田莉娟, 薛麗芳, 楊 慧, 孟瑤瑤

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221000)

降水作為基本的氣候要素，其年際變化和年內(nèi)分配直接影響區(qū)域乃至全球的水分平衡，對(duì)于改變自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活有著重要影響[1-2]。在全球變暖的背景下，極端天氣現(xiàn)象如城市內(nèi)澇、高溫干旱等頻發(fā)，特別是降水量時(shí)空格局發(fā)生變化，使得降水變化成為全球氣候變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[3-5]。研究表明，近50 a來(lái)中國(guó)降水存在明顯的區(qū)域差異和年際變化，降水周期變化顯著[6-7]。研究不同區(qū)域時(shí)，需根據(jù)區(qū)域特有的降水變化特性展開(kāi)針對(duì)性研究[8]。近年來(lái)，眾多學(xué)者利用水文站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)分析各區(qū)域的降水變化情況，成功探討了區(qū)域水循環(huán)、氣候變化等特征[9-10]。

南四湖流域是華北地區(qū)最大的淡水湖泊，南水北調(diào)東線(xiàn)工程重要的調(diào)蓄樞紐，東部重要的糧食生產(chǎn)基地和能源基地，降水量的變化對(duì)流域水資源利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、漁業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)平衡、防洪抗旱以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響。但受降水自然分配特征和人類(lèi)活動(dòng)的影響，流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均，水旱災(zāi)害頻發(fā)，自然災(zāi)害成為制約該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要因素[11]。隨著近幾年來(lái)南四湖流域特大城市建設(shè)和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌戰(zhàn)略的實(shí)施，流域生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水矛盾將更加尖銳突出，水資源的短缺和合理開(kāi)發(fā)利用是流域面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一?；谀纤暮饔騼?nèi)的8個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用多種定量計(jì)算方法，對(duì)南四湖流域降水變化特征進(jìn)行初步研究，以期揭示降水的時(shí)空分布特征，為流域合理配置水資源、防洪減災(zāi)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)安全等提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

南四湖流域分屬淮河流域泗河水系，主要位于山東省西南地區(qū)，并向南延伸至江蘇北部地區(qū)，大約在北緯34°24′—35°59′和東經(jīng)115°02′—117°42′，流域面積30 453 km2。南四湖湖泊呈西北—東南走向，湖腰處建有二級(jí)壩，分湖泊為上級(jí)湖與下級(jí)湖，入湖河流有53條，集流面積超過(guò)1 000 km2的有9條，主要分布在上級(jí)湖區(qū)。以南四湖和京杭大運(yùn)河為界，分為湖東、湖西兩部分，湖西地處黃河與古黃河之間的黃泛平原處，地勢(shì)平緩；湖東為低山丘陵和山前沖洪積平原，起伏較大；湖西流域以萬(wàn)福河為界、湖東流域以十字河為界，劃分流域南北界限。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，年均降水750 mm。

2　數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

2.1　數(shù)據(jù)來(lái)源

(1) 降水?dāng)?shù)據(jù)。選取流域8個(gè)代表性好、可靠性強(qiáng)的雨量站點(diǎn)(湖西的魚(yú)城站、孫莊站、梁山閘站、后營(yíng)站；湖東的黃莊站、書(shū)院站、滕縣站、薛城站)1952—2011年日降水資料。各站點(diǎn)均為國(guó)家基本雨量站，建于20世紀(jì)50年代初，在流域內(nèi)分布均勻。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于水利部淮委沂沭泗水利管理局公布的淮河流域沂沭泗水系實(shí)用水文預(yù)報(bào)方案，以及中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。

(2) DEM數(shù)據(jù)。來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)站，分辨率為30 m(圖1)。

圖1研究區(qū)示意圖

2.2　研究方法

運(yùn)用matlab，surfer等軟件，對(duì)降水的年內(nèi)分配、年際的趨勢(shì)與周期指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，采用的指標(biāo)與方法有：

(1) 降水的年內(nèi)分配指標(biāo)。降水集中度(Cd)和集中期(D)[12-15]、不均勻系數(shù)(Cv)[14-15]和調(diào)節(jié)系數(shù)(Cr)[14-15]以及變化幅度(C)[14]，均是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量，能很好地反映過(guò)程內(nèi)降水的時(shí)空非均勻性分布特征。其中集中度和集中期反映降水總量在各時(shí)段的集中程度，Cd取值在0.0～1.0，Cd值越接近1.0，表明降水量越集中在某一段時(shí)間；相反Cd值越接近0，表明各降水量越均勻,D計(jì)算的是合成向量的方位角,經(jīng)換算后可反映年最大降水量集中于哪一時(shí)段內(nèi),不均勻系數(shù)表征降水量年內(nèi)分配的不均勻性，調(diào)節(jié)系數(shù)反映降水的年內(nèi)分配特征[16]。

(2) 空間差值。協(xié)同克里金(Co-Kriging)插值方法能將地形等復(fù)雜的因素添加到插值處理中，能夠更為精確地對(duì)南四湖流域降水量的空間分布進(jìn)行模擬[17]。

(4) 降水年際周期變化。降雨量的時(shí)間序列作為一種信號(hào)，還存在多時(shí)間尺度的特點(diǎn)[19]。小波分析法作為一種高效的信號(hào)分析處理方法，已廣泛運(yùn)用于降水時(shí)間序列分析[20-23]。

3　結(jié)果與分析

3.1　降水的年內(nèi)分配特征

3.1.1時(shí)間變化南四湖流域地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)環(huán)流影響，降水年內(nèi)分配不均(表1)。以氣象法劃分季節(jié)，夏季受來(lái)自太平洋的海洋性季風(fēng)的影響，形成強(qiáng)降水，量大而集中，一般為380～492 mm，占全年降水的58%～66%；冬季受蒙古—西伯利亞寒流的控制，大陸性季風(fēng)強(qiáng)，氣候干冷，降水僅28～44 mm，占全年的4%～5.6%；春、秋兩季降水量分別為104～129 mm，106～134 mm，占全年降水量的15%～18%，17%～20%。流域降水一般集中于汛期(6—9月)，降水量為458～557 mm，在全年降水比重為70%～74%。

表1　南四湖流域各站點(diǎn)降水年內(nèi)分配特征 mm

3.1.2非均勻性特征降水的非均勻性可用于預(yù)測(cè)流域旱澇災(zāi)害的發(fā)生，降水量多的年份也可能出現(xiàn)旱災(zāi)，這是因?yàn)镃d較大，降水集中，從而降水集中于汛期而其他時(shí)段的降水量很少，反之則全年出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的可能性較小，表2中全流域降水的Cd為0.56～0.62，Cv為0.89～1.04，Cr為0.52～0.55，變化幅度不明顯，表明降水較集中。全年最大降水日期在7月，由集中期可看出，流域7月初形成強(qiáng)降水，161～211 mm，占全年降水的25%～29%，由于雨帶從太平洋向內(nèi)陸移動(dòng)，最大降水日期南部地區(qū)早于北部。

降水集中度高，說(shuō)明降水集中于某時(shí)段，強(qiáng)降水導(dǎo)致洪水爆發(fā)，從而其他季度降水稀少，干旱災(zāi)害嚴(yán)峻。流域內(nèi)降水的年內(nèi)分配不均，降水集中于7月初，使得湖區(qū)地勢(shì)低洼之處常常出現(xiàn)“有水澇災(zāi)、無(wú)水旱災(zāi)”的境況，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大阻力。

3.1.3空間變化鑒于南四湖流域復(fù)雜的地形特征，本文采用考慮高程因素的協(xié)同克里金(Co-Kriging)法對(duì)流域降水量進(jìn)行插值計(jì)算，得到南四湖流域1952—2011年平均降水的空間分布圖(圖2)。流域多年平均降水量呈現(xiàn)典型的由東到西的遞減規(guī)律(圖2A)，空間分布極不均勻，湖東的薛城站代表的流域多年平均降水量最大，形成(面積為4 107 km2的)降水高值中心，年均降水量可達(dá)780 mm；湖西孫莊站以西，降水最少，在650 mm左右。降水量的空間分布格局呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)差異：夏季降水在多年平均由東到西遞減分布格局的基礎(chǔ)上，稍微偏東南向(圖2B)，降水等值線(xiàn)表現(xiàn)出在降水中心密集分布而外圍稀疏分布的特征，圍繞著薛城、藤縣、魚(yú)城站形成降水的強(qiáng)高值中心，降水高值區(qū)的(面積擴(kuò)張到9 553 km2)影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多年平均降水量下的降水高值中心。湖西的孫莊站所代表的流域由于地勢(shì)低洼、氣流下沉，在夏季形成降水低值中心。冬季降水普遍偏少，降水的空間分布呈典型的東南—西北向遞減規(guī)律，東南部降水較多，后營(yíng)、黃莊、書(shū)院站的降水量低至30 mm左右；等值線(xiàn)分布比較均勻(圖2C)。流域年降水量東多西少的空間分布特征是受氣候、地理位置、地形等因素共同作用的結(jié)果。東南部緯度相對(duì)較低，氣溫較高，氣旋活動(dòng)頻繁，加上湖東為山丘區(qū)，易形成地形雨，湖西地勢(shì)平坦，大陸性強(qiáng)，降水低于湖東流域。夏季太平洋季風(fēng)水汽輸送中心增強(qiáng)并向北移，使得南四湖流域水汽通量明顯增加，同時(shí)夏季受大氣環(huán)流的影響，強(qiáng)降水范圍略高于年平均水平；冬季在西北季風(fēng)的作用下，水汽輸送大幅減少，降水較少。

表2　南四湖流域各站點(diǎn)降水特征值

3.2　降水的年際變化

3.2.1降水年際趨勢(shì)變化流域內(nèi)各站點(diǎn)多年平均降水約為655.48～784.92 mm?；贏rcGIS軟件構(gòu)建、優(yōu)化、裁剪得到了南四湖流域的泰森多邊形，之后進(jìn)行面積權(quán)重的計(jì)算，最后根據(jù)各雨量站點(diǎn)多年平均降水進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算出全流域的多年平均降水量為752.06 mm。對(duì)各站點(diǎn)及全流域降水進(jìn)行M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)(表3)，滕縣、后營(yíng)的統(tǒng)計(jì)量U值為負(fù)值，分別為-0.84，-0.24，表明多年降水呈下降趨勢(shì)；其他站點(diǎn)為正值，即降水增加，且各站點(diǎn)U值均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表明年際變化不顯著；全流域U值為-0.54，即不顯著減少趨勢(shì)。從降水歷史來(lái)看，20世紀(jì)50—60年代為流域的豐水年，80年代到世紀(jì)末為枯水期，加上流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水量的急劇增加，流域水資源量入不敷出，幾度出現(xiàn)湖水干涸的嚴(yán)重現(xiàn)象。

圖2　南四湖流域降水量空間分布

表3　南四湖流域降水的M-K檢驗(yàn)

根據(jù)流域?qū)嶋H加權(quán)降水量數(shù)據(jù)繪制全流域降水多年變化趨勢(shì)圖(圖3)。由圖3可以看出，流域內(nèi)降水年際波動(dòng)，存在明顯的突變極值點(diǎn)。1957年、1958年、1964年、2003年為大水之年，降水分別為1 136.8，1 041.33，1 267.28，1 169.88 mm，2003年降水量位居1950年以來(lái)的第2位；1968年、1988年、2002年為枯水年，降水分別為453.60，370.97，422.35 mm；2002年遭遇了百年一遇的大旱，地表水源不足，干旱缺水成為影響流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全的主要瓶頸問(wèn)題。2003年較2002年降水增加約747.53 mm，提高177%，降水的增加對(duì)補(bǔ)給流域地下水，改善湖區(qū)水環(huán)境，緩解流域水資源供需矛盾等具有明顯的作用。若降水量過(guò)多易形成洪澇災(zāi)害，對(duì)流域堤防防汛，內(nèi)澇排水造成很大壓力，特別是對(duì)于地勢(shì)較低的一些地區(qū)，雨水不能迅速宣泄造成農(nóng)田積水和土壤水分過(guò)度飽和，造成更多的地質(zhì)和農(nóng)業(yè)災(zāi)害。10 a尺度上，1960年以前降水較多，1966年以后處于偏枯期，持續(xù)至70年代初期，降水偏豐，緩和流域內(nèi)的干旱災(zāi)情；1980年以來(lái)，出現(xiàn)旱澇交替現(xiàn)象；2003年以來(lái)降水偏豐。

3.2.2降水年際周期變化對(duì)全流域加權(quán)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，基于年降水量求出其距平百分比，作連續(xù)Morlet小波變換。利用matlab，surfer軟件計(jì)算年降水的小波系數(shù)和小波方差，繪制小波系數(shù)等值線(xiàn)圖(圖4)。在一定尺度下，流域小波變換實(shí)部系數(shù)(圖4A)反映近50 a降雨量在不同時(shí)間尺度上的周期震蕩特征，等值線(xiàn)數(shù)值為正(圖中黃色區(qū)域)代表降雨偏多，數(shù)值為負(fù)(圖中灰色區(qū)域)代表降雨偏少，絕對(duì)值越大表示變化越顯著。

圖3　南四湖流域降水趨勢(shì)變化

全流域降水量在整個(gè)時(shí)間域上存在8～12 a，20～26 a時(shí)間尺度的變化周期，這兩種時(shí)間尺度貫穿全時(shí)間序列，降水豐、枯相間分布，波動(dòng)極值點(diǎn)分布規(guī)律、表現(xiàn)出明顯的突變振蕩關(guān)系，具有全域性，是流域降水的主導(dǎo)周期，此外還存在4～6 a，6～8 a，13～17 a，30～32 a等多個(gè)短周期，這4個(gè)周期具有局部性。因此，南四湖流域降水量變化并沒(méi)有一個(gè)固定的周期，而是多種時(shí)間尺度相互嵌套。

圖4A小波實(shí)部圖中在8～12 a時(shí)間尺度上，降水存在多→少→多→少等9次振蕩周期，降水偏多與偏少相間分布，突變極值點(diǎn)增加，其中心時(shí)間尺度為10 a左右，在20～26 a時(shí)間尺度上，存在4個(gè)準(zhǔn)周期，降水經(jīng)歷少→多→少→多的4次循環(huán)交替，周期振蕩強(qiáng)烈。中心時(shí)間尺度為22 a左右。圖4B中顯示2個(gè)很明顯的峰值，對(duì)應(yīng)著10 a，22 a的時(shí)間尺度，同時(shí)存在15 a，5 a，8 a的次峰值，驗(yàn)證了小波實(shí)部圖中主導(dǎo)周期的準(zhǔn)確性。最大峰值為10 a，說(shuō)明10 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，是流域降水的第一主周期，22 a為降水變化的第二主周期，15 a為第三周期。這3個(gè)主周期在近60 a降水量序列中起主要作用，其中10 a尺度最為顯著。

圖4　小波變換系數(shù)

依據(jù)小波方差結(jié)果繪制主周期小波系數(shù)(圖4C)，為正表示多雨期，反之少雨期。10 a尺度上，降水在1952—2011年豐枯變化顯著，豐水、枯水持續(xù)時(shí)間約為3 a，4 a，可以推測(cè)2010年以后小波系數(shù)為正，2011—2013年降水將進(jìn)入偏多期；22 a尺度上降水經(jīng)歷了4次由少到多的周期振蕩變化，持續(xù)時(shí)間約為7 a，8 a，突變點(diǎn)為1959年、1967年、1974年、1982年、1989年、1996年、2003年、2011年，可推測(cè)降水在2010年以后為負(fù)，2011—2017年左右降水將處于偏少期。

據(jù)中新網(wǎng)國(guó)家防汛抗旱總指揮辦公室發(fā)布的2014年干旱災(zāi)害情況顯示：2014年南四湖流域降水僅370 mm，較往年同期少3成左右；7月底，上下級(jí)水位降至32.73 m和31.81 m，部分湖床裸露，對(duì)湖區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。2014年發(fā)布的干旱災(zāi)害情況與小波分析結(jié)果一致，可驗(yàn)證小波變化方法的適用性。

4　結(jié) 論

(1) 南四湖流域降水年內(nèi)分配不均，最大降水在7月10號(hào)附近，汛期(6月—9月)降水占全年的70%～74%，流域多年平均降水呈不顯著減少趨勢(shì)，從東向西遞減趨勢(shì)明顯。降水量的空間分布具有較明顯的季節(jié)差異：夏季降水圍繞薛城、藤縣、魚(yú)城站形成降水的強(qiáng)高值中心，降水高值區(qū)影響范圍遠(yuǎn)大于多年平均水平，冬季降水較少，等值線(xiàn)分布比較均勻。

(2) 全流域多年平均降水約為714.29 mm，M-K檢驗(yàn)U值為-0.54，表明多年來(lái)降水減少趨勢(shì)不顯著。受季風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)弱和活動(dòng)范圍不同的影響，存在明顯的降水突變與振蕩。

(3) 降水年際周期變化主要時(shí)間尺度是10 a，22 a，其中10 a時(shí)間尺度周期振蕩強(qiáng)烈，貫穿整個(gè)時(shí)域；22 a為降水的第二主周期，兩個(gè)時(shí)間尺度對(duì)流域降水周期變化起到主導(dǎo)作用。在10 a尺度下經(jīng)歷了多→少→多等9次周期振蕩，22 a尺度下經(jīng)歷少→多→少等4次突變振蕩。根據(jù)降水的小波主周期變化特征，可預(yù)測(cè)南四湖流域2014年以來(lái)處于降水相對(duì)偏少期。

降水的年內(nèi)分配與年降水量是流域旱澇災(zāi)害的兩個(gè)極為重要的驅(qū)動(dòng)因子，降水年內(nèi)集中度高的地區(qū)，若降水量大，易引起洪澇災(zāi)害，反之旱情加劇。降水年內(nèi)分配與主周期振蕩趨勢(shì)特征，可預(yù)測(cè)流域未來(lái)降水變化趨勢(shì)與空間特征，為災(zāi)害預(yù)防、水資源利用提供借鑒與理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn):

[1]吳亞楠,李鴻雁,王玉新.第二松花江流域近75年降水量變化特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(4):2257-2259.

[2]劉歡,左其亭,馬軍霞.河南省降水量年內(nèi)分配的不均勻性及變化規(guī)律[J].人民黃河,2015,37(10):29-34.

[3]Tonkaz T, ?etin M, Tülücü K. The impact of water resources development projects on water vapor pressure trends in a semi-arid region, Turkey[J]. Climatic Change,2007,82(1):195-209.

[4]王慶,馬倩倩,夏艷玲,等.最近50年來(lái)山東地區(qū)夏季降水的時(shí)空變化及其影響因素研究[J].地理科學(xué),2014(2):220-228.

[5]劉文莉,張明軍,王圣杰,等.1960—2011年陜西省年內(nèi)降水分配非均勻性特征及預(yù)測(cè)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2013,32(7):1877-1887.

[6]王澄海,李健,李小蘭,等.近50 a中國(guó)降水變化的準(zhǔn)周期性特征及未來(lái)的變化趨勢(shì)[J].干旱區(qū)研究,2012,29(1):1-10.

[7]王艷姣,閆峰.1960—2010年中國(guó)降水區(qū)域分異及年代際變化特征[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2014,33(10):1354-1363.

[8]陳睿智,桑燕芳,王中根,等.1956—2010年甬江流域降水變化特性分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2012,31(9):1149-1156.

[9]蔡道明,鄢鐵平,廖煒,等.湖北省1957—2009年降水時(shí)空變化特征分析[J].水土保持研究,2010,17(6):237-241.

[10]原立峰,楊桂山,李恒鵬,等.近50年來(lái)鄱陽(yáng)湖流域降雨多時(shí)間尺度變化規(guī)律研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2014,23(3):160-161.

[11]劉友春,孟昭強(qiáng),李飛.南四湖流域降水時(shí)空特征分析[J].海洋湖沼通報(bào),2013(2):31-36.

[12]李遠(yuǎn)平,楊太保,馬建國(guó).淠河流域汛期降水集中度和集中期的變化特征[J].資源科學(xué),2012(3):418-423.

[13]曹永強(qiáng),路璐,張亭亭,等.基于降水集中度和集中期的浙江省降水時(shí)空變化特征分析[J].資源科學(xué),2013(5):1001-1006.

[14]王金星,張建云,李巖,等.近50年來(lái)中國(guó)六大流域徑流年內(nèi)分配變化趨勢(shì)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(5):656-661.

[15]鄭紅星,劉昌明.黃河源區(qū)徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2003(6):585-590.

[16]王紀(jì)軍,裴鐵璠,顧萬(wàn)龍,等.降水年內(nèi)分配不均勻性指標(biāo)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007(9):1364-1368.

[17]劉剛,趙榮,劉紀(jì)平,等.瀾滄江流域降水量空間分布的克里格插值分析[J].測(cè)繪科學(xué),2007(3):104-105,113,196.

[18]Hamed K H. Trend detection in hydrologic data: The Mann-Kendall trend test under the scaling hypothesis[J]. Journal of Hydrology, 2008,349(3/4):350-363.

[19]祁順杰,陳皓銳. Morlet小波在降雨的多時(shí)間尺度分析中的應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技,2010(3):79-82.

[20]Narisma G T, Foley J A, Licker R, et al. Abrupt changes in rainfall during the twentieth century[J]. Geophysical Research Letters,2007,34(6):306-316.

[21]Bing L, Shao Q, Liu J. Runoff characteristics in flood and dry seasons based on wavelet analysis in the source regions of the Yangtze and Yellow rivers[J]. Journal of Geographical Sciences, 2012,2(22):261-272.

[22]Goupillaud P, Grossmann A, Morlet J. Cycle-octave and related transforms in seismic signal analysis[J]. Geoexploration, 1984,23(1):85-102.

[23]胡光偉,毛德華,李正最,等.荊江三口60 a來(lái)入湖水沙變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2014(1):129-142.