近60年淮河流域子流域面雨量气候特征分析

王东勇 安晶晶 王皓 靳莉莉 童金 王根

（安徽省气象台，合肥 230031）

0 引言

淮河是我国七大江河流域面积较小的河流，其地理位置位于南北气候过渡带，气候条件复杂。淮河流域位于111°55′—121°20′E，30°55′—36°20′N，西起桐柏山、伏牛山，东邻黄海，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河和如泰运河南堤与长江流域分界，北以黄河南堤和沂蒙山脉与黄河流域毗邻，流域面积27 万km2。流域内以废黄河为界，分为淮河和沂沭泗河两大水系，面积分别为19 万和8 万km2。淮河干流发源于桐柏山区，流经河南、安徽、江苏，在三江营流入长江，洪河口以上为上游，洪河口以下到洪泽湖出口中渡为中游，中渡以下为下游入江水道。沂沭泗河水系发源于沂蒙山，由沂河、沭河、泗河组成。

受东亚季风活动影响，淮河流域极易发生大范围洪涝灾害，平均2～3年发生一次。近十几年来众多学者[1-30]开展了淮河流域暴雨和洪涝气候特征分析研究，基于气候态分析得出，淮河流域极端降水呈增多趋势，发生极端性洪水的风险在加大。2003年、2005年淮河大水之后，陶诗言等[31]对2007年梅雨锋降水进行了大尺度特征分析。赵思雄等[32]对2007年淮河流域致洪暴雨进行了中尺度系统特征分析。

面雨量是经典的水文学概念，它是指某一时段内一定面积上的平均雨量，因其能客观反映降水对确定流域的影响，故其是洪水预报的重要参数。21世纪以来气象工作者一直关注面雨量的分析与应用研究[33-39]，如徐晶等[33]对比了一些计算方案，其中较为常用的有泰森多边形法和算术平均法。基于流域面雨量分析子流域气候特征的研究相关文献报道较少[40-41]。开展淮河流域面雨量研究各子流域极端降水气候特征，有助于提高流域面雨量预报水平，为有效开展流域防汛提供科学依据。

1 流域子流域划分和资料

1.1 淮河流域子流域划分

面雨量这一概念的由来，是为了水文模型计算水量，根据淮河流域汇流特点，这里将子流域的划分与水文控制站相对应，如淮河干流息县有一个重要水文控制站，根据高程信息，划分出淮河上游大坡岭到息县为一子流域，息县水文站水位与该子流域面雨量直接相关。同样原理将淮河流域划分为15个子流域，其中淮河水系10个子流域（标记为“1～10”），沂沭泗水系5个子流域（标记为“11～15”），见图1。流域内山丘区面积约占1/3，平原面积约占2/3。从不同坡度可以看出，流域西部为伏牛山区（子流域5）、桐柏山区（子流域1、2、3）和西南部大别山区（子流域4、7），东北部为沂蒙山区（子流域12、13），其余为广阔平原（子流域6、8、9、10、11、14、15）。

图1 淮河流域15个子流域划分及坡度Fig. 1 Division of fifteen sub-basins over Huaihe River basin and slope

1.2 资料来源

地面降水观测资料采用国家气象信息中心提供的淮河流域全部常规气象站逐日降水（20—20时）观测整编资料，时间段为1960—2018年。在淮河流域172个国家级气象站中，1960年后观测资料较为完整，各年份站点数见表1。此172个台站在流域15片区内分布较均匀，特别是洪汝河上游、淮河上游、大别山区及沂沭河上游等小片区内台站建站早、数据完整度高、站点数分布合理，具有较强代表性，所以各子流域面雨量可采用算术平均法。

表1 各年份站点数一览Table 1 list of rainfall stations in each year

2 淮河流域各子流域面雨量分布特征

2.1 年累计面雨量和主汛期面雨量特征分析

图2给出了1960—2018年近60年各区面雨量年均值分布。有5个子流域面雨量均值超过1000 mm，分别是4区史河流域1150 mm，7区淠河流域及颍河下游、淮干1105 mm，1区淮河上游大坡岭到息县1076 mm，2区淮河上游息县到王家坝区间1046 mm，10区洪泽湖以下、淮河下游1005 mm。此5个子流域全部位于流域南部，而流域正北部15区南四湖地区最小，仅为681 mm，也是唯一少于700 mm的区域。图2这一分布与各区所处纬度呈显著负相关。对比前30年（1960—1989年）和后29年（1990—2018年）各区面雨量年均值以及主汛期面雨量得到，虽然各区数值略有变化，但总体分布形势没有显著变化，见图3。全年来看15个子流域有11个增多或略有增多，4个减少或略有减少，减少的各区分别位于流域上游的1、3、5区和12区沭河上游。对比图3a和3b，前后有子流域5、11和14，汛期和全年变化不一致，但变化量并不大。

图2 1960—2018年淮河流域年均总面降水量分布（单位：mm）Fig. 2 Distribution of total annual area rainfall in the Huaihe River basin from 1960 to 2018 (unit: mm)

图3 各子流域年面雨量均值和主汛期面雨量对比图Fig. 3 Comparison of mean annual area rainfall and main flood season from June to September in each sub-basins

对比图4主汛期（6—9月）面雨量，分布略有不同，超过600 mm的子流域分别是4区、10区、11区、1区和7区，最少的5区448 mm位于流域西北部。总体来看呈现东南向西北逐渐递减。

图4 1960—2018年6—9月主汛期淮河流域年均面降水量分布（单位：mm）Fig. 4 Annual average area rainfall distribution of Huaihe River basin in the main flood season from June to September, 1960 to 2018 (unit: mm)

由汛期降水占全年降水比值可知，超过70%的4个子流域（12～15区）全部位于流域北部的沂沭泗地区。与此相反，汛期降水占全年降水比值少于60%的1、2、4、7区全部位于桐柏山区和大别山区。流域西南全年降水分布较均匀，而东北部沂沭泗地区全年降水主要集中在主汛期6—9月。

2.2 各子流域月面雨量特征及降水峰值时间分布

图5给出了各子流域面雨量逐月分布。全部15个区均是7月降水最多，其次是8月，仅2区淮河上游息县至王家坝区间和7区淠河和颍河下游6月为次多。即淮河流域多数各区降水集中在7—8月，其次是6月。

为进一步分析各子流域的降水集中时段，图6给出了6—9月（淮河流域汛期）5 d滑动累计面雨量时序变化。由图6可知，淮河水系的各子流域主要降水时间均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水开始略晚一些，大约在6月底前后。对比各子流域出现降水峰值时间，可得到整个流域降水峰值发生在6月底至7月下旬初，表现为峰值时间较长的单峰型。而各子流域峰值型与出现时间也有所差异。子流域淮河水系1～9区，降水峰值时间分布与全流域均值相近，峰值持续时间较长，大约持续1个月。而在10区淮河下游，表现峰值较窄，强降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值较高，但持续时间略短，大约15 d左右。而流域北部，降水峰值略晚于南部，特别是流域东北部12区沭河上游、13区沂河上游，出现了显著的双峰形态，分别为7月上旬至7月底和8月中旬前后。这一特征与流域其他区域差异显著。对比各子流域5 d降水量滑动累计均值可知，子流域2区、4区、7区、10～14区降水峰值显著高于流域平均值，这些区域多数是流域南部和东北部山区，只有5区，颍河上游显著低于全流域平均值。

图5 1960—2018年1—12月各子流域面雨量分布Fig. 5 Area rainfall distribution of each drainage basin from January to December, 1960 to 2018

图6 1960—2018年淮河流域各子流域5 d降水量滑动累计平均Fig. 6 5-days rainfall moving cumulative average of each sub basin of Huaihe River Basin from 1960 to 2018

图7 逐年各子流域5 d滑动降水量超过100 mm次数分布Fig. 7 Distribution of more than 100 mm times of 5-days moving rainfall in each sub basin year by year

3 淮河流域各子流域面雨量极端降水分布特征

为了研究各子流域极端降水情况，文中统计了逐年各子流域5 d滑动降水面雨量超过100 mm的次数，见图7。近60年中出现频次最高的是1区淮河上游大坡岭至息县，共计108次，每年约1.8次，其次是2区、4区每年达到1.6次，12区沭河上游每年达到1.5次。与前3名相比，沭河上游所有超过100 mm的过程全部集中在6—9月，而其他三区每年有约0.3 次超过100 mm的过程发生在非汛期。即这3个子流域在非汛期，特别是5月和10月也有发生极端降水的可能。发生频次最低的是8区涡河及淮河中游、淮干，每年仅有约0.6次，且全部集中发生在6—9月。下面给出了各流域历史过程降水量排名前5名的统计数据，见表2。

对比淮河干流王家坝水文站近60年排名第一的水位发生在1968年7月16日，为30.35 m，由表2可知，此次洪水主要发生在淮河干流上游1区、2区和4区，流域其他区域降水不明显，表明是一次区域性大洪水。而王家坝水文站近60年排名第二的水位发生在2007年7月11日，为29.59 m，由全流域性降水造成，特别是由上游降雨叠加中下游高水位顶托引起。中下游子流域9区面雨量排名第2。1991年7月11日淮河中游正阳关水位26.52 m，为近60年来排名第三。对比表2，子流域7区和10区都出现了近60年面雨量第1位，正阳关的高水位由全流域强降水引起，特别是由淮河下游和淮河山区强降水造成。由表2可分析出导致沂沭泗最大洪水归因于1974年8月13—14日沂沭上游、下游同时出现了极端强降水。此外由表2可进一步得出，强降水出现时间主要集中在6月中下旬至7月，即淮河流域主汛期，如1968、1991、2003、2005、2007年等。而也有少数强降水极值出现在8月，甚至延伸至9月，此种情况多数是由汛后台风或台风低压引起的强降水导致的，如3区洪汝河上游降水量为544.4 mm、5区颍河上游为249.4 mm，由台风“妮娜（1975）”减弱后的低压引发。从强降水出现的时间来看，除了需要关注汛期持续强降水以外，同时也要关注汛后台风及台风低压的影响。

从极端降水风险来看，图8给出了 1960—2018年各子流域5 d滑动降水最大值分布。大部分极值超过200 mm，超过300 mm的区域主要位于淮河上游1～4区，淮河上游、洪汝河上游、史河流域，沂河和沭河流域也有300 mm左右极值区，最大沭河上游达到394.7 mm。从风险高发区域来看，气象服务重点需要关注流域西部伏牛山区、西南部大别山区、桐柏山区及流域东北部沂蒙山区。

表2 P1～P15流域历史过程降水量前5名时间及降水量（单位：mm）Table 2 Top 5 time and rainfall of historical process rain in p1—p15 Basin (unit: mm)

图8 1960—2018年各子流域5 d滑动降水量最大值分布Fig. 8 Distribution of maximum value of 5-days moving rainfall in each sub basin from 1960 to 2018

4 结论与展望

通过统计与分析淮河流域各子流域降水面雨量不同时间尺度的特征，文中主要结论如下。

1）淮河流域各子流域年降水量分布与各区所处纬度呈显著负相关，而主汛期降水量表现为自东南向西北逐渐递减，从年代变化来看，流域内大部分（11个区）降水略呈增多趋势，但并不显著。

2）淮河流域各子流域降水最集中期多数在7—8月，仅流域西南部少数区集中在6—7月。从降水峰值开始时间分析，淮河水系的各子流域主要降水时间均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水开始略晚一些，大约在6月底前后。

3）子流域淮河水系1～9区，降水峰值时间分布与全流域均值接近，峰值持续时间较长，大约1个月左右。而在10区淮河下游，降水峰值较窄，强降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值较高，但持续时间大约仅15 d左右。流域北部，降水峰值略晚于南部，特别是区域东北部12区沭河上游、13区沂河上游，出现了显著的双峰形态。

4）5 d面雨量超过100 mm的次数，出现频次最高的是1区淮河上游大坡岭至息县，每年约1.8次，其次是2区、4区每年达到1.6次，另外在12区沭河上游每年达到1.5次。

5）5 d面雨量极值主要由汛期集中强降水和汛后台风暴雨引起，同时它与局地洪水过程存在很好的对应关系，高风险区域位于伏牛山区、桐柏山区、大别山区以及沂蒙山区。

文中以淮河流域所有雨量站近60年逐日降水观测资料为基础，分析了淮河流域面雨量气候特征等，得到了较多有益的结论，如5 d累积面雨量与历史资料对比分析，它与历史资料的极值资料的排序，可以初步分析它将带来的影响，这一指标可应用于实际业务预报中。后期将基于大气再分析、数值天气预报模式资料和卫星反演降水等资料开展淮河流域降水产生机理等研究，并基于格点资料得出较多区域特征信息，以更好地开展公共气象服务，服务于民生。