巢湖流域年降水集中程度与洪涝灾害关系研究

杨伟伟

（安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241003）

巢湖流域年降水集中程度与洪涝灾害关系研究

杨伟伟

（安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241003）

为了研究降水集中期和集中度与洪涝灾害之间的关系，对巢湖流域9个市县1957-2006年的年降水量进行分析，并对巢湖流域的逐日降水量采用15 d为时长的降水集中期和集中度分析，再结合小波分析找出降水集中度和集中期的震荡周期,最后分析了巢湖流域降水集中期和集中度与洪涝灾害之间的关系.结果表明：降水集中度和集中期能够定量地表征降水量在时空场上的非均匀性,提取出最大降水重心对应的时段;旱涝灾害发生的基本特征及其形成机制;巢湖流域的降水集中度、集中期与巢湖流域洪涝灾害之间存在着比较密切的联系.旨在为巢湖流域洪涝灾害防治工作提供参考依据.

降水集中度；降水集中期；洪涝灾害

0 引言

巢湖流域的气象灾害较多，主要有洪涝、干旱、冰雹、寒潮、连阴雨等，其中尤以洪涝灾害危害最为严重，每年所造成的灾害损失也是最为严重的[1].对于降水集中期和集中度的研究已经有很多，并且大多数的研究都分析了降水的集中程度[2，3].王纪军[4]等利用河南省49个站台1957-2005年逐侯降水资料，运用降水集中度和集中期分析了河南省降水时空分布特征和变化规律，得出降水集中度和集中期能够定量地表征降水量在时空场上的非均一性.戴廷仁[5]等对辽宁省的降水集中度集中期研究,认为辽宁省的年降水集中度和汛期降水集中度均呈减少的趋势，汛期降水集中度减小的趋势明显.且多水年的降水集中度明显比少水年的偏大，多水年的降水集中度分布较少水年复杂.姜爱军[6]等基于日降水序列提出一种度量不同强度降水过程时空集中程度的指标，根据中国740个气象站逐日降水资料研究分析了中国降水过程集中度和集中期及其相关统计特征，结果表明暴雨过程年内集中度与年降水量正相关区与中国降水的空降分布有很好的一致性.然而对于中小流域分析其降水集中程度和与洪涝灾害之间关系的比较少[7].

笔者采用降水集中度和集中期的概念，以15 d为时长，以巢湖流域为研究对象，在采用了Mexican hat小波分析和距平分析的基础上，讨论巢湖流域的降水集中度和集中期在时空分布上的特征与联系及其与洪涝灾害发生之间的关系，提出了一些变化规律.

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

巢湖流域位于安徽省中部，地理纬度大致为东经116°24′30″-118°0′0″、北纬30°58′40″-32°6′0″内，处于长江、淮河两大水系中间，属于长江下游左岸水系，东南濒临长江，西接大别山山脉，北依江淮分水岭，东北邻滁河流域，流域面积13 486 km2[8].

通过统计的年降水量分布折线图（图1），发现巢湖流域多年平均雨量在500-1 800 mm之间，平均值为1 050 mm.各市、县（区）由于所处纬度非常接近年降水量总体空间分布比较均匀，且各市、县（区）年降水量分布除去特殊年份的降水量分布特征非常相似.这样在研究过程中就可以分为从流域降水集中度情况和特殊年份这两方面进行降水量特征分析.笔者选取了原巢湖地区、合肥和庐江与全流域的降水集中度进行了对比研究.希望通过典型县（市）与全流域的对比更清晰的得出巢湖流域降水集中程度的特征，并比较流域部分地区与全流域在降水分布上的异同.

图1 巢湖流域年降水量

1.2 数据来源

在文献原理基础上，提出一种同时提取不同强度降水过程在过程内和年内非均匀分布特真的方法，并利用安徽气象中心气象资料室提供的1956-2006年巢湖流域9个站逐日降水资料，对流域的降水集中度和集中期进行研究，进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）

对于单站降水量时间分配特征的新参数：降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定义如下[9]：

其中

Rt为某测站研究时段内总降水量，rtj为研究时段内某时序内降水量，θj为研究时段内各时序对应的方位角（整个研究时段的方位角设为360度）.其中i为年份（i=1957,1958，…，2006），j为研究时段内的时序（j= 1，2，…，24）.

1.3.2 降水集中度与集中期的小波分析笔者选取的小波分析函数为墨西哥帽小波函数（Mexican hat）[10]

它是高斯函数exp（-t2/2）的二阶导数的负值.由φ（t）导出的小波函数为：

对时间函数f（t）定义其小波变换的小波系数Wf和整体小波功率谱Wsf分别为[11]：

式中a，b为实数，a为伸缩系数且a>0，也叫做小波尺度.从式（4）可知，a越大，小波函数Φa,b（t）的支集越大，越大值越小.B为平移因子，反应小波变换对时间函数f（t）的关注点.式（5）为小波系数的定义式，它反映出信号在时间局部区域上的频率特征，而传统的Fourier分析只能反映信号的整体特征.式（6）反映信号在时间域的整体特征，类似于功率谱分析，利用它可以确定一个时间序列中存在的主要周期.

图2 巢湖年降水量集中期、集中度

2 结果与分析

2.1 巢湖流域降水集中期与集中度

通过合肥、巢湖、庐江和全流域的降水集中期和降水集中度分析看出，降水集中度的总体数值都比较小，集中在0-0.3之间，表明绝大多数年份降水量分布都比较均匀.合肥在1993年降水集中度出现最大值，巢湖在1999年的降水集中度数值最大，表明在这些年内降水量非常集中，而且从全流域降水集中度的分布趋势来看，除去特殊年份的差距比较大之外，总体趋势非常相似.降水集中期有明显的相似性，都集中在一年内以15 d为时间间隔的1-5和18-23时间段，对应到一年内的3，4，5月份与9，10，11月份.在降水集中度分布比较均匀，降水集中期分布时段集中的情况下，降水在年内分配上就出现明显的汛期，即对应的降水集中期分布比较集中的时段.

由图中可以看到全流域降水集中度总体有缓慢增长的趋势，集中度无明显变化.巢湖降水集中期出现最早的是1967年，出现在1月中旬，最晚出现在1966年出现在12月下旬.合肥最早出现在1977年，出现在1月上旬，最晚出现在1971年，出现在12月下旬.庐江最早出现在2000年，出现1月上旬，最晚的是1997年，出现在12月中旬.全流域集中期最早出现在1978年，出现在1月下旬，最晚是1998年，出现在12月上旬.

图3 合肥年降水量集中期、集中度

图4 庐江县年降水量集中期、集中度

图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

对巢湖流域的降水集中期和降水集中度进行Mexican hat小波分析，得到降水集中期和集中度的震荡周期.由图6可以看到巢湖流域的降水集中度有较为明显的4-6年的短周期变化，不太明显的8-10年的长周期变化.而降水集中期的Mexican hat小波分析（图7），得出巢湖流域的降水集中期存在着较为明显的3-5年的短周期变化，不太明显的6-8年的较长周期变化.

图6 巢湖流域降水集中度的小波分析

图7 巢湖流域降水集中期的小波分析

3 降水集中期、集中度与洪涝灾害的关系

3.1 汛期降水与集中度和集中期的相关分析

采用合成分析法[11]，分别对巢湖流域1957-2006年年降水量最多和最少的前5年进行合成.多水年依次为1991年、1975年、1987年、1989年和1983年；少水年顺次为1978年、2001年、1966年、1965年和1958年.由多水年和少水年的平均PCD空间分布可知：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为0.26，其中最大值为0.32最小值为0.21；少水年的集中度平均为0.12，其中最大值为0.16最小值为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间分布类型较少水年简单.③多水年和少水年的降水集中度和集中期均呈正相关，相关系数为0.86，均可通过0.001的信度检验.④对多水年和少水年的降水集中度和集中期分别进行t检验，其结果均在0.10置信度下，均需要接受原假设即多水年和少水年的集中度和集中期不存在显著差异.

3.2 降水特殊年份的距平分析及其与降水集中期、集中度的关系

研究表明，当年内降水分配比较均匀时洪涝灾害不易发生[12-15].但是，在实际中总是出现一些降水特殊的年份，导致洪涝灾害的发生[16-18].如巢湖在1969年爆发的山洪灾害和1991年强降水导致的洪灾，1996年汛期和县与无为县爆发的洪涝灾害等[1].研究发现这些出现降水特殊情况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.进一步分析发现出现灾害的时段与降水集中度数值突增对应的时段一致，而降水集中期的出现稍有滞后性.在降水集中度较大的年份容易发生洪涝灾害，如1999年巢湖的降水集中度达到0.47，1998年的庐江降水集中度达到0.48.但是洪涝灾害的发生与降水集中期的关系更为明显，在降水集中度相似的年份，有些年份发生了比较严重的洪涝灾害,究其原因就是这些年份的降水集中期较为集中.

图6 距平百分比

4 结论

对巢湖流域年降水量采用以15 d为时长的降水集中期和集中度分析，并在小波分析的基础上得出降水集中期、集中度的震荡周期，最后探讨了降水集中期集中度与洪涝灾害的发生之间的关系.虽然与大流域的研究相比降水集中度的数值偏小，但是不同地区之间仍然存在着0.1以上的差值，所以对巢湖流域降水集中期集中度的研究仍然具有一定的意义.巢湖流域的降水集中期和集中度有明显的周期性特征，并且其周期有重叠部分，这部分与洪涝多发的年份也相对应.通过研究巢湖流域降水集中期与集中度之间的关系，获得了降水量分布的规律和趋势，对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与洪涝灾害之间的关系，可以为洪涝灾害的防治提供参考依据.

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（责任编辑 李健飞）

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

杨伟伟（1989-），女，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事洪涝灾害风险研究.