1961-2011年黃淮海地區(qū)極端降水時空變化特征*

尹 軍，楊志勇，袁 喆，袁 勇

(中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100038)

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1961-2011年黃淮海地區(qū)極端降水時空變化特征*

尹 軍，楊志勇，袁 喆，袁 勇

(中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100038)

基于ArcGIS平臺，分析了黃淮海地區(qū)1961-2011年最大1 d、3 d和5 d降雨的時空變化特征，同時利用Pearson-III分布對其進(jìn)行擬合，對比1985年前后10年一遇和50年一遇最大1 d、3 d和5 d降雨的變化情況。研究結(jié)果表明：1961-2011年黃淮海地區(qū)最大1 d、3 d及5 d降水整體有下降趨勢，1995年后下降趨勢更為明顯；海河流域極端降水量下降幅度較大，洪澇災(zāi)害風(fēng)險近年來有降低趨勢；淮河流域整體上存在上升趨勢，但2005年后出現(xiàn)下降趨勢，整體上洪澇風(fēng)險有加劇趨勢。

黃淮海地區(qū)；極端降水；時空變化；洪澇災(zāi)害

在以增溫為主要特征的全球氣候變化背景下，水循環(huán)速率加快，水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，極端天氣氣候事件，特別是極端降水事件，呈現(xiàn)出增加的趨勢[1-3]。由此所引發(fā)的干旱、洪澇等自然災(zāi)害表現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢，降低了區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性，約束了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-6]。中國是世界上受氣候?yàn)?zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，氣象災(zāi)害每年損失占整個自然災(zāi)害損失的70%左右，直接經(jīng)濟(jì)損失占國民生產(chǎn)總值的3%～6%。其中，黃淮海地區(qū)作為我國重要工業(yè)、糧食生產(chǎn)基地，洪澇災(zāi)害風(fēng)險尤為嚴(yán)峻。由于極端降雨事件可能引發(fā)洪水[7]，因此進(jìn)行未來氣候背景下極端降水變化規(guī)律研究對黃淮海地區(qū)洪水管理和風(fēng)險評價具有重要意義。

最大多日降水變化規(guī)律分析是極端降水事件評估的關(guān)鍵[8]，因此本次研究選取最大1 d、3 d、5 d降水來表征區(qū)域極端降水，采用GIS技術(shù)和時間序列分析方法分析其時空變化特征，并進(jìn)一步對比1985年前后重現(xiàn)期10年和50年的最大1 d、3 d和5 d降水量的變化?；谏鲜鲋笖?shù)和數(shù)據(jù)，本文擬對黃淮海地區(qū)近幾十年來極端降雨時空變化特征進(jìn)行分析，為研究區(qū)洪水管理和風(fēng)險評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

黃淮海地區(qū)是中國黃河流域、淮河流域和海河流域的總稱，包括北京、天津、山東、河北、河南、江蘇、安徽、湖北、遼寧、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、山西、四川等2個直轄市、12個省、2個自治區(qū)，面積約143.3萬km2，位于95°53′～122°60′E，32°10′～43°N之間，包含59個水資源三級區(qū)(圖1和圖2)。黃淮海地區(qū)跨越季風(fēng)氣候區(qū)、干旱氣候區(qū)和高地氣候區(qū)，多年平均降水量為556.0 mm?？?cè)丝?.55億，人口稠密，GDP約占全國GDP的三分之一，是我國政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心所在地。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

實(shí)測降水資料源于中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)(2 474個國家級地面氣象站)，從中選取具有連續(xù)降水觀測數(shù)據(jù)系列(1961年1月-2011年12月)且在黃淮海地區(qū)四鄰點(diǎn)范圍內(nèi)的氣象站點(diǎn)實(shí)際觀測降水資料作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，累計(jì)有1 109個站點(diǎn)被選取(圖1)。利用氣象站點(diǎn)逐日降水觀測數(shù)據(jù)，生成含有日降水量信息的點(diǎn)矢量圖，選取IDW法(Inversed Distance Weighted Method)[9]進(jìn)行空間插值，生成含有日降水量信息、空間分辨率為5 km×5 km的柵格(GRID)圖。在此基礎(chǔ)上分析黃淮海地區(qū)最大1 d、最大3 d和最大5 d降雨量。

圖1 黃淮海地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖

圖2 黃淮海地區(qū)水資源三級區(qū)分布圖

2.2 空間趨勢分析

研究采用一元線性回歸法，分析黃淮海地區(qū)最大1 d、3 d、5 d降雨變化傾向率，其公式具體如下：

(1)

式中：Slope是趨勢線的斜率；i為年份序號，此處為1～51；n為時間序列長度，此處為51；Ki表示第i年的統(tǒng)計(jì)量[10]。

同時采用肯德爾(Kendall)秩相關(guān)檢驗(yàn)法對時間序列的趨勢性進(jìn)行檢驗(yàn)，構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U：

(2)

2.3 重現(xiàn)期降水

重現(xiàn)期降水的計(jì)算是水利水電工程設(shè)計(jì)洪水推算中的一個重要參數(shù)，也是研究極值分布規(guī)律的一個重要目的[12]。由于Pearson-III分布(以下簡稱P-III分布)具有廣泛的概括和模擬能力，在氣象上常用來擬合年、月的極值分布[13]，因此，本次研究選用P-III分布來擬合黃淮海地區(qū)各單元格年最大1 d、3 d、5 d降雨序列。其中，P-III分布的概率密度函數(shù)和保證率分布函數(shù)分別為：

(3)

(4)

式中：參數(shù)x0(單位：mm)為隨機(jī)變量x所能取的最小值，α稱為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，Г(α)是α的伽瑪函數(shù)，3個參數(shù)可通過矩法計(jì)算得到[14]。利用已確定的P-III概率分布，可推求不同重現(xiàn)期(此處取T=10和T=50)年最大1 d、3 d和5 d降水量。

3 結(jié)果與討論

3.1 黃淮海地區(qū)多年平均最大1 d、3 d、5 d降水時空變化趨勢

1961-2011年黃淮海地區(qū)最大1d、3d及5d降水整體有下降趨勢，在經(jīng)歷了1985-1995年間的明顯上升后，1995年至今下降幅度較大。海河流域下降趨勢較為明顯, 1961-2011年期間，最大1d、3d及5d降水量變化傾向率分別為-1.49mm/10年、-3.56mm/10年和-4.33mm/10年；黃河流域最大1d、3d降水無明顯變化趨勢，最大5d降水下降幅度相對較大，其變化傾向率為-0.85mm/10年；淮河流域最大1d、3d及5d降水在1961-2011年間整體上有上升趨勢，且在1990年代以后處于一個較高的水平，1990年以后多年平均最大1d、3d及5d降水量相對于1990年前分別增加7.6%、8.4%和9.75%，但在2005年后有一定的下降趨勢(圖3)。

黃淮海地區(qū)多年平均最大1d、3d、5d降水量在空間上整體呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，東南和西北地區(qū)差值較大。黃淮海地區(qū)多年平均最大1d、3d和5d降水量減少和增加的籠罩面積依次增加。海河流域極端降水量整體上呈減少趨勢，淮河流域極端降水量整體上呈增加趨勢(圖4)。

灤河流域多年平均最大1d降水量減少幅度較大，減少幅度<-3.5mm/10年，其中北三河山區(qū)大部分地區(qū)、永定河冊田水庫至三家店區(qū)間東部、大清河山區(qū)北部、大清河淀西平原北部、大清河淀東平原北部和北四河下游平原西部地區(qū)最大1d降水量減少通過顯著性檢驗(yàn)；海河流域北部和中部、王家壩以上北岸和王家壩以上南岸地區(qū)多年平均3d降水量減少幅度較大，減少幅度<-3.5mm/10年，其中灤河平原及冀東沿海諸河、北三河山區(qū)、永定河冊田水庫至三家店區(qū)間、北四河下游平原地區(qū)以及大夏河與洮河南部地區(qū)最大3d降水量減少通過顯著性檢驗(yàn)；海河流域大部分地區(qū)、王家壩以上北岸和王家壩以上南岸地區(qū)多年平均最大5d降水量減少幅度較大，減少幅度<-3.5mm/10年，與最大3d降水量變化趨勢一致，灤河平原及冀東沿海諸河、北三河山區(qū)、永定河冊田水庫至三家店區(qū)間、北四河下游平原地區(qū)以及大夏河與洮河南部地區(qū)多年平均最大5d降水量減少通過顯著性檢驗(yàn)。

圖3 黃淮海地區(qū)1961-2011年最大1 d、3 d、5 d降水量變化趨勢

圖4 黃淮海地區(qū)多年平均最大1 d、3 d、5 d降水時空變化趨勢

大汶河中部地區(qū)和王蚌區(qū)間南岸南部地區(qū)多年平均最大1d降水量增加幅度較大，增加幅度>3.5mm/10年，大汶河中部地區(qū)增加趨勢通過顯著性檢驗(yàn)；膠東諸河?xùn)|部、大汶河中部及王蚌區(qū)間北岸地區(qū)多年平均最大3d降水量增加幅度較大，增加幅度>3.5mm/10年，但僅有膠東諸河西北角小部分地區(qū)的增加趨勢通過了顯著性檢驗(yàn)；膠東諸河?xùn)|部、王蚌區(qū)間北岸、高天區(qū)及蚌洪區(qū)間南岸地區(qū)多年平均最大5d降水量增加幅度較大，增加幅度>3.5mm/10年，但僅有王蚌區(qū)間北岸中部小部分地區(qū)增加趨勢通過了顯著性檢驗(yàn)。

3.2 黃淮海地區(qū)不同重現(xiàn)期下最大1 d、3 d、5 d降水時空變化趨勢

利用Pearson-III分布對黃淮海地區(qū)1961-1985年時段和1986-2011年時段每個柵格最大1d、3d、5d降水量分別進(jìn)行擬合，推求重現(xiàn)期10年和50年的最大1d、3d和5d降水量(圖5和圖6)。

研究表明， 黃淮海地區(qū)10年一遇和50年一遇最大1d、3d、5d降水量低值區(qū)主要為黃淮海地區(qū)西北部，高值區(qū)主要為灤河平原及冀東沿海諸河、日贛區(qū)、沂沭河區(qū)、王家壩以上北岸、王家壩以上南岸、王蚌區(qū)間南岸，1986-2011年時段與1961-1985年時段相比，灤河平原及冀東沿海諸河、海河流域山區(qū)、淮河流域上游地區(qū)減少幅度大于20%，淮河流域下游地區(qū)、大汶河、湖東區(qū)和山東半島諸河增加幅度較大，大于20%。

圖5 黃淮海地區(qū)1961-2011年10年一遇最大1 d、3 d、5 d降水

圖6 黃淮海地區(qū)1961-2011年50年一遇最大1 d、3 d、5 d降水

4 結(jié)論

(1)從時間上來說，1961-2011年黃淮海地區(qū)最大1d、3d及5d降水整體有下降趨勢，1995年后下降趨勢更為明顯；從空間角度來看，海河流域極端降水量下降幅度較大，淮河流域整體上存在上升趨勢，但2005年后出現(xiàn)下降趨勢。

(2)黃淮海地區(qū)10年一遇和50年一遇最大1d、3d、5d降水量低值區(qū)主要為黃淮海地區(qū)西北部，高值區(qū)主要為灤河平原及冀東沿海諸河、日贛區(qū)、沂沭河區(qū)、王家壩以上北岸、王家壩以上南岸、王蚌區(qū)間南岸，1986-2011年時段與1961-1985年時段相比，灤河平原及冀東沿海諸河、海河流域山區(qū)、淮河流域上游地區(qū)減少幅度大于20%，淮河流域下游地區(qū)、大汶河和湖東區(qū)增加幅度較大，大于20%。

(3)海河流域洪澇風(fēng)險近年來有降低趨勢，淮河流域洪澇風(fēng)險有加劇趨勢。淮河上游地區(qū)應(yīng)全面開展生態(tài)建設(shè)，推進(jìn)干流骨干水庫建設(shè)；淮河中游地區(qū)應(yīng)提高堤防標(biāo)準(zhǔn)和河道行洪能力，提高河網(wǎng)連通性；淮河下游地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)雨洪資源利用，推進(jìn)入海水道建設(shè)，提高應(yīng)對洪澇風(fēng)險能力。

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TemporalandSpatialVariationofExtremePrecipitationinHuanghuaihaiArea, 1961-2011

Yin Jun, Yang Zhiyong, Yuan Zhe and Yuan Yong

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,Beijing100038,China)

BasedontheplatformofArcGIS,temporalandspatialvariationofmaximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysinHuanghuaihaiareafrom1961to2011wasanalyzed.Besides,maximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysin10and50yearreturnperiodbeforeandafter1985werecomparedwitheachother.Theresultsshowthatthemaximumprecipitationwithin1day, 3daysand5daysinHuanghuaihaiareafrom1961to2011arehavingadecreasingtrendonthewhole,especiallyafter1995;thedecreasingtrendismoreobviousinHaiheriverbasin,sotheriskofflooddisasterisdecreasingintherecentyears;Huaiheriverbasinishavinganincreasingtrendonthewholebutitbegantodecreaseafter2005;Huaiheriverbasinisfacinganincreasingriskofflooddisasteroverall.

Huanghuaihaiarea;extremeprecipitation;temporalandspatialvariation;flood

2015-01-09 修改日期：2015-03-09

十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC19B03)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51009148,51309129)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951102)

尹軍(1988-)，女，山東淄博人，博士，主要從事水文水資源方面的研究. E-mail:yinjun19880209@126.com

楊志勇(1979-)，男，湖南常德人，高級工程師，博士，主要從事水文水資源、分布式水文模擬、氣候變化對水資源的影響方面研究. E-mail:yangzy@iwhr.com

P468.024; X43

A

1000-811X(2015)03-0071-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.014

尹軍，楊志勇，袁喆，等. 1961-2011年黃淮海地區(qū)極端降水時空變化特征[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):071-075. [Jun Yin, Zhiyong Yang, Zhe Yuan, et al. Temporal and Spatial Variation of Extreme Precipitation in Huanghuaihai Area, 1961-2011[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：071-075.]