analysis.It then deals with the relationship between the concentration period and concentration ratio and flood disaster at the Chaohu Basin.The results show that the concentration period and concentration ratio of precipitation can quantitatively indicate the heterogeneity of the spatiotemporal field，extract the period corresponding to the center of gravity of the maximum precipitation，and show the basic characteristics of the drought and flood disaster and their formation mechanism.There is a close relation between the concentration period and concentration ratio and floods at the Chaohu Basin，providing a reference basis of flood prevention and treatment for Chaohu Basin.

precipitation concentration period；precipitation concentration ratio；flood disaster

P333.2

：A

：1673-1972（2014）06-0075-07

2014-04-27

楊偉偉（1989-），女，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事洪澇災害風險研究.