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中心,河南 鄭州 450003; 2.南水北調中線實業發展有限公司,北京 100038;3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,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出較為復雜的時間和空間差異[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過程,導致降水時間分布特點隨之發生變化[3-4]。對長系列的氣象資料研究結果表明,河南省年降水量呈減少的趨勢[5],從降水量年內分配的變化趨勢來看,豫南地區春季降水量減少趨勢明顯[6],汛期日降水量增加,出現了諸如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間均勻特征進行研究,明晰降水的年際、年內分布規律,對于水資源時空調節、水旱災害防御具有重要的意義[8-9]。

針對河南省降水時間分布研究,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]利用標準降水指數等多種指標采用Mann-Kendall等多種方法統計分析了近年來降水時間分布年際變化特征。既有研究對于降水年內時間分布規律的探究較少,一般多基于少量氣象站點資料采用標準化降水指標等進行分析研究[13-14]。由于資料可獲得性受限,采用多流域大數量水文站點數據資料進行全省多流域降水年內時間均勻特征研究較少。目前對降水年內時間均勻特征研究廣泛采用的是降水集中指數(Precipitation Concentration Index,PCI)[15-16]和降水集中度(Q)[17-18],缺少與河南省相關的深入應用研究。

本文基于河南省全省范圍內4個流域522個雨量站點資料,采用降水集中指數(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年的降水年內時間分布及降水集中度年際變化特征,探求多流域聚集地區降水時間分布的時空分異規律,為水資源調配和水旱災害防御提供技術支撐。

1 研究區域、數據與方法

1.1 研究區域

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-半濕潤季風氣候,具有明顯的過渡性氣候特征。受季風氣候的影響,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,受大氣環流和復雜地形的影響,全省降水量等值線整體呈東西走向,平原區呈東北-西南走向,伏牛山東麓一帶、大別山區北側新縣一帶、太行山東麓衛輝市一帶,是降水量高值區。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。全省降水量年內分配不均、年際變幅較大,局部地區容易產生水旱災害。

1.2 研究數據

研究采用全省范圍內水文部門522個雨量站點的整編數據(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),時間長度為1956—2021年。站點情況見圖1和表1。

表1 各流域站點數量 個

圖1 全省雨量站點分布和流域劃分

所用絕大部分站點資料完整、連續,個別站建站年份晚于1956年,借用臨近站點數據對其建站之前年份的降水量數據進行插補。

1.3 研究方法

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

(1)

式中:xi為第i個時段的降水量,mm;N為時段數。

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

2)降水集中度(Q)。根據統計學理論,信息熵用于描述離散隨機事件的出現概率,當隨機事件的不確定性增大時,信息熵的數值也隨之增大。因氣候變量可視為隨機變量,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時次,則Q=1;如果降水均勻分布在每一個時次,Q=0。即當降水時間分布較集中時,該值較大;當降水時間分布較均勻時,該值較小。

3)標準化降水指數(SPI)和氣象干焊表征指標Z。為研究降水分布特征與降水豐沛程度的關系,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準化指標,其原理是認為降水量概率密度函數服從Γ分布,通過降水量概率密度函數求解累積概率,再將累積概率標準化求得SPI值,具體計算如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中n為系列長度。

一定時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)可以通過下式轉換為標準正態分布函數:

當0

(9)

(10)

當0.5

(11)

(12)

式中c0、c1、c2、d1、d2、d3為系數,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是國際上廣泛應用的氣象干旱表征指標。假設降水量服從P-Ⅲ型分布,通過對降水量進行正態化處理,可將其概率密度函數進行轉換運算,進而計算Z[24]:

(13)

式中:Cs為偏態系數;φi為標準變量。

根據SPI和Z值劃分7個旱澇等級,各等級對應的指標見表2。

表2 旱澇等級及對應的SPI和Z值

2 年降水時間均勻特征和變化趨勢

基于雨量站點系列數據,采用式(1)和式(2)計算各站的降水集中指數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由北向南遞減的特點,河南省北部降水時間分布較集中,南部降水時間分布較均勻。

2) 降水集中度的高值區位于海河流域衛河支流峪河、石門河上游、新鄉衛輝市太行山東麓,同時衛輝市太行山東麓是全省三個降水量高值區之一,該區域多年平均降水量較河南省海河流域多年均值多49%,同時表現出北方地區年降水日數少的普遍特點,但由于地形原因降水量明顯多于周邊區域,降水集中度較高。

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

4) 淮河流域南部PCI值和Q年值較低,極端旱澇事件發生風險相對較小;海河流域和黃河流域東部區域的PCI值和Q值較高,降水時間分布較為集中,極端旱澇事件發生風險較大。

以上結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論基本一致。

以年均PCI值和Q值隨時間的總體變化率來表征變化趨勢,取PCI和Q值時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,大部分區域年均PCI值和Q值略有增加,即降水時間分布略趨于集中,變化趨勢總體呈現北部降低、南部升高的趨勢。

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

3 季降水時間均勻特征和變化趨勢

基于雨量站點系列數據,計算各站的降水集中指數(PCI)和降水集中度(Q),以當年3—5月、6—8月、9—11月、當年12月—翌年2月分別作為當年春季、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,遠超過其他季節的,說明冬季降水時間分布最集中,而夏季的降水時間分布相對其他季節而言最均勻,春季和秋季居中。

圖4 PCI季值、Q季值多年平均空間分布

4個季節中,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,很多年份甚至整個冬季無有效降水,從而導致冬季降水集中程度最高,這在河南省內的海河流域最為顯著。

從全省范圍內的空間對比來看,降水時間分布集中程度呈現由北向南遞減、由西向東增加的特點,且冬季的區域間差異最大,而夏季的區域間差異最小。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生且量級小,這也導致降水時間均勻性差異較大,這在河南省內的黃河流域最為明顯。

以PCI和Q的季值隨時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,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,省內大部分區域略趨于均勻,海河流域部分區域、黃河流域中部和豫東平原大部分的降水時間分布趨于集中,其他季節變化趨勢空間差異性較大,尤其是冬季。在進行變化趨勢顯著性檢驗中發現:信陽市西南部及南陽盆地的小部分區域夏季降水量集中度減小趨勢通過了90%的顯著性檢驗;開封市中部區域冬季降水量集中度增加趨勢通過了90%的顯著性檢驗,說明部分區域降水集中程度變化顯著。

4 降水時間均勻特征與降水量、干旱指數SPI和Z之間的關系

從PCI和Q多年平均空間分布和變化趨勢看,二者具有極強的相關關系,為進一步定量驗證,將二者繪制于圖6。

圖6 年均PCI值與Q值相關性

由圖6可知,PCI值與Q值具有極好的相關性,線性相關系數達到0.95。為探究降水時間分布與降水量及氣象干旱的相關性,采用式(6)～式(9)計算SPI和Z值,進一步研究年平均Q值、年降水量、年均Z值的相關關系,見表3。

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

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聯性但相關性極弱,表明降水時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,但與單個變量的相關性較弱,相關系數不到0.2。Q年值與年降水量、SPI值和Z值3個單變量有一定的正向關聯性,相關性強于單個變量,但總體而言相關性仍不強,相關系數不到0.3。為進一步分析Q值與年降水量、SPI值和Z值之間的相關性,除線性回歸公式以外,還擬合了指數函數、冪函數、對數函數、多項式、滑動平均等多種形式的公式,結果發現相關系數均在0.3以內,相關性較弱。由此說明,降水時間均勻特征與降水量、干旱指數有定性的關聯,但沒有顯著的相關性。實際上,借鑒歷史實測資料也可以發現,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降水天數、日降水量等有關,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),但都發生了全省范圍內的旱情[25]。因此,在關注旱澇事件過程中,不可只關注降水量和氣象干旱程度,還應該兼顧降水時間分布特性。

5 結論

以河南省為研究對象,基于多站點長系列降水數據,采用降水集中指數(PCI)和降水集中度Q等指標,分析了全省降水時間均勻特征及變化特點。取得的主要結論如下:

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

2) 河南省降水時間均勻特征變化趨勢總體較小,省內海河流域大部分區域、黃河流域中、東部區域以及淮河流域的西北區域降水時間分布略趨于均勻,其他區域略趨于集中;從季節尺度上來看,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) 降水時間均勻特征與降水量、氣象干旱程度有一定的正向關聯性但相關性極弱,表明降水時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,但仍需要將降水時間均勻特征作為一個獨立因素進行考慮。