江淮流域春季可利用降水量變化特征

劉承曉，張 蕾

（1．安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽 合肥 230031；2．江蘇省氣象科學(xué)研究所，江蘇 南京 210009）

江淮流域春季可利用降水量變化特征

劉承曉1，2，張 蕾1

（1．安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽 合肥 230031；2．江蘇省氣象科學(xué)研究所，江蘇 南京 210009）

基于國家氣象信息中心提供的1961—2013年春季（3—5月）江淮流域月平均氣溫和降水格點資料，利用EOF分解、趨勢分析等統(tǒng)計方法，對江淮流域春季可利用降水量的時空變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：江淮流域春季平均降水量、蒸發(fā)量、可利用降水量以及可利用降水量占降水總量的比例均表現(xiàn)為南多北少的空間格局，可利用降水量的空間差異尤為明顯。近53 a來，春季降水量、可利用降水量均呈現(xiàn)全區(qū)一致減少的變化趨勢，而蒸發(fā)量變化趨勢表現(xiàn)為北減南增的空間特征。江淮流域春季降水量、蒸發(fā)量以及可利用降水量均以全區(qū)一致型和南北反相型空間分布為主，可利用降水量主要受降水量異常分布影響，在氣溫升高的情況下，降水量多的地區(qū)蒸發(fā)量增加更為明顯。

江淮流域；可利用降水量；EOF；變化趨勢

劉承曉，張 蕾．江淮流域春季可利用降水量變化特征［J］．干旱氣象，2016，34（6）：976－982，［LIU Chengxiao，ZHANG Lei．Variation Characteristics of Utilizable Precipitation over the Yangtze－Huaihe River Basin in Spring During 1961－2013［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：976－982］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0976

引 言

江淮流域地處東亞副熱帶地區(qū)，受季風(fēng)影響降水豐富，但年內(nèi)分布不均，6—7月的江淮梅雨為最主要降水時段［1－2］，也是目前學(xué)者關(guān)注最多的降水時段。研究發(fā)現(xiàn)，雖然早在3月中旬東亞副熱帶夏季風(fēng)就已開始建立，并形成江南春雨［3－4］，但降水量偏少，且年際差異明顯［5－6］。葉篤正等［7］研究發(fā)現(xiàn)，長江、黃河流域是我國旱澇災(zāi)害最嚴(yán)重的2個區(qū)域。江淮流域春季發(fā)生干旱的頻率較高，且具有明顯的年代際變化，其中1990年代春季出現(xiàn)干旱的頻率最高［8］。可見，江淮流域除了洪澇需要引起重視外，干旱災(zāi)害也不容小覷。

可利用降水量是降水量與實際蒸發(fā)量之差，是大氣降水資源各分量中（降水量、蒸發(fā)量和可利用降水量）可被人們實際利用的降水資源［9］。近年來很多學(xué)者開始關(guān)注可利用降水量的變化［9－12］。馬柱國［10］將我國北方可利用降水量與區(qū)域增暖聯(lián)系起來，分析在區(qū)域增暖情況下，可利用降水量的變化特征。可見，可利用降水量的變化，還與氣溫等氣象要素關(guān)系密切。旱澇形成的原因較為復(fù)雜，影響因素較多，除直接受降水量影響外，還與蒸發(fā)量、徑流及土壤濕度等因素有關(guān)［12］，而氣溫又是影響蒸發(fā)量最重要的因素之一［13－14］。隨著全球變暖的加劇，中國氣溫增暖幅度普遍高于全球水平［15］，江淮流域春季干旱頻率明顯增多［8，16］。以往關(guān)于江淮流域春季干旱方面的研究多集中在降水量上［4－6］，而對春季可利用降水量的研究相對較少。本文利用高橋浩一郎［17］提出的蒸發(fā)量計算方法，結(jié)合平均氣溫和降水量，探討了江淮流域春季可利用降水量的氣候變化特征，對比降水量、蒸發(fā)量、可利用降水量之間的關(guān)系。

1 資料與方法

利用1961—2013年春季（3—5月）江淮流域逐月平均氣溫和降水資料，該資料是對中國2 474個國家級地面站基礎(chǔ)氣象資料進(jìn)行質(zhì)量檢測、控制和更正，結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)（GTOP030數(shù)據(jù)），通過空間插值得到的中國區(qū)域地面逐月平均氣溫、降水格點數(shù)據(jù)（資料來源：http：／／data．cma．gov．cn／），分辨率為0．5°×0．5°。該格點資料對江淮流域降水、氣溫有較好的刻畫能力［18－19］。參考楊瑋等［2］的劃分，江淮流域范圍取為（110°E—122°E，28°N—34°N）。

圖1是江淮流域的地形分布，取自美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供的空間分辨率為30″×30″的全球數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（資料來源：http：／／eros．usgs．gov／elevation－products）?？梢钥闯觯戳饔虻匦屋^為復(fù)雜，主要由黃淮平原、長江中下游平原、江南丘陵、大別山以及西部的秦嶺、巫山等部分山脈組成。

圖1 江淮流域地形分布（單位：m）Fig．1 Topography distribution of the Yangtze－Huaihe river basin（Unit：m）

可利用降水量為降水量與實際蒸發(fā)量之差。由于實際蒸發(fā)受各種條件限制，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量對實際蒸發(fā)量的代表性并不好。高橋浩一郎方法［17］僅用月平均降水量和氣溫對蒸發(fā)量進(jìn)行估算，方法簡便，同時保障了任何氣溫下均可得到蒸發(fā)量，且蒸發(fā)量值始終小于同期降水量，該方法在我國得到了較為廣泛的應(yīng)用［10－11］。計算公式為：

式中，E為陸面月蒸散量（mm），P為月降水量（mm），T為月平均氣溫（℃）。

另外，使用了趨勢分析、EOF分解等統(tǒng)計方法，顯著性檢驗均為t檢驗。

2 春季可利用降水量氣候特征

圖2 1961—2013年春季江淮流域平均降水量（a，單位：mm）、氣溫（b，單位：℃）、蒸發(fā)量（c，單位：mm）以及可利用降水量（d，單位：mm）分布Fig．2 The spatial distributions of the average precipitation（a，Unit：mm），temperature（b，Unit：℃），evaporation（c，Unit：mm）and utilizable precipitation（d，Unit：mm）in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013

圖2給出1961—2013年春季江淮流域平均降水量、平均氣溫、蒸發(fā)量以及可利用降水量。由圖2a可看出，江淮流域春季降水量整體呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的空間分布特征，南北差異明顯。其中，秦嶺淮河一線以北春季降水量多在200 mm以下，長江—淮河之間普遍在200～400 mm，江南地區(qū)多在400 mm以上，贛北鄱陽湖一帶最高，超過700 mm，這與黃亮等［20］的研究結(jié)果相似。圖2b顯示，江淮流域春季平均氣溫多在14～16℃之間，對比地形分布不難發(fā)現(xiàn)，氣溫分布除與緯度相關(guān)外，更大程度上受地形影響，大別山區(qū)以及西部秦嶺—巫山一帶高海拔山區(qū)平均氣溫在14℃以下，與董李麗等［21］分析的1981—2010年春季平均氣溫結(jié)果相一致。

江淮流域春季蒸發(fā)量及可利用降水量的空間分布與降水量相似，均呈現(xiàn)出北少南多的空間分布特征（圖2c、圖2d）。與降水量相比，蒸發(fā)量南北梯度較小，大部地區(qū)在120～160 mm之間。從而造成可利用降水量的南北差異尤為明顯。其中，淮河以北地區(qū)可利用降水量最低，不足100 mm，而江南大部多在300 mm以上，贛北鄱陽湖一帶最高，超過500 mm，南北差異在5倍以上。

為進(jìn)一步闡明蒸發(fā)量對可利用降水量的影響程度，圖3給出江淮流域春季可利用降水量占總降水量百分比?？梢钥闯?，淮河附近及以北地區(qū)春季可利用降水量不足降水總量的40%，其中河南中北部不足30%；而可利用降水量占降水總量50%以上的區(qū)域約占江淮流域總面積的一半，其中江西北部的比例最高在70%以上?？梢姡戳饔虼杭菊舭l(fā)量對可利用降水量有重要影響，尤其對北部的影響更為明顯。

圖3 1961—2013年春季江淮流域可利用降水量占總降水量百分比（單位：%）Fig．3 The proportion of utilizable precipitation to total precipitation in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013（Unit：%）

3 春季可利用降水量的變化趨勢

降水、氣溫是影響蒸發(fā)量的2個重要因素，也是影響可利用降水量的2個關(guān)鍵因子。下面分別給出江淮流域近53 a春季降水量、平均氣溫、蒸發(fā)量以及可利用降水量的長期變化趨勢（圖4）。近53 a來，江淮流域春季降水量普遍以減少趨勢為主（圖4a），西部秦嶺—巫山山區(qū)、大別山區(qū)、皖南山區(qū)以及江南丘陵等高海拔地區(qū)降水減少幅度相對較大，氣候傾向率多在－9．0 mm·（10 a）－1以下，其中西部山區(qū)減少趨勢通過了α＝0．05的信度檢驗，與黃亮等［20］的研究結(jié)果“長江中下游地區(qū)春季的雨日、雨量呈整體下降趨勢”相一致。江淮流域春季平均氣溫均為一致的顯著增溫趨勢（圖4b），大部分地區(qū)增溫率在0．4℃·（10 a）－1以上，江淮之間達(dá)0．8℃·（10 a）－1，除西北部和江南個別地方外，其他地區(qū)增溫趨勢均通過了α＝0．05顯著性水平檢驗。根據(jù)高橋浩一郎的陸面蒸散公式，氣溫增加有利于蒸發(fā)量的增加。

近53 a來，江淮流域春季蒸發(fā)量南北變化趨勢不同，南部以增加趨勢為主，而北部以減少趨勢為主（圖4c），但整體表現(xiàn)為增加趨勢，南部增加趨勢集中分布在巢湖以西的長江流域，而北部減少趨勢分散在西北部秦嶺地區(qū)、大別山以北至淮河一帶以及長江入海口。其中，長江中游以南的湘江地區(qū)增加趨勢顯著，而顯著減少區(qū)域主要分布在秦嶺及其以北地區(qū)?？衫媒邓康淖兓厔菖c降水量相似（圖4d），全流域均為一致減少趨勢，可見降水量是決定可利用降水量變化最主要因素之一。但受蒸發(fā)量的影響，可利用降水量減少程度的空間分布與降水量存在明顯差異，在鄂皖交界的大別山區(qū)、湘江一帶等地區(qū)減少趨勢更為明顯；而在秦嶺—淮河一帶受蒸發(fā)量減少的影響，可利用降水量減少幅度比降水量減少幅度略小。

4 春季可利用降水量異常分布

為探討可利用降水量異常分布特征，對近53 a江淮流域春季可利用降水量進(jìn)行EOF分解。由表1可以看出，江淮流域春季可利用降水量EOF分解的方差貢獻(xiàn)率收斂很快，主要集中在前2個模態(tài)，前2個模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率接近73%，可反映該流域春季可利用降水量的主要分布型。由EOF分解第1模態(tài)的空間分布（圖5a）看出，全區(qū)一致型為江淮流域春季可利用降水量主要的空間分布型，大值中心位于湖北東部到安徽大別山一帶，其解釋方差為49．59%。從圖5b看出，第2模態(tài)的空間分布型大致以31°N為界呈現(xiàn)北正南負(fù)的空間分布格局，北部的大值中心位于淮河以北，而南部的大值中心主要位于長江以南的丘陵地帶。綜上所述，江淮流域春季可利用降水量主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型和南北反相型。

圖4 1961—2013年江淮流域春季降水量（a，單位：mm·（10 a）－1）、平均氣溫（b，單位：℃·（10 a）－1）、蒸發(fā)量（c，單位：mm·（10 a）－1）及可利用降水量（d，單位：mm·（10 a）－1）變化趨勢空間分布（0表示通過了α＝0．05的信度檢驗）Fig．4 The spatial distribution of change trend of precipitation（a，Unit：mm·（10 a）－1），average temperature（b，Unit：℃·（10 a）－1），evaporation（c，Unit：mm·（10 a）－1）and utilizable precipitation（d，Unit：mm·（10 a）－1）in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013 （The areas with 0 passed the 0．05 confidence test）

表1 1961—2013年春季江淮流域可利用降水量EOF分解的前8個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率（單位：%）Tab．1 The variance and accumulative variance contribution rates of the first eightmodes of utilizable precipitation decomposed by EOF in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013（Unit：%）

由前2個模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)可以看出（圖5c、圖5d），江淮流域春季可利用降水量的全區(qū)一致型和南北反相型均具有明顯的年際變化，且前者較后者的年際變化更為明顯。近53 a全區(qū)一致型在變化趨勢上表現(xiàn)為下降趨勢（通過α＝0．1的信度檢驗），最高值出現(xiàn)在1973年，最低值發(fā)生在2011年（圖5c）。通過對江淮流域春季降水量的年際變化分析發(fā)現(xiàn)（圖略），全流域春季降水量最高值也發(fā)生在1973年，平均降水量為 168．05 mm，最低值同樣發(fā)生在2011年，平均降水量為55．27 mm。可見，全流域一致型可利用降水量在很大程度上決定了該流域全域性的旱澇。南北反相型的方差貢獻(xiàn)率為23．37%，在春季可利用降水量的異常分布中占有重要作用，雖然表現(xiàn)出明顯的年際變化，但無明顯變化趨勢。

圖5 1961—2013年江淮流域春季可利用降水量EOF分解的第1（a、c）、第2（b、d）模態(tài)的空間分布（a、b）及對應(yīng)時間系數(shù)（c、d）Fig．5 The spatial distributions（a，b）and corresponding time coefficients（c，d）of the first（a，c）and second（b，d）modes of utilizable precipitation decomposed by EOF in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013

江淮流域春季降水量EOF分解的前2個模態(tài)空間分布與可利用降水量十分相似（圖略）。春季降水量第1模態(tài)空間分布也為全區(qū)一致型，大值中心仍位于湖北東部到安徽大別山一帶，這可能與冬季印度洋海表溫度異常存在一定聯(lián)系［22］。春季降水量第2模態(tài)空間分布為南北反相型，大致仍以31°N為界呈現(xiàn)北正南負(fù)的空間分布格局，這在一定程度上受冬季西北太平洋濤動影響所致［23］。春季降水量前2個模態(tài)的時間系數(shù)與可利用降水量同樣十分相似，二者相同空間分布型的時間系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)均為0．98（通過α＝0．01的顯著性水平檢驗）。二者對應(yīng)時間系數(shù)的高度一致，說明了該流域春季可利用降水量的異常分布主要受降水量影響。

江淮流域春季蒸發(fā)量EOF分解的前2個模態(tài)空間分布雖然同樣為全區(qū)一致型和南北反相型（圖6a、圖6b），但各型態(tài)與降水量和可利用降水量均存在一定差異。全區(qū)一致型中（圖6a），大值區(qū)主要位于江淮流域北部，而大別山區(qū)和皖南山區(qū)等地處在相對低值區(qū)；南北反相型中（圖6b），大別山區(qū)同樣處在一相對低值區(qū)，可見，地形是影響江淮流域春季蒸發(fā)量異常分布的原因之一。由于海拔高度的差異，氣溫受地形影響明顯，而氣溫又是影響蒸發(fā)量的重要因素。

近53 a來，江淮流域春季蒸發(fā)量全區(qū)一致型呈增加趨勢，而全區(qū)一致型的降水量卻呈減少趨勢（圖6c），蒸發(fā)量的增加可能主要受氣溫增加的影響。春季蒸發(fā)量南北反相型的變化趨勢呈顯著減少趨勢（圖6d，通過α＝0．05顯著性水平檢驗），表明江淮流域北部春季蒸發(fā)量相對有所減少，而南部蒸發(fā)量增加更為明顯。

通過對春季平均氣溫的EOF分解發(fā)現(xiàn)（圖略），全區(qū)一致型仍為氣溫變化最主要的空間形態(tài)，其方差貢獻(xiàn)率為82．8%；近53 a的對應(yīng)時間系數(shù)呈現(xiàn)顯著增加趨勢（通過α＝0．01顯著性水平檢驗），尤其是1990年代末以后升溫步伐有所加快。可見，在氣溫升高的情況下，降水量豐富的地區(qū)蒸發(fā)量增加更為明顯。

圖6 1961—2013年江淮流域春季蒸發(fā)量EOF分解的第1（a、c）、第2（b、d）模態(tài)空間分布（a、b）及對應(yīng)時間系數(shù)（c、d）Fig．6 The spatial distribution（a，b）and time coefficients（c，d）of the first（a，c）and second（b，d）modes of evaporation decomposed by EOF in the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013

5 結(jié)論與討論

（1）1961—2013年，江淮流域春季平均降水量、蒸發(fā)量、可利用降水量以及可利用降水量占降水總量的比例均表現(xiàn)為南多北少的空間格局。其中，可利用降水量的空間差異明顯，北部在100 mm以下，占降水總量的30%～40%，南部在400 mm以上，約占降水總量的70%。

（2）近53 a來，江淮流域春季降水量和可利用降水量均呈現(xiàn)全區(qū)一致減少的變化趨勢，受蒸發(fā)量變化趨勢“北減南增”的影響，可利用降水量南部減少趨勢較降水量更為明顯。

（3）EOF分解發(fā)現(xiàn)，江淮流域春季降水量、蒸發(fā)量以及可利用降水量均以全區(qū)一致型和南北反相型空間分布為主。對比三者時間系數(shù)發(fā)現(xiàn)，可利用降水量的異常分布主要是受降水量的影響，在氣溫升高的情況下，降水量多的地區(qū)蒸發(fā)量增加更為明顯。

實際蒸發(fā)量不僅與地形、地貌、植被狀況等地理因素有關(guān)，還與降水、氣溫、日照百分率、相對濕度、風(fēng)速、云量等多種因素密切相關(guān)。本文使用高橋浩一郎［17］提出的蒸發(fā)量估算方法，這與實際地表蒸發(fā)必定存在一定差異。目前，氣象臺站觀測的蒸發(fā)量多為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，與實際地表蒸發(fā)量差別較大，在我國一些地方年實際蒸發(fā)量只占蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的30%［24］，如何利用現(xiàn)有觀測資料得到相對準(zhǔn)確的實際蒸發(fā)量有待于進(jìn)一步探討。

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Variation Characteristics of Utilizable Precipitation over the Yangtze－Huaihe River Basin in Spring During 1961－2013

LIU Chengxiao1，2，ZHANG Lei1

（1．Public Meteorological Service Center of Anhui Province，Hefei230031，China；2．Institute of Meteorological Science of Jiangsu Province，Nanjing 210009，China）

Based on themonthly mean temperature and precipitation grid data with 0．5°×0．5°spatial resolution over the Yangtze－Huaihe river basin in spring during 1961－2013 from the National Meteorological Information Center，the variation characteristics of spring utilizable precipitation over the Yangtze－Huaihe river basin were analyzed by using the statisticalmethods including the trend analysis and EOF，etc．The results showed that the precipitation，evaporation，utilizable precipitation and the proportion of utilizable precipitation to total precipitation in spring gradually decreased from the south to the north of the Yangtze－Huaihe river basin，and the spatial difference of utilizable precipitation wasmore obvious than precipitation and evaporation．Spatially，the precipitation and utilizable precipitation in spring during 1961－2013 showed a consistent decreasing tendency over the whole basin，while the evaporation showed a declining tendency in the north and increasing tendency in the south．The spring precipitation，evaporation and utilizable precipitationmainly presented same anomaly in whole area and opposite anomalies in the south and the north of Yangtze－Huaihe river basin，and the spatial distribution of utilizable precipitation wasmainly affected by the abnormal distribution of precipitation．Further analysis showed that the increase of evaporation wasmore significant inmore precipitation areas of Yangtze－Huaihe river basin with the rising of temperature．

Yangtze－Huaihe river basin；utilizable precipitation；EOF；variation trend

1006－7639（2016）－06－0976－07

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0976

P426．6

A

2016－06－12；改回日期：2016－08－12

江蘇省氣象科學(xué)研究所北極閣基金（BJG201501）和安徽省氣象局預(yù)報員專項（kY201607）共同資助

劉承曉（1982－），男，工程師，主要從事公眾氣象服務(wù)方面研究．E－mail：liu＿cx＠aliyun．com