淮河流域降水集中度和集中指数年际变化分析

(河海大学 大禹学院，南京 210098)

1 研究背景

气候变暖不仅直接影响气温极值变化，而且导致高温干旱和暴雨洪涝等极端气候事件的发生频率与强度出现加剧的趋势，并将继续造成长远而巨大的影响[1]。在我国“南涝北旱”的气候格局下，关注地区降水集中度和集中指数对适应、减缓和应对气候变化，评估气候事件更具实际意义[2]。

近年来，我国学者在降水量时空变化方面做了许多研究，其中淮河流域降水量的时空变化和趋势分析也取得丰硕的成果。佘敦先等[3]分析了近50 a来淮河流域极端降水的时空变化及统计特征，李双双等[4]探究了1960—2013年淮河南北极端降水时空变化特征及其影响因素。但是，对该地区降水量的年内非均匀性情况及其年际变化的研究较少。Zhang等[5]定义了降水集中度 PCD(Precipitation Concentration Degree)和降水集中期PCP (Precipitation Concentration Period)。近年来许多学者利用此方法研究年内降水非均匀特征，并得出了有意义的结论，如杨玮等[6]、张录军等[7]、杨金虎等[8]、张运福等[9]、张天宇等[10]分别对青藏高原、长江流域、中国西北地区、东北地区和华北地区的降水集中度和集中期时空特征进行了分析。Oliver[11]在1980年定义了集中指数PCI(Precipitation Concentration Index)，PCI被其他学者广泛采用[12]。

本文根据淮河流域10个水文站1961—2015年的逐月降水量实测资料，研究了淮河流域降水集中度(C)的年际变化。并根据新引入的降水时段集中指数(I)的定义，研究淮河流域降水年内分布的非均匀性，分析淮河流域季节和月份集中指数的年际变化特征，为科学应对区域旱涝灾害、合理产业布局和水资源利用提供理论依据和实践参考。

2 研究区域概况

淮河干流发源于河南南部桐柏山，自西向东流经河南、安徽，入江苏境内洪泽湖。流域地处中国南北气候过渡带，属温带湿润季风气候区，夏热多雨，冬寒干燥。降水量年内分布不均，降水季节集中，6—8月份雨量占年降水量60%左右。6月中旬—7月上旬，流域进入梅雨季节，降雨多而范围广，容易造成流域性大洪水。降水年际变化很大，多雨年与少雨年的降水量比值可达3～5倍[13]。流域人口密集，居大江大河流域人口密度之首。工业、农业、交通运输都十分发达。随着区域人口密度不断增大，区域降水分配不均带来的压力将日益凸显。

研究区域内水文控制站为蚌埠水文站，位于淮河干流洪河河口下游处。

3 资料来源与研究方法

3.1 资料收集

本文收集了流域内气象站网1961—2015年间10个气象站(蚌埠、郑州、驻马店、信阳、亳州、霍山、东台、赣榆、徐州、兖州)的降水实测逐月资料。这些气象站点分布在安徽、河南、江苏和山东四省，地理位置分布较为均匀，可直接计算面平均雨量。

3.2 研究方法

本文采用年降水集中度和时段集中指数对淮河流域降水时间分布均匀性进行研究。集中度C能够很好反映水文事件年内的集中程度，而定义的集中指数I则用来描述水文事件具体各时段集中性大小[12-14]。相比于一般统计方法，集中指数和集中度更好反映年内分布特征及各个时段的集中程度。本文重点研究在一个较长时间序列内降水的变化趋势，因此在本研究定义集中度和集中指数时主要考虑降水量，而不是其他研究中常用的大于极端降水量的频次。

3.2.1 年降水量集中度(C)

年降水集中度[14-15]按照如下方式计算：①将各月(或旬、候) 降水量按各自特定的角度分解成为水平和垂直方向上的2个分量;②分别进行方向上的累加;③将2个分量之和的合成量占年降水量总和的比值定义为降水年内集中度。该集中度的取值区间为 0～1，值越大说明年内集中程度越高。若集中度为1，事件集中在年内的某一个月份;反之，若为0，事件在年内分布均匀。具体公式为

(1)

图1 向量夹角及全年每个月中代表的角度值Fig.1 Vector angle and the value of each month during one year

图1说明了降水量向量夹角及全年每个月中代表的角度值的具体分布情况。

3.2.2 降水量集中指数(I)

通过集中度了解年内降雨量集中程度，而进一步分析具体各时段的集中性大小。月集中指数I公式[16]为

In=(rn/rz-1/12)×100% 。

(2)

式中：rn为第n月降水量；rz为年降水量总和;rn/rz为第n月降水量占年总降水量的比率;1/12为假设降水量在均匀分布时的每月降水量比率。

I>0，表明该地区在该月内实际降水量大于年降水量平均分布强度，否则小于年降水量平均分布强度。且|I|越大，说明越偏离平均水平。

同理，也可以定义季节集中指数等。

4 结果分析

4.1 降水年集中度年际变化分析

取流域内位置分布较为均匀的蚌埠等10个站点1961—2015年的平均降水量资料，作为河流域面平均雨量，得到淮河流域55 a的降水年集中度序列。通过计算，得到1961—2015年淮河流域降水年集中度年际变化，如图2所示。由图2可见，淮河流域1961—2015年降水年集中度平均值为0.46，最大值为0.631(2009年)，最小值为0.228(2002年)。淮河流域年降水集中度呈波动型变化，且20世纪90年代以后，年际波动幅度明显增大，降水分布均匀年份和降水分布不均匀年份交替出现。降水年集中度变化倾向率为0.05/(100 a)，呈增大趋势，降水年内分布不均匀性增大。

图2 1961—2015年淮河流域降水年集中度年际变化Fig.2 Inter-annual variation of precipitation concentration degree in Huaihe River basin during 1961-2015

通过累积距平曲线(图3)，可看出淮河流域降水集中度55 a的总体变化趋势：1960—1990年较为稳定，1990—2015年的变化幅度很大，其中1990—2002年间呈明显的下降趋势，之后迅速升高。

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

4.2 降水年内分布不均匀性分析

表1为1961—2015年间淮河流域各月份平均集中指数统计计算结果。其中，5—9月份集中指数为正，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。降水月集中指数最大为7月份，平均月集中指数为14.21%，8月份和6月份次之。而最小为12月份，平均月集中指数仅为-6.26%。

1952—2012年间淮河流域各季节平均集中指数如图4所示。55 a中淮河流域夏季的平均集中指数最大，为27.10%。冬季最小，为-17.06%。春、秋季节的降水集中指数均为负，分别为-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、秋季节略低于年平均降水量。

图4 1952—2012年间淮河流域各季节平均集中指数Fig.4 Seasonal average concentration index in Huaihe River basin during 1952-2012

4.3 降水年内时段集中指数年际变化分析

4.3.1 月集中指数年际变化分析

表2中列出逐月集中指数正负、集中指数变化倾向率以及变化趋势(由于变化趋势很小，本研究中将MK趋势检验的置信度设定为70%，不通过检验即认为趋势不明显)。

表2 月集中指数变化趋势Table 2 Trends of monthly concentration index

注：-表示负值,+表示正值，/ 表示趋势不明显，↓表示呈减小趋势，↑表示呈增大趋势

12个月中，2月份和 4—11月份这9个月的集中指数通过了MK趋势检验，表现出明显的变化趋势。变化倾向率最大的是4月份(图5)，月集中指数变化倾向率达到了-4.7%/(100 a)，其次是8月份，变化倾向率是4.4%/(100 a)。

图5 4月份集中指数年际变化Fig.5 Inter-annual variation of concentration index in April

降水集中指数为正的月份中：5—8月份的降水集中指数增大趋势明显，9月份的集中指数呈减小趋势；降水集中指数为负的月份中，4月份和10月份呈减小趋势，11月份呈增大趋势，1-3月份和12月份这4个月的变化趋势未通过趋势检验。

从总体来看，月降水量高于年平均的5个月中，有4个月的降水集中指数仍显著增加，另外1个月变化趋势不明显。月降水量低于年平均的7个月中，有2个月的降水集中指数仍然呈减小趋势，1个月呈增大趋势，4个月的集中指数较为稳定。总体而言，月集中指数的年际变化仍然向着两极化方向发展，年内降水量分布的非均匀性不断加剧。

4.3.2 季节集中指数年际变化分析

分别作出1961—2015年淮河流域春、夏、秋、冬4个季节的集中指数年际变化图(图6)。计算表明，春季和秋季呈明显减小趋势，降水集中指数变化倾向率分别为-3.8%/(100 a)和-5.5%/(100 a)。21世纪以来，春季降水集中指数更是减小到几乎全部为负。夏季的降水集中指数呈现非常显著的增大趋势，变化倾向率为6.4%/(100 a)。2000年以前夏季集中指数平均值为26%，而2000—2016年的夏季集中指数平均值已增大为30%。冬季集中指数序列未通过趋势检验，降水集中指数的变化倾向率为1.96%/(100 a)。

图6 1961—2015年淮河流域降水季节集中指数Fig.6 Seasonal precipitation concentration index in Huaihe River basin during 1961-2015

图6和传统统计学方法得到的淮河流域降水量年代际距平百分率(表3)相吻合。具体地，春季的减小和夏季的增大在2000s以后表征得尤为明显，春季的降水量距平百分率从5.71%降到了-12.84%，而夏季则从-0.97%增大到了13.31%。

表3 淮河流域降水量年代际距平百分率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%，远高于全年平均，在此情况下，夏季集中指数增大趋势明显。而春季和秋季的降水量低于全年平均水平，降水集中指数呈显著的减小趋势。可以得出与月份降水集中指数变化相似的结论：季节集中指数的年际变化趋势加剧淮河流域降水量年内分布的不均匀性，呈现“干愈干，湿愈湿”的时相变化特征，容易引发洪水的发生，给流域的水量调蓄带来了挑战。

5 结 论

本文通过定义的降水集中度和时段降水集中指数，得出如下结论：

(1)1961—2015年间，淮河流域年降水集中度呈波动型变化，且1990年以后年际波动性更加明显。降水年集中度变化倾向率为0.05/(100 a)，呈增大趋势，即降水年内时段分布不均匀性增大。

(2)5—8月份和11月份的降水集中指数呈增大趋势， 4月份、9月份和10月份的降水集中指数呈减小趋势，其他月份的降水集中指数变化趋势不显著。春季和秋季的降水集中指数呈减小趋势，夏季的降水集中指数呈增大趋势，降水集中指数的变化倾向率分别为-3.8%/(100 a)、-5.5%/(100 a)和6.4%/(100 a)。冬季的降水集中指数未通过趋势检验，认为相对稳定。多数平均降水集中指数为正的月份仍然呈增大趋势，多数平均降水集中指数为负的月份仍然呈减小趋势，只有2个月的变化趋势相反。季节降水集中指数的变化和月份类似，平均为负的春季和秋季降水集中指数呈减小趋势，平均为正的夏季降水集中指数呈明显的增大趋势。

总体而言，淮河流域年内月和季节的降水集中指数变化趋势加剧降水分布的两极化，表现出“干愈干，湿愈湿”的年际变化特征。