(河海大學(xué) 大禹學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

氣候變暖不僅直接影響氣溫極值變化，而且導(dǎo)致高溫干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度出現(xiàn)加劇的趨勢(shì)，并將繼續(xù)造成長(zhǎng)遠(yuǎn)而巨大的影響[1]。在我國(guó)“南澇北旱”的氣候格局下，關(guān)注地區(qū)降水集中度和集中指數(shù)對(duì)適應(yīng)、減緩和應(yīng)對(duì)氣候變化，評(píng)估氣候事件更具實(shí)際意義[2]。

近年來，我國(guó)學(xué)者在降水量時(shí)空變化方面做了許多研究，其中淮河流域降水量的時(shí)空變化和趨勢(shì)分析也取得豐碩的成果。佘敦先等[3]分析了近50 a來淮河流域極端降水的時(shí)空變化及統(tǒng)計(jì)特征，李雙雙等[4]探究了1960—2013年淮河南北極端降水時(shí)空變化特征及其影響因素。但是，對(duì)該地區(qū)降水量的年內(nèi)非均勻性情況及其年際變化的研究較少。Zhang等[5]定義了降水集中度 PCD(Precipitation Concentration Degree)和降水集中期PCP (Precipitation Concentration Period)。近年來許多學(xué)者利用此方法研究年內(nèi)降水非均勻特征，并得出了有意義的結(jié)論，如楊瑋等[6]、張錄軍等[7]、楊金虎等[8]、張運(yùn)福等[9]、張?zhí)煊畹萚10]分別對(duì)青藏高原、長(zhǎng)江流域、中國(guó)西北地區(qū)、東北地區(qū)和華北地區(qū)的降水集中度和集中期時(shí)空特征進(jìn)行了分析。Oliver[11]在1980年定義了集中指數(shù)PCI(Precipitation Concentration Index)，PCI被其他學(xué)者廣泛采用[12]。

本文根據(jù)淮河流域10個(gè)水文站1961—2015年的逐月降水量實(shí)測(cè)資料，研究了淮河流域降水集中度(C)的年際變化。并根據(jù)新引入的降水時(shí)段集中指數(shù)(I)的定義，研究淮河流域降水年內(nèi)分布的非均勻性，分析淮河流域季節(jié)和月份集中指數(shù)的年際變化特征，為科學(xué)應(yīng)對(duì)區(qū)域旱澇災(zāi)害、合理產(chǎn)業(yè)布局和水資源利用提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

2 研究區(qū)域概況

淮河干流發(fā)源于河南南部桐柏山，自西向東流經(jīng)河南、安徽，入江蘇境內(nèi)洪澤湖。流域地處中國(guó)南北氣候過渡帶，屬溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，夏熱多雨，冬寒干燥。降水量年內(nèi)分布不均，降水季節(jié)集中，6—8月份雨量占年降水量60%左右。6月中旬—7月上旬，流域進(jìn)入梅雨季節(jié)，降雨多而范圍廣，容易造成流域性大洪水。降水年際變化很大，多雨年與少雨年的降水量比值可達(dá)3～5倍[13]。流域人口密集，居大江大河流域人口密度之首。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸都十分發(fā)達(dá)。隨著區(qū)域人口密度不斷增大，區(qū)域降水分配不均帶來的壓力將日益凸顯。

研究區(qū)域內(nèi)水文控制站為蚌埠水文站，位于淮河干流洪河河口下游處。

3 資料來源與研究方法

3.1 資料收集

本文收集了流域內(nèi)氣象站網(wǎng)1961—2015年間10個(gè)氣象站(蚌埠、鄭州、駐馬店、信陽(yáng)、亳州、霍山、東臺(tái)、贛榆、徐州、兗州)的降水實(shí)測(cè)逐月資料。這些氣象站點(diǎn)分布在安徽、河南、江蘇和山東四省，地理位置分布較為均勻，可直接計(jì)算面平均雨量。

3.2 研究方法

本文采用年降水集中度和時(shí)段集中指數(shù)對(duì)淮河流域降水時(shí)間分布均勻性進(jìn)行研究。集中度C能夠很好反映水文事件年內(nèi)的集中程度，而定義的集中指數(shù)I則用來描述水文事件具體各時(shí)段集中性大小[12-14]。相比于一般統(tǒng)計(jì)方法，集中指數(shù)和集中度更好反映年內(nèi)分布特征及各個(gè)時(shí)段的集中程度。本文重點(diǎn)研究在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間序列內(nèi)降水的變化趨勢(shì)，因此在本研究定義集中度和集中指數(shù)時(shí)主要考慮降水量，而不是其他研究中常用的大于極端降水量的頻次。

3.2.1 年降水量集中度(C)

年降水集中度[14-15]按照如下方式計(jì)算：①將各月(或旬、候) 降水量按各自特定的角度分解成為水平和垂直方向上的2個(gè)分量;②分別進(jìn)行方向上的累加;③將2個(gè)分量之和的合成量占年降水量總和的比值定義為降水年內(nèi)集中度。該集中度的取值區(qū)間為 0～1，值越大說明年內(nèi)集中程度越高。若集中度為1，事件集中在年內(nèi)的某一個(gè)月份;反之，若為0，事件在年內(nèi)分布均勻。具體公式為

(1)

圖1 向量夾角及全年每個(gè)月中代表的角度值Fig.1 Vector angle and the value of each month during one year

圖1說明了降水量向量夾角及全年每個(gè)月中代表的角度值的具體分布情況。

3.2.2 降水量集中指數(shù)(I)

通過集中度了解年內(nèi)降雨量集中程度，而進(jìn)一步分析具體各時(shí)段的集中性大小。月集中指數(shù)I公式[16]為

In=(rn/rz-1/12)×100% 。

(2)

式中：rn為第n月降水量；rz為年降水量總和;rn/rz為第n月降水量占年總降水量的比率;1/12為假設(shè)降水量在均勻分布時(shí)的每月降水量比率。

I>0，表明該地區(qū)在該月內(nèi)實(shí)際降水量大于年降水量平均分布強(qiáng)度，否則小于年降水量平均分布強(qiáng)度。且|I|越大，說明越偏離平均水平。

同理，也可以定義季節(jié)集中指數(shù)等。

4 結(jié)果分析

4.1 降水年集中度年際變化分析

取流域內(nèi)位置分布較為均勻的蚌埠等10個(gè)站點(diǎn)1961—2015年的平均降水量資料，作為河流域面平均雨量，得到淮河流域55 a的降水年集中度序列。通過計(jì)算，得到1961—2015年淮河流域降水年集中度年際變化，如圖2所示。由圖2可見，淮河流域1961—2015年降水年集中度平均值為0.46，最大值為0.631(2009年)，最小值為0.228(2002年)?；春恿饔蚰杲邓卸瘸什▌?dòng)型變化，且20世紀(jì)90年代以后，年際波動(dòng)幅度明顯增大，降水分布均勻年份和降水分布不均勻年份交替出現(xiàn)。降水年集中度變化傾向率為0.05/(100 a)，呈增大趨勢(shì)，降水年內(nèi)分布不均勻性增大。

圖2 1961—2015年淮河流域降水年集中度年際變化Fig.2 Inter-annual variation of precipitation concentration degree in Huaihe River basin during 1961-2015

通過累積距平曲線(圖3)，可看出淮河流域降水集中度55 a的總體變化趨勢(shì)：1960—1990年較為穩(wěn)定，1990—2015年的變化幅度很大，其中1990—2002年間呈明顯的下降趨勢(shì)，之后迅速升高。

圖3 1961—2015年淮河流域降水年集中度累積距平曲線Fig.3 Cumulative departure curve of annual precipitation concentration degree in Huaihe River basin during 1961-2015

4.2 降水年內(nèi)分布不均勻性分析

表1為1961—2015年間淮河流域各月份平均集中指數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。其中，5—9月份集中指數(shù)為正，即月降水量多于年平均，其他月份降雨量少于年平均降水量水平。降水月集中指數(shù)最大為7月份，平均月集中指數(shù)為14.21%，8月份和6月份次之。而最小為12月份，平均月集中指數(shù)僅為-6.26%。

1952—2012年間淮河流域各季節(jié)平均集中指數(shù)如圖4所示。55 a中淮河流域夏季的平均集中指數(shù)最大，為27.10%。冬季最小，為-17.06%。春、秋季節(jié)的降水集中指數(shù)均為負(fù)，分別為-4.60%和-5.13%。1 a中大部分降水量集中在夏季,冬季降水量最少，春、秋季節(jié)略低于年平均降水量。

圖4 1952—2012年間淮河流域各季節(jié)平均集中指數(shù)Fig.4 Seasonal average concentration index in Huaihe River basin during 1952-2012

4.3 降水年內(nèi)時(shí)段集中指數(shù)年際變化分析

4.3.1 月集中指數(shù)年際變化分析

表2中列出逐月集中指數(shù)正負(fù)、集中指數(shù)變化傾向率以及變化趨勢(shì)(由于變化趨勢(shì)很小，本研究中將MK趨勢(shì)檢驗(yàn)的置信度設(shè)定為70%，不通過檢驗(yàn)即認(rèn)為趨勢(shì)不明顯)。

表2 月集中指數(shù)變化趨勢(shì)Table 2 Trends of monthly concentration index

注：-表示負(fù)值,+表示正值，/ 表示趨勢(shì)不明顯，↓表示呈減小趨勢(shì)，↑表示呈增大趨勢(shì)

12個(gè)月中，2月份和 4—11月份這9個(gè)月的集中指數(shù)通過了MK趨勢(shì)檢驗(yàn)，表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。變化傾向率最大的是4月份(圖5)，月集中指數(shù)變化傾向率達(dá)到了-4.7%/(100 a)，其次是8月份，變化傾向率是4.4%/(100 a)。

圖5 4月份集中指數(shù)年際變化Fig.5 Inter-annual variation of concentration index in April

降水集中指數(shù)為正的月份中：5—8月份的降水集中指數(shù)增大趨勢(shì)明顯，9月份的集中指數(shù)呈減小趨勢(shì)；降水集中指數(shù)為負(fù)的月份中，4月份和10月份呈減小趨勢(shì)，11月份呈增大趨勢(shì)，1-3月份和12月份這4個(gè)月的變化趨勢(shì)未通過趨勢(shì)檢驗(yàn)。

從總體來看，月降水量高于年平均的5個(gè)月中，有4個(gè)月的降水集中指數(shù)仍顯著增加，另外1個(gè)月變化趨勢(shì)不明顯。月降水量低于年平均的7個(gè)月中，有2個(gè)月的降水集中指數(shù)仍然呈減小趨勢(shì)，1個(gè)月呈增大趨勢(shì)，4個(gè)月的集中指數(shù)較為穩(wěn)定?？傮w而言，月集中指數(shù)的年際變化仍然向著兩極化方向發(fā)展，年內(nèi)降水量分布的非均勻性不斷加劇。

4.3.2 季節(jié)集中指數(shù)年際變化分析

分別作出1961—2015年淮河流域春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的集中指數(shù)年際變化圖(圖6)。計(jì)算表明，春季和秋季呈明顯減小趨勢(shì)，降水集中指數(shù)變化傾向率分別為-3.8%/(100 a)和-5.5%/(100 a)。21世紀(jì)以來，春季降水集中指數(shù)更是減小到幾乎全部為負(fù)。夏季的降水集中指數(shù)呈現(xiàn)非常顯著的增大趨勢(shì)，變化傾向率為6.4%/(100 a)。2000年以前夏季集中指數(shù)平均值為26%，而2000—2016年的夏季集中指數(shù)平均值已增大為30%。冬季集中指數(shù)序列未通過趨勢(shì)檢驗(yàn)，降水集中指數(shù)的變化傾向率為1.96%/(100 a)。

圖6 1961—2015年淮河流域降水季節(jié)集中指數(shù)Fig.6 Seasonal precipitation concentration index in Huaihe River basin during 1961-2015

圖6和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到的淮河流域降水量年代際距平百分率(表3)相吻合。具體地，春季的減小和夏季的增大在2000s以后表征得尤為明顯，春季的降水量距平百分率從5.71%降到了-12.84%，而夏季則從-0.97%增大到了13.31%。

表3 淮河流域降水量年代際距平百分率Table 3 Percentage of precipitation anomalies in Huaihe River basin at inter-decadal scale

夏季的降水量占全年降水量的52%，遠(yuǎn)高于全年平均，在此情況下，夏季集中指數(shù)增大趨勢(shì)明顯。而春季和秋季的降水量低于全年平均水平，降水集中指數(shù)呈顯著的減小趨勢(shì)。可以得出與月份降水集中指數(shù)變化相似的結(jié)論：季節(jié)集中指數(shù)的年際變化趨勢(shì)加劇淮河流域降水量年內(nèi)分布的不均勻性，呈現(xiàn)“干愈干，濕愈濕”的時(shí)相變化特征，容易引發(fā)洪水的發(fā)生，給流域的水量調(diào)蓄帶來了挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 論

本文通過定義的降水集中度和時(shí)段降水集中指數(shù)，得出如下結(jié)論：

(1)1961—2015年間，淮河流域年降水集中度呈波動(dòng)型變化，且1990年以后年際波動(dòng)性更加明顯。降水年集中度變化傾向率為0.05/(100 a)，呈增大趨勢(shì)，即降水年內(nèi)時(shí)段分布不均勻性增大。

(2)5—8月份和11月份的降水集中指數(shù)呈增大趨勢(shì)， 4月份、9月份和10月份的降水集中指數(shù)呈減小趨勢(shì)，其他月份的降水集中指數(shù)變化趨勢(shì)不顯著。春季和秋季的降水集中指數(shù)呈減小趨勢(shì)，夏季的降水集中指數(shù)呈增大趨勢(shì)，降水集中指數(shù)的變化傾向率分別為-3.8%/(100 a)、-5.5%/(100 a)和6.4%/(100 a)。冬季的降水集中指數(shù)未通過趨勢(shì)檢驗(yàn)，認(rèn)為相對(duì)穩(wěn)定。多數(shù)平均降水集中指數(shù)為正的月份仍然呈增大趨勢(shì)，多數(shù)平均降水集中指數(shù)為負(fù)的月份仍然呈減小趨勢(shì)，只有2個(gè)月的變化趨勢(shì)相反。季節(jié)降水集中指數(shù)的變化和月份類似，平均為負(fù)的春季和秋季降水集中指數(shù)呈減小趨勢(shì)，平均為正的夏季降水集中指數(shù)呈明顯的增大趨勢(shì)。

總體而言，淮河流域年內(nèi)月和季節(jié)的降水集中指數(shù)變化趨勢(shì)加劇降水分布的兩極化，表現(xiàn)出“干愈干，濕愈濕”的年際變化特征。