河北省汛期降水集中度和集中期時(shí)空特征分析

曹永強(qiáng)，李曉瑞

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116029)

在全球氣候變化背景下，近50年河北省降水量呈遞減趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后年降水量雖略呈增加趨勢(shì)，但降水時(shí)空分布不均，自然降水資源極度匱乏仍是不爭(zhēng)的事實(shí)。河北省人均水資源量?jī)H為全國(guó)平均值的 1/7[1]，其水資源供需情況及其變化趨勢(shì)頗受關(guān)注。河北省汛期降水量占全年總降水量的80%左右，河北省既屬于防汛大省，又屬于干旱少雨的省份。因此，如何在確保防汛安全的同時(shí)，堅(jiān)持防汛抗旱兩手抓，科學(xué)合理地掌握汛期降水規(guī)律，儲(chǔ)存和利用天然降水資源是河北省多年來(lái)研究的重大課題。

對(duì)于降水分布不均的地區(qū)，分析降水集中度(PCD)和降水集中期(PCP)可以較好地了解其降水的時(shí)空分布特征[2]。ZHANG等[3]把候降水量看作矢量，提出一種度量降水年內(nèi)非均勻分配的方法，很好地反映了年總降水量在年內(nèi)非均勻分配特性。曹永強(qiáng)等[4]的研究表明，浙江省西北部地區(qū)的降水比東部地區(qū)集中，且最大降水基本出現(xiàn)在8月7日左右；李遠(yuǎn)平等[5]的研究表明，淠河流域汛期降水量和PCD呈比較顯著的正相關(guān)，與PCP呈微弱負(fù)相關(guān)；胡麗莉等[6]的研究表明，河西走廊東部降水時(shí)空分布具有不均勻性，若候內(nèi)降水較少，PCD偏大，PCP偏遲，則發(fā)生干旱的概率較大；若候內(nèi)降水過(guò)多，PCD偏大，PCP偏早，則發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性比較大；張?zhí)煊畹萚7]的研究表明，華北東部地區(qū)的降水較西部更為集中，華北地區(qū)集中期較晚，且雨季降水集中期空間分布有較好的整體一致性。

目前，針對(duì)河北省降水的研究主要集中在降水量變化的趨勢(shì)和階段性、極端性降水及其旱澇變化等方面[8-11]，而關(guān)于降水集中度和降水集中期的研究較少。鑒于研究降水集中度與集中期對(duì)有效掌握河北省汛期降水規(guī)律，合理存儲(chǔ)、利用天然水資源有著重要意義，本文選取河北省25個(gè)典型氣象站1965—2015年汛期(6—9月)的逐日降水資料，對(duì)河北省PCD和PCP進(jìn)行時(shí)空規(guī)律分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

河北省地處中緯度歐亞大陸東岸，地勢(shì)西北高、東南低，由西北向東南傾斜，地貌復(fù)雜多樣，主要為壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元；屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)四季分明；降水量分布特點(diǎn)為東南多西北少，年降水量為350.70～842.84mm，汛期主要集中在6月1日至9月30日[12]。

表1河北省氣象站點(diǎn)地形分區(qū)

Tab.1 Topographic zoning ofmeteorological stations in Hebei Province

地形分區(qū)站點(diǎn)名稱(chēng)壩上高原區(qū)張北、張家口山區(qū)圍場(chǎng)、豐寧、懷來(lái)、蔚縣、淶源、承德、涉縣丘陵區(qū)遵化、青龍、臨城山前平原區(qū)霸州、保定、饒陽(yáng)、石家莊、南宮、邢臺(tái)、清河、邯鄲、館陶沿海區(qū)秦皇島、樂(lè)亭、唐山、黃驊

圖1 河北省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution ofmeteorological stations in Hebei Province

河北省氣象站點(diǎn)資料來(lái)源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，并剔除缺測(cè)及觀測(cè)年限不足51年的站點(diǎn)，同時(shí)考慮地形分區(qū)(表1)，最終選用代表性較好的25個(gè)典型氣象站1965—2015年6—9月逐日降水資料。河北省高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布情況如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1降水集中度和集中期 降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用向量分析的原理定義區(qū)域降水量時(shí)間分配特征的參數(shù)[13-14]，可以定量描述一定時(shí)段內(nèi)的降水集中程度和降水集中時(shí)段，計(jì)算式如下[4]

(1)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

(3)

(4)

式中：Rxi,Ryi分別為某測(cè)站研究時(shí)段內(nèi)總降水量在x,y軸方向的分量；Ri為某測(cè)站研究時(shí)段內(nèi)總降水量；rij為研究時(shí)段內(nèi)每日降水量；i代表年份；j代表研究時(shí)段內(nèi)的日序；θj為研究時(shí)段內(nèi)每日所對(duì)應(yīng)的方位角(整個(gè)研究時(shí)段的方位角設(shè)為360°)，以汛期時(shí)長(zhǎng)(122 d)為一圓周，每日平均分配，每日約2.95°。

PCD反映了降水在研究時(shí)段內(nèi)的集中程度，取值為0～1，PCD 值越接近1，表明降水量越集中，PCD 值越接近0，表明降水越均勻。PCP為合成向量的方位角，標(biāo)示了向量合成后重心指示的角度，反映了最大降水量出現(xiàn)的時(shí)段。

1.2.2小波分析法 Morlet小波分析具有多分辨率分析的特點(diǎn)，是一種重要的時(shí)域-頻域分析方法，具有表征信號(hào)局部特征的能力，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，常用來(lái)分析氣候序列中所包含的周期性及其不均勻性[15]，通過(guò)小波方差圖和小波等值線(xiàn)圖來(lái)判定河北省汛期降水量、PCD和PCP的周期變化。

1.2.3曼-肯德?tīng)?M-K)法 曼-肯德?tīng)柗ㄊ且环N非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。該方法借助Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，得到UF與UK兩條曲線(xiàn)，并用于檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)。若UF或UK大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF與UK兩條曲線(xiàn)出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí)，且交點(diǎn)在臨界值之間則表示該時(shí)刻為突變開(kāi)始時(shí)刻[16]。為了檢驗(yàn)氣候要素轉(zhuǎn)折是否達(dá)到突變的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行信噪比S/N檢驗(yàn)，計(jì)算式見(jiàn)文獻(xiàn)[17] ，規(guī)定 S/N >1 時(shí)，認(rèn)為該年存在突變，否則不存在突變。

1.2.4合成分析法 合成分析常用來(lái)表達(dá)某一個(gè)氣象場(chǎng)(例如：高度距平場(chǎng)、風(fēng)應(yīng)力距平場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)、SSTA場(chǎng)等)在一個(gè)標(biāo)量時(shí)間序列的特殊時(shí)間子集下振蕩的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)成分[18]。參考前人經(jīng)驗(yàn)[3,19-23]，將研究期內(nèi)每年汛期降水量從大到小排序，前5位年份稱(chēng)為多水年，最后5位年份稱(chēng)為少水年，并分別求取多水年和少水年的PCD和PCP的平均值，即為合成分析。

2 汛期降水量基本特征

2.1 汛期降水量年際變化及突變分析

1965—2015年汛期降水量(6—9月)年際變化曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2(a)可知，1965—2015年汛期降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，變化率為-10.61mm/10 a，多年平均值為400.06mm，最小值出現(xiàn)在1997年，為252.66mm，最大值出現(xiàn)在1973年，為615.38mm；整體來(lái)看，河北省汛期降水量年際變化較大，差值高達(dá)362.72mm。由圖2(b)可見(jiàn)，河北省汛期降水量累積距平在近50年中呈先升后降趨勢(shì)，且基本均在正距平狀態(tài)，僅有7年處于負(fù)距平狀態(tài)。分階段來(lái)看，累積距平在1965—1979年呈逐漸增加趨勢(shì)，說(shuō)明該階段處于多雨期；1980—1996年累積距平先降后升；自1996年至今，呈顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明該階段汛期處于少雨期。

圖2 1965—2015年汛期降水量分析Fig.2 Analysis of precipitation in flood seasons from 1965 to 2015

2.2 汛期降水量周期變化

圖3為汛期降水量周期變化特征，圖3(a)為小波變換等值線(xiàn)，顯示汛期降水量在25～45 a尺度上震蕩周期最明顯，在12～23 a尺度上震蕩周期較明顯，具有“大-小-大”的變化特征。圖3(b)為小波方差，圖中汛期降水量在35 a左右尺度下的小波方差極值表現(xiàn)最為顯著，為主周期，其次存在20 a左右的次周期。

圖3 汛期降水量周期變化特征Fig.3 Characteristics of precipitation cycle in flood seasons

2.3 汛期降水量空間變化特征

河北省汛期降水量大致呈由東向西逐漸遞減趨勢(shì)(圖4(a))，變化范圍為292～574mm，高值區(qū)集中在東北部的遵化和青龍地區(qū)，低值區(qū)主要集中在西北部的張北、張家口、懷來(lái)和蔚縣地區(qū)；河北省南部汛期降水量大致呈由東北和西南向中部逐漸減少趨勢(shì)，河北省北部汛期降水量大致呈由東向西逐漸減少趨勢(shì)，河北省北部與南部地區(qū)相比，前者的汛期降水量東西地區(qū)差異更明顯；整體來(lái)看，河北省的汛期降水量空間差異較大，差值高達(dá)279mm。

河北省汛期降水變異系數(shù)主要呈現(xiàn)東西差異(圖4(b))，這與汛期降水量的空間分布格局較一致。各站降水變異系數(shù)為0.20～0.41，各站降水的年際變化差異較大；高值區(qū)集中在河北省中部的平原地區(qū)，為0.27～0.41，其中霸州和保定的變異系數(shù)較大，均達(dá)到0.4，說(shuō)明這些地區(qū)的汛期降水量年際變化較大；河北省北部地區(qū)相較于南部地區(qū)變異系數(shù)較小，低值區(qū)主要集中在承德以西地區(qū)，變異系數(shù)為0.20～0.27，說(shuō)明該地區(qū)汛期降水量年際變化較小，承德以東地區(qū)相較于前者，變異系數(shù)較大，為0.27～0.37，且呈由東向西逐漸減小的趨勢(shì)。結(jié)合汛期降水量圖，河北省北部承德以西地區(qū)，降水量少，變異系數(shù)小，而沿海地區(qū)降水量多，變異系數(shù)較大；河北省南部平原地區(qū)降水量較少，變異系數(shù)大。整體來(lái)看，河北省東部地區(qū)汛期降水的時(shí)空分布勢(shì)必會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和旱澇災(zāi)害造成一定的影響。

圖4 汛期降水量空間變化及變異系數(shù)Fig.4 Spatial variation and variation coefficient of precipitation in flood seasons

3 PCD和PCP時(shí)空特征

3.1 PCD和PCP的年際變化

圖5為PCD和PCP的年際變化特征，從圖5(a)可知，PCD呈較顯著下降趨勢(shì)，變化率為-0.02/10 a，PCD的值為0.18～0.56，多年平均值為0.35。若PCD大于多年平均值，則認(rèn)為該年降水比較集中；當(dāng)PCD小于多年平均值，則認(rèn)為該年降水比較均勻[21]。近50年中，PCD最大值出現(xiàn)在1994年，為0.56，說(shuō)明1994年降水最集中，PCD最小值出現(xiàn)在2014，為0.19，說(shuō)明2014年降水最均勻。PCD的年代際變化較大，1965—1972年，PCD均高于均值，降水比較集中；1973—1992年，PCD波動(dòng)性很大，各年P(guān)CD差值較大，降水經(jīng)歷了多個(gè)降水集中和降水均勻多個(gè)變化；1993年之后，PCD呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)，降水逐漸趨向均勻。整體看汛期PCD年際變化較大，波動(dòng)性較強(qiáng)，變化規(guī)律不明顯。

從圖5(b)可知，近50年P(guān)CP呈不顯著下降趨勢(shì)，變化率為-1.33°/10 a，PCP值為47.20°～194.70°，多年平均值為112.10°，說(shuō)明平均降水集中期為7月8日左右。1991年的降水集中期最早，為47.20°，說(shuō)明最大降水提前到6月16日，2010年的降水集中期最晚，最大降水推遲到8月5日，兩者相差51 d。整體來(lái)看，河北省降水集中期的變化不大，大部分年份集中期在7月上旬和中旬。

圖5 1965—2015年P(guān)CD和PCP的年際變化Fig.5 Annual changes of PCD and PCP from 1965 to 2015

3.2 PCD和PCP的突變分析

為了突出 1965—2015 年河北省汛期 PCD 和PCP 較長(zhǎng)時(shí)間變化的信號(hào)，采用mann-Kendall 法進(jìn)行變化趨勢(shì)及突變分析。由圖 6(a)可知，UF 和UB 曲線(xiàn)在±1.96臨界線(xiàn)范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，特別是在1985—2000年表現(xiàn)最為突出。通過(guò)信噪比檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有交點(diǎn) S/N<1，表明近50年河北省汛期 PCD 不存在突變年。1965—1991年UF曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)，且均未超過(guò)臨界值，說(shuō)明汛期PCD呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)；1991年之后，UF曲線(xiàn)先上升后下降，并在2008年超出臨界范圍，說(shuō)明汛期PCD在2008年之后下降趨勢(shì)顯著；整體來(lái)看，河北省汛期PCD存在多個(gè)集中和均勻的變化。由圖6(b)可知，UF 和UB 曲線(xiàn)在±1.96臨界線(xiàn)范圍內(nèi)也出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，特別是在20世紀(jì)70年代到80年代末期，通過(guò)信噪比檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有交點(diǎn) S/N<1，說(shuō)明汛期 PCP 在研究時(shí)段內(nèi)沒(méi)有發(fā)生突變。UF曲線(xiàn)在近50年內(nèi)大致呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)，且均為超過(guò)臨界值，說(shuō)明降水集中期經(jīng)歷了從逐漸推遲到逐漸提前的多個(gè)變化。

圖6 1965—2015年P(guān)CD和PCP的突變分析Fig.6 Mutation analysis of PCD and PCP from 1965 to 2015

3.3 PCD和PCP的周期變化

河北省1965—2015年P(guān)CD和PCP周期變化如圖7?？梢?jiàn)PCD和PCP均在27～45 a尺度上周期震蕩很明顯，且呈現(xiàn)“大-小-大”變化特征。結(jié)合小波方差圖PCD和PCP，發(fā)現(xiàn)小波方差極值均在35 a左右出現(xiàn)峰值，此外在20 a左右出現(xiàn)第二峰值，說(shuō)明河北省PCD和PCP變化存在35 a左右主周期和20 a左右的次周期，即河北省汛期降水在35 a左右會(huì)經(jīng)歷1個(gè)由較為集中到較為均勻的過(guò)程，最大降水會(huì)在35 a左右經(jīng)歷1個(gè)由較晚到較早的過(guò)程。

圖7 PCD和PCP周期變化特征Fig.7 Periodic variation characteristics of PCD and PCP

3.4 PCD和PCP的空間變化

河北省1965—2015年P(guān)CD和PCP的空間分布如圖8所示。

圖8 PCD和PCP的空間變化Fig.8 Space changes of PCD and PCP

從圖8(a)可知，河北省PCD值大致呈由東南向西北逐漸減小趨勢(shì)，變化范圍為0.26～0.45；高值區(qū)集中在黃驊、饒陽(yáng)和邯鄲地區(qū)，均超過(guò)0.4；低值區(qū)集中在張北、張家口和蔚縣地區(qū)，均未超過(guò)0.28，高值區(qū)與低值區(qū)PCD值相差0.19，說(shuō)明東南部地區(qū)比西北部地區(qū)降水更集中。從圖8(b)可知，河北省南部PCP值大致呈由東北向西南逐漸增加趨勢(shì)，說(shuō)明降水集中期由東北向西南逐漸推遲，河北省北部PCP值空間差異較大，大致呈由承德地區(qū)向東西兩個(gè)方向逐漸增加趨勢(shì)，說(shuō)明最大降水時(shí)間由承德地區(qū)向周?chē)饾u推遲；整體來(lái)看，承德地區(qū)最大降水出現(xiàn)最早，為6月30日，張家口地區(qū)最大降水出現(xiàn)最晚，為7月14日，河北省各地區(qū)降水集中期相差15 d。

從上述對(duì)比可知，自承德向東(不包括承德)，降水越集中，最大降水出現(xiàn)時(shí)間越晚，在7月3—9日。河北省南部和承德以西地區(qū)，降水越集中，最大降水出現(xiàn)的時(shí)間越早，前者在7月5—13日，后者在6月30日至7月14日。

3.5 PCD和PCP的合成分析

采用合成分析法，分別對(duì)河北省1965—2015年6—9月降水量最多和最少的前5年進(jìn)行合成。多水年依次為：1973年、1995年、1969年、1996年、2012年，少水年依次為：1999年、1997年、1968年、1972年、1965年。合成后河北省多水年和少水年的集中度和集中期的空間分布如圖9所示。

圖9 河北省PCD和PCP多水年、少水年合成分析Fig.9 Synthesis analysis ofmore water years and less water years of PCD and PCP in Hebei Province

由圖9可見(jiàn)，多水年(圖9(a))和少水年P(guān)CD(圖9(b))大致由東南向西北遞減，高值區(qū)集中于饒陽(yáng)、遵化、青龍，低值區(qū)集中于張北和張家口地區(qū)。不同的是，河北北部地區(qū)自東向西多水年P(guān)CD減少趨勢(shì)與少水年相比更為明顯，遵化、青龍和圍場(chǎng)地區(qū)多水年和少水年的PCD值相差較多?？傮w來(lái)看，與少水年相比，多水年降水集中度高的地區(qū)更多，河北省東部地區(qū)比西部地區(qū)降水更集中，但考慮到山地地形，故防汛抗災(zāi)過(guò)程中應(yīng)對(duì)東部地區(qū)和西部山地地區(qū)加以重視。由圖9(c)和圖9(d)可知，多水年的降水集中期和少水年的變化趨勢(shì)較為一致，但差值不同，河北南部地區(qū)的高值區(qū)集中于中部，并由中部地區(qū)向南北兩側(cè)遞減，少水年P(guān)CP值空間變化比多水年更均勻。河北省北部地區(qū)，PCP值由豐寧和圍場(chǎng)向東西兩側(cè)逐漸增加，高值中心集中在東部的秦皇島和樂(lè)亭以及西部的張家口地區(qū)；河北省多水年最大降水出現(xiàn)的最早時(shí)間要晚于少水年，即與多水年相比，少水年降水集中期的時(shí)間范圍更長(zhǎng)，空間差異更大。

3.6 汛期降水與PCD和PCP相關(guān)性分析

為了探究河北省汛期降水量與PCD和PCP的關(guān)系，圖10繪制了河北省汛期降水量與PCD和PCP的相關(guān)分布。汛期降水量和PCD的相關(guān)系數(shù)為-0.038～0.442(圖10(a))，僅有蔚縣和承德表現(xiàn)出較弱的負(fù)相關(guān)，其他地區(qū)均表現(xiàn)出正相關(guān)性，其中青龍地區(qū)的相關(guān)系數(shù)最大，為0.44，且相關(guān)性通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)；相關(guān)系數(shù)較大地區(qū)集中在河北省東北部，該地區(qū)汛期降水量較大，且降水較為集中，暴雨多發(fā)。汛期降水量和PCP的相關(guān)系數(shù)為-0.355～0.188(圖10(b))，其中呈正、負(fù)相關(guān)的地區(qū)各占全省的44%和56%。呈正相關(guān)地區(qū)，主要集中在河北省東北部沿海地區(qū)，汛期降水量較大，最大降水出現(xiàn)的時(shí)間較晚；呈負(fù)相關(guān)地區(qū)，汛期降水量越大，最大降水出現(xiàn)的時(shí)間越早，主要集中在平原區(qū)和海拔較低的山區(qū)，其中涉縣、清河、承德和館陶均通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。整體來(lái)看，汛期降水量與全省PCD存在較好的正相關(guān)，與部分地區(qū)PCP存在較好的負(fù)相關(guān)。

圖10 汛期降水量與PCD和PCP的相關(guān)性Fig.10 Correlation between precipitation in flood seasons with PCD and PCP

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)河北省近60年汛期降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，汛期降水量為248.31～578.25mm，年際差異較大，且汛期降水經(jīng)歷了多個(gè)多雨期和少雨期變化過(guò)程；汛期降水存在35 a主周期和20 a次周期；河北省汛期降水量大致呈由東向西逐漸遞減趨勢(shì)，且空間差異較大，平原地區(qū)變異系數(shù)較大，壩上地區(qū)和山區(qū)的變異系數(shù)較小。

(2)PCD呈較顯著下降趨勢(shì)，PCD值為0.18～0.56；PCP呈不明顯下降趨勢(shì)，PCP為47.26°～194.70°，汛期最大降水集中在7月上旬和中旬；PCD和PCP均具有35 a左右的主周期和20 a左右的次周期；研究時(shí)段內(nèi)，PCD和PCP 均不存在突變年份。PCD由東南向西北方向遞減，說(shuō)明與西北部相比，東南部的降水更集中；河北南部PCP值大致呈由東北向西南逐漸增加趨勢(shì)，說(shuō)明最大降水時(shí)間由東北向西南逐漸推遲，河北北部最大降水出現(xiàn)時(shí)間由承德向東西兩側(cè)逐漸推遲。

(3)多水年和少水年P(guān)CD的空間大致由東南向西北遞減，與少水年相比，多水年降水集中度高的地區(qū)更多，河北省東部地區(qū)比西部地區(qū)降水更集中；多水年和少水年的PCP在河北南部由中部地區(qū)向南北兩側(cè)逐漸遞減，在河北北部由豐寧和圍場(chǎng)向東西兩側(cè)逐漸增加，另外，少水年比多水年降水集中期范圍更長(zhǎng)，空間差異更大。

(4)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，汛期降水量與全省PCD 具有較好的正相關(guān)，表現(xiàn)為汛期降水量越多，降水越集中；與低海拔山地(承德、涉縣)和山前平原區(qū)(清河、館陶)PCP存在較好的負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為汛期降水越多，最大降水時(shí)間越早，與其他地區(qū)PCP正、負(fù)相關(guān)性均不明顯。