巢湖流域年降水集中程度與洪澇災(zāi)害關(guān)系研究

楊偉偉

（安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003）

巢湖流域年降水集中程度與洪澇災(zāi)害關(guān)系研究

楊偉偉

（安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003）

為了研究降水集中期和集中度與洪澇災(zāi)害之間的關(guān)系，對(duì)巢湖流域9個(gè)市縣1957-2006年的年降水量進(jìn)行分析，并對(duì)巢湖流域的逐日降水量采用15 d為時(shí)長(zhǎng)的降水集中期和集中度分析，再結(jié)合小波分析找出降水集中度和集中期的震蕩周期,最后分析了巢湖流域降水集中期和集中度與洪澇災(zāi)害之間的關(guān)系.結(jié)果表明：降水集中度和集中期能夠定量地表征降水量在時(shí)空?qǐng)錾系姆蔷鶆蛐?提取出最大降水重心對(duì)應(yīng)的時(shí)段;旱澇災(zāi)害發(fā)生的基本特征及其形成機(jī)制;巢湖流域的降水集中度、集中期與巢湖流域洪澇災(zāi)害之間存在著比較密切的聯(lián)系.旨在為巢湖流域洪澇災(zāi)害防治工作提供參考依據(jù).

降水集中度；降水集中期；洪澇災(zāi)害

0 引言

巢湖流域的氣象災(zāi)害較多，主要有洪澇、干旱、冰雹、寒潮、連陰雨等，其中尤以洪澇災(zāi)害危害最為嚴(yán)重，每年所造成的災(zāi)害損失也是最為嚴(yán)重的[1].對(duì)于降水集中期和集中度的研究已經(jīng)有很多，并且大多數(shù)的研究都分析了降水的集中程度[2，3].王紀(jì)軍[4]等利用河南省49個(gè)站臺(tái)1957-2005年逐侯降水資料，運(yùn)用降水集中度和集中期分析了河南省降水時(shí)空分布特征和變化規(guī)律，得出降水集中度和集中期能夠定量地表征降水量在時(shí)空?qǐng)錾系姆蔷恍?戴廷仁[5]等對(duì)遼寧省的降水集中度集中期研究,認(rèn)為遼寧省的年降水集中度和汛期降水集中度均呈減少的趨勢(shì)，汛期降水集中度減小的趨勢(shì)明顯.且多水年的降水集中度明顯比少水年的偏大，多水年的降水集中度分布較少水年復(fù)雜.姜愛軍[6]等基于日降水序列提出一種度量不同強(qiáng)度降水過(guò)程時(shí)空集中程度的指標(biāo)，根據(jù)中國(guó)740個(gè)氣象站逐日降水資料研究分析了中國(guó)降水過(guò)程集中度和集中期及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)特征，結(jié)果表明暴雨過(guò)程年內(nèi)集中度與年降水量正相關(guān)區(qū)與中國(guó)降水的空降分布有很好的一致性.然而對(duì)于中小流域分析其降水集中程度和與洪澇災(zāi)害之間關(guān)系的比較少[7].

筆者采用降水集中度和集中期的概念，以15 d為時(shí)長(zhǎng)，以巢湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在采用了Mexican hat小波分析和距平分析的基礎(chǔ)上，討論巢湖流域的降水集中度和集中期在時(shí)空分布上的特征與聯(lián)系及其與洪澇災(zāi)害發(fā)生之間的關(guān)系，提出了一些變化規(guī)律.

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖流域位于安徽省中部，地理緯度大致為東經(jīng)116°24′30″-118°0′0″、北緯30°58′40″-32°6′0″內(nèi)，處于長(zhǎng)江、淮河兩大水系中間，屬于長(zhǎng)江下游左岸水系，東南瀕臨長(zhǎng)江，西接大別山山脈，北依江淮分水嶺，東北鄰滁河流域，流域面積13 486 km2[8].

通過(guò)統(tǒng)計(jì)的年降水量分布折線圖（圖1），發(fā)現(xiàn)巢湖流域多年平均雨量在500-1 800 mm之間，平均值為1 050 mm.各市、縣（區(qū)）由于所處緯度非常接近年降水量總體空間分布比較均勻，且各市、縣（區(qū)）年降水量分布除去特殊年份的降水量分布特征非常相似.這樣在研究過(guò)程中就可以分為從流域降水集中度情況和特殊年份這兩方面進(jìn)行降水量特征分析.筆者選取了原巢湖地區(qū)、合肥和廬江與全流域的降水集中度進(jìn)行了對(duì)比研究.希望通過(guò)典型縣（市）與全流域的對(duì)比更清晰的得出巢湖流域降水集中程度的特征，并比較流域部分地區(qū)與全流域在降水分布上的異同.

圖1 巢湖流域年降水量

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在文獻(xiàn)原理基礎(chǔ)上，提出一種同時(shí)提取不同強(qiáng)度降水過(guò)程在過(guò)程內(nèi)和年內(nèi)非均勻分布特真的方法，并利用安徽氣象中心氣象資料室提供的1956-2006年巢湖流域9個(gè)站逐日降水資料，對(duì)流域的降水集中度和集中期進(jìn)行研究，進(jìn)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）

對(duì)于單站降水量時(shí)間分配特征的新參數(shù)：降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義如下[9]：

其中

Rt為某測(cè)站研究時(shí)段內(nèi)總降水量，rtj為研究時(shí)段內(nèi)某時(shí)序內(nèi)降水量，θj為研究時(shí)段內(nèi)各時(shí)序?qū)?yīng)的方位角（整個(gè)研究時(shí)段的方位角設(shè)為360度）.其中i為年份（i=1957,1958，…，2006），j為研究時(shí)段內(nèi)的時(shí)序（j= 1，2，…，24）.

1.3.2 降水集中度與集中期的小波分析筆者選取的小波分析函數(shù)為墨西哥帽小波函數(shù)（Mexican hat）[10]

它是高斯函數(shù)exp（-t2/2）的二階導(dǎo)數(shù)的負(fù)值.由φ（t）導(dǎo)出的小波函數(shù)為：

對(duì)時(shí)間函數(shù)f（t）定義其小波變換的小波系數(shù)Wf和整體小波功率譜Wsf分別為[11]：

式中a，b為實(shí)數(shù)，a為伸縮系數(shù)且a>0，也叫做小波尺度.從式（4）可知，a越大，小波函數(shù)Φa,b（t）的支集越大，越大值越小.B為平移因子，反應(yīng)小波變換對(duì)時(shí)間函數(shù)f（t）的關(guān)注點(diǎn).式（5）為小波系數(shù)的定義式，它反映出信號(hào)在時(shí)間局部區(qū)域上的頻率特征，而傳統(tǒng)的Fourier分析只能反映信號(hào)的整體特征.式（6）反映信號(hào)在時(shí)間域的整體特征，類似于功率譜分析，利用它可以確定一個(gè)時(shí)間序列中存在的主要周期.

圖2 巢湖年降水量集中期、集中度

2 結(jié)果與分析

2.1 巢湖流域降水集中期與集中度

通過(guò)合肥、巢湖、廬江和全流域的降水集中期和降水集中度分析看出，降水集中度的總體數(shù)值都比較小，集中在0-0.3之間，表明絕大多數(shù)年份降水量分布都比較均勻.合肥在1993年降水集中度出現(xiàn)最大值，巢湖在1999年的降水集中度數(shù)值最大，表明在這些年內(nèi)降水量非常集中，而且從全流域降水集中度的分布趨勢(shì)來(lái)看，除去特殊年份的差距比較大之外，總體趨勢(shì)非常相似.降水集中期有明顯的相似性，都集中在一年內(nèi)以15 d為時(shí)間間隔的1-5和18-23時(shí)間段，對(duì)應(yīng)到一年內(nèi)的3，4，5月份與9，10，11月份.在降水集中度分布比較均勻，降水集中期分布時(shí)段集中的情況下，降水在年內(nèi)分配上就出現(xiàn)明顯的汛期，即對(duì)應(yīng)的降水集中期分布比較集中的時(shí)段.

由圖中可以看到全流域降水集中度總體有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，集中度無(wú)明顯變化.巢湖降水集中期出現(xiàn)最早的是1967年，出現(xiàn)在1月中旬，最晚出現(xiàn)在1966年出現(xiàn)在12月下旬.合肥最早出現(xiàn)在1977年，出現(xiàn)在1月上旬，最晚出現(xiàn)在1971年，出現(xiàn)在12月下旬.廬江最早出現(xiàn)在2000年，出現(xiàn)1月上旬，最晚的是1997年，出現(xiàn)在12月中旬.全流域集中期最早出現(xiàn)在1978年，出現(xiàn)在1月下旬，最晚是1998年，出現(xiàn)在12月上旬.

圖3 合肥年降水量集中期、集中度

圖4 廬江縣年降水量集中期、集中度

圖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

對(duì)巢湖流域的降水集中期和降水集中度進(jìn)行Mexican hat小波分析，得到降水集中期和集中度的震蕩周期.由圖6可以看到巢湖流域的降水集中度有較為明顯的4-6年的短周期變化，不太明顯的8-10年的長(zhǎng)周期變化.而降水集中期的Mexican hat小波分析（圖7），得出巢湖流域的降水集中期存在著較為明顯的3-5年的短周期變化，不太明顯的6-8年的較長(zhǎng)周期變化.

圖6 巢湖流域降水集中度的小波分析

圖7 巢湖流域降水集中期的小波分析

3 降水集中期、集中度與洪澇災(zāi)害的關(guān)系

3.1 汛期降水與集中度和集中期的相關(guān)分析

采用合成分析法[11]，分別對(duì)巢湖流域1957-2006年年降水量最多和最少的前5年進(jìn)行合成.多水年依次為1991年、1975年、1987年、1989年和1983年；少水年順次為1978年、2001年、1966年、1965年和1958年.由多水年和少水年的平均PCD空間分布可知：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為0.26，其中最大值為0.32最小值為0.21；少水年的集中度平均為0.12，其中最大值為0.16最小值為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間分布類型較少水年簡(jiǎn)單.③多水年和少水年的降水集中度和集中期均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.86，均可通過(guò)0.001的信度檢驗(yàn).④對(duì)多水年和少水年的降水集中度和集中期分別進(jìn)行t檢驗(yàn)，其結(jié)果均在0.10置信度下，均需要接受原假設(shè)即多水年和少水年的集中度和集中期不存在顯著差異.

3.2 降水特殊年份的距平分析及其與降水集中期、集中度的關(guān)系

研究表明，當(dāng)年內(nèi)降水分配比較均勻時(shí)洪澇災(zāi)害不易發(fā)生[12-15].但是，在實(shí)際中總是出現(xiàn)一些降水特殊的年份，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生[16-18].如巢湖在1969年爆發(fā)的山洪災(zāi)害和1991年強(qiáng)降水導(dǎo)致的洪災(zāi)，1996年汛期和縣與無(wú)為縣爆發(fā)的洪澇災(zāi)害等[1].研究發(fā)現(xiàn)這些出現(xiàn)降水特殊情況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.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)災(zāi)害的時(shí)段與降水集中度數(shù)值突增對(duì)應(yīng)的時(shí)段一致，而降水集中期的出現(xiàn)稍有滯后性.在降水集中度較大的年份容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，如1999年巢湖的降水集中度達(dá)到0.47，1998年的廬江降水集中度達(dá)到0.48.但是洪澇災(zāi)害的發(fā)生與降水集中期的關(guān)系更為明顯，在降水集中度相似的年份，有些年份發(fā)生了比較嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,究其原因就是這些年份的降水集中期較為集中.

圖6 距平百分比

4 結(jié)論

對(duì)巢湖流域年降水量采用以15 d為時(shí)長(zhǎng)的降水集中期和集中度分析，并在小波分析的基礎(chǔ)上得出降水集中期、集中度的震蕩周期，最后探討了降水集中期集中度與洪澇災(zāi)害的發(fā)生之間的關(guān)系.雖然與大流域的研究相比降水集中度的數(shù)值偏小，但是不同地區(qū)之間仍然存在著0.1以上的差值，所以對(duì)巢湖流域降水集中期集中度的研究仍然具有一定的意義.巢湖流域的降水集中期和集中度有明顯的周期性特征，并且其周期有重疊部分，這部分與洪澇多發(fā)的年份也相對(duì)應(yīng).通過(guò)研究巢湖流域降水集中期與集中度之間的關(guān)系，獲得了降水量分布的規(guī)律和趨勢(shì)，對(duì)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與洪澇災(zāi)害之間的關(guān)系，可以為洪澇災(zāi)害的防治提供參考依據(jù).

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（責(zé)任編輯 李健飛）

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

楊偉偉（1989-），女，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究.