近60年淮河流域子流域面雨量氣候特征分析

王東勇 安晶晶 王皓 靳莉莉 童金 王根

（安徽省氣象臺，合肥 230031）

0 引言

淮河是我國七大江河流域面積較小的河流，其地理位置位于南北氣候過渡帶，氣候條件復(fù)雜?；春恿饔蛭挥?11°55′—121°20′E，30°55′—36°20′N，西起桐柏山、伏牛山，東鄰黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚運河和如泰運河南堤與長江流域分界，北以黃河南堤和沂蒙山脈與黃河流域毗鄰，流域面積27 萬km2。流域內(nèi)以廢黃河為界，分為淮河和沂沭泗河兩大水系，面積分別為19 萬和8 萬km2?；春痈闪靼l(fā)源于桐柏山區(qū)，流經(jīng)河南、安徽、江蘇，在三江營流入長江，洪河口以上為上游，洪河口以下到洪澤湖出口中渡為中游，中渡以下為下游入江水道。沂沭泗河水系發(fā)源于沂蒙山，由沂河、沭河、泗河組成。

受東亞季風(fēng)活動影響，淮河流域極易發(fā)生大范圍洪澇災(zāi)害，平均2～3年發(fā)生一次。近十幾年來眾多學(xué)者[1-30]開展了淮河流域暴雨和洪澇氣候特征分析研究，基于氣候態(tài)分析得出，淮河流域極端降水呈增多趨勢，發(fā)生極端性洪水的風(fēng)險在加大。2003年、2005年淮河大水之后，陶詩言等[31]對2007年梅雨鋒降水進行了大尺度特征分析。趙思雄等[32]對2007年淮河流域致洪暴雨進行了中尺度系統(tǒng)特征分析。

面雨量是經(jīng)典的水文學(xué)概念，它是指某一時段內(nèi)一定面積上的平均雨量，因其能客觀反映降水對確定流域的影響，故其是洪水預(yù)報的重要參數(shù)。21世紀以來氣象工作者一直關(guān)注面雨量的分析與應(yīng)用研究[33-39]，如徐晶等[33]對比了一些計算方案，其中較為常用的有泰森多邊形法和算術(shù)平均法?；诹饔蛎嬗炅糠治鲎恿饔驓夂蛱卣鞯难芯肯嚓P(guān)文獻報道較少[40-41]。開展淮河流域面雨量研究各子流域極端降水氣候特征，有助于提高流域面雨量預(yù)報水平，為有效開展流域防汛提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域子流域劃分和資料

1.1 淮河流域子流域劃分

面雨量這一概念的由來，是為了水文模型計算水量，根據(jù)淮河流域匯流特點，這里將子流域的劃分與水文控制站相對應(yīng)，如淮河干流息縣有一個重要水文控制站，根據(jù)高程信息，劃分出淮河上游大坡嶺到息縣為一子流域，息縣水文站水位與該子流域面雨量直接相關(guān)。同樣原理將淮河流域劃分為15個子流域，其中淮河水系10個子流域（標記為“1～10”），沂沭泗水系5個子流域（標記為“11～15”），見圖1。流域內(nèi)山丘區(qū)面積約占1/3，平原面積約占2/3。從不同坡度可以看出，流域西部為伏牛山區(qū)（子流域5）、桐柏山區(qū)（子流域1、2、3）和西南部大別山區(qū)（子流域4、7），東北部為沂蒙山區(qū)（子流域12、13），其余為廣闊平原（子流域6、8、9、10、11、14、15）。

圖1 淮河流域15個子流域劃分及坡度Fig. 1 Division of fifteen sub-basins over Huaihe River basin and slope

1.2 資料來源

地面降水觀測資料采用國家氣象信息中心提供的淮河流域全部常規(guī)氣象站逐日降水（20—20時）觀測整編資料，時間段為1960—2018年。在淮河流域172個國家級氣象站中，1960年后觀測資料較為完整，各年份站點數(shù)見表1。此172個臺站在流域15片區(qū)內(nèi)分布較均勻，特別是洪汝河上游、淮河上游、大別山區(qū)及沂沭河上游等小片區(qū)內(nèi)臺站建站早、數(shù)據(jù)完整度高、站點數(shù)分布合理，具有較強代表性，所以各子流域面雨量可采用算術(shù)平均法。

表1 各年份站點數(shù)一覽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 年累計面雨量和主汛期面雨量特征分析

圖2給出了1960—2018年近60年各區(qū)面雨量年均值分布。有5個子流域面雨量均值超過1000 mm，分別是4區(qū)史河流域1150 mm，7區(qū)淠河流域及潁河下游、淮干1105 mm，1區(qū)淮河上游大坡嶺到息縣1076 mm，2區(qū)淮河上游息縣到王家壩區(qū)間1046 mm，10區(qū)洪澤湖以下、淮河下游1005 mm。此5個子流域全部位于流域南部，而流域正北部15區(qū)南四湖地區(qū)最小，僅為681 mm，也是唯一少于700 mm的區(qū)域。圖2這一分布與各區(qū)所處緯度呈顯著負相關(guān)。對比前30年（1960—1989年）和后29年（1990—2018年）各區(qū)面雨量年均值以及主汛期面雨量得到，雖然各區(qū)數(shù)值略有變化，但總體分布形勢沒有顯著變化，見圖3。全年來看15個子流域有11個增多或略有增多，4個減少或略有減少，減少的各區(qū)分別位于流域上游的1、3、5區(qū)和12區(qū)沭河上游。對比圖3a和3b，前后有子流域5、11和14，汛期和全年變化不一致，但變化量并不大。

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

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

對比圖4主汛期（6—9月）面雨量，分布略有不同，超過600 mm的子流域分別是4區(qū)、10區(qū)、11區(qū)、1區(qū)和7區(qū)，最少的5區(qū)448 mm位于流域西北部?？傮w來看呈現(xiàn)東南向西北逐漸遞減。

圖4 1960—2018年6—9月主汛期淮河流域年均面降水量分布（單位：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，超過70%的4個子流域（12～15區(qū)）全部位于流域北部的沂沭泗地區(qū)。與此相反，汛期降水占全年降水比值少于60%的1、2、4、7區(qū)全部位于桐柏山區(qū)和大別山區(qū)。流域西南全年降水分布較均勻，而東北部沂沭泗地區(qū)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時間分布

圖5給出了各子流域面雨量逐月分布。全部15個區(qū)均是7月降水最多，其次是8月，僅2區(qū)淮河上游息縣至王家壩區(qū)間和7區(qū)淠河和潁河下游6月為次多。即淮河流域多數(shù)各區(qū)降水集中在7—8月，其次是6月。

為進一步分析各子流域的降水集中時段，圖6給出了6—9月（淮河流域汛期）5 d滑動累計面雨量時序變化。由圖6可知，淮河水系的各子流域主要降水時間均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水開始略晚一些，大約在6月底前后。對比各子流域出現(xiàn)降水峰值時間，可得到整個流域降水峰值發(fā)生在6月底至7月下旬初，表現(xiàn)為峰值時間較長的單峰型。而各子流域峰值型與出現(xiàn)時間也有所差異。子流域淮河水系1～9區(qū)，降水峰值時間分布與全流域均值相近，峰值持續(xù)時間較長，大約持續(xù)1個月。而在10區(qū)淮河下游，表現(xiàn)峰值較窄，強降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值較高，但持續(xù)時間略短，大約15 d左右。而流域北部，降水峰值略晚于南部，特別是流域東北部12區(qū)沭河上游、13區(qū)沂河上游，出現(xiàn)了顯著的雙峰形態(tài)，分別為7月上旬至7月底和8月中旬前后。這一特征與流域其他區(qū)域差異顯著。對比各子流域5 d降水量滑動累計均值可知，子流域2區(qū)、4區(qū)、7區(qū)、10～14區(qū)降水峰值顯著高于流域平均值，這些區(qū)域多數(shù)是流域南部和東北部山區(qū)，只有5區(qū)，潁河上游顯著低于全流域平均值。

圖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

圖6 1960—2018年淮河流域各子流域5 d降水量滑動累計平均Fig. 6 5-days rainfall moving cumulative average of each sub basin of Huaihe River Basin from 1960 to 2018

圖7 逐年各子流域5 d滑動降水量超過100 mm次數(shù)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極端降水分布特征

為了研究各子流域極端降水情況，文中統(tǒng)計了逐年各子流域5 d滑動降水面雨量超過100 mm的次數(shù)，見圖7。近60年中出現(xiàn)頻次最高的是1區(qū)淮河上游大坡嶺至息縣，共計108次，每年約1.8次，其次是2區(qū)、4區(qū)每年達到1.6次，12區(qū)沭河上游每年達到1.5次。與前3名相比，沭河上游所有超過100 mm的過程全部集中在6—9月，而其他三區(qū)每年有約0.3 次超過100 mm的過程發(fā)生在非汛期。即這3個子流域在非汛期，特別是5月和10月也有發(fā)生極端降水的可能。發(fā)生頻次最低的是8區(qū)渦河及淮河中游、淮干，每年僅有約0.6次，且全部集中發(fā)生在6—9月。下面給出了各流域歷史過程降水量排名前5名的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，見表2。

對比淮河干流王家壩水文站近60年排名第一的水位發(fā)生在1968年7月16日，為30.35 m，由表2可知，此次洪水主要發(fā)生在淮河干流上游1區(qū)、2區(qū)和4區(qū)，流域其他區(qū)域降水不明顯，表明是一次區(qū)域性大洪水。而王家壩水文站近60年排名第二的水位發(fā)生在2007年7月11日，為29.59 m，由全流域性降水造成，特別是由上游降雨疊加中下游高水位頂托引起。中下游子流域9區(qū)面雨量排名第2。1991年7月11日淮河中游正陽關(guān)水位26.52 m，為近60年來排名第三。對比表2，子流域7區(qū)和10區(qū)都出現(xiàn)了近60年面雨量第1位，正陽關(guān)的高水位由全流域強降水引起，特別是由淮河下游和淮河山區(qū)強降水造成。由表2可分析出導(dǎo)致沂沭泗最大洪水歸因于1974年8月13—14日沂沭上游、下游同時出現(xiàn)了極端強降水。此外由表2可進一步得出，強降水出現(xiàn)時間主要集中在6月中下旬至7月，即淮河流域主汛期，如1968、1991、2003、2005、2007年等。而也有少數(shù)強降水極值出現(xiàn)在8月，甚至延伸至9月，此種情況多數(shù)是由汛后臺風(fēng)或臺風(fēng)低壓引起的強降水導(dǎo)致的，如3區(qū)洪汝河上游降水量為544.4 mm、5區(qū)潁河上游為249.4 mm，由臺風(fēng)“妮娜（1975）”減弱后的低壓引發(fā)。從強降水出現(xiàn)的時間來看，除了需要關(guān)注汛期持續(xù)強降水以外，同時也要關(guān)注汛后臺風(fēng)及臺風(fēng)低壓的影響。

從極端降水風(fēng)險來看，圖8給出了 1960—2018年各子流域5 d滑動降水最大值分布。大部分極值超過200 mm，超過300 mm的區(qū)域主要位于淮河上游1～4區(qū)，淮河上游、洪汝河上游、史河流域，沂河和沭河流域也有300 mm左右極值區(qū)，最大沭河上游達到394.7 mm。從風(fēng)險高發(fā)區(qū)域來看，氣象服務(wù)重點需要關(guān)注流域西部伏牛山區(qū)、西南部大別山區(qū)、桐柏山區(qū)及流域東北部沂蒙山區(qū)。

表2 P1～P15流域歷史過程降水量前5名時間及降水量（單位：mm）Table 2 Top 5 time and rainfall of historical process rain in p1—p15 Basin (unit: mm)

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

4 結(jié)論與展望

通過統(tǒng)計與分析淮河流域各子流域降水面雨量不同時間尺度的特征，文中主要結(jié)論如下。

1）淮河流域各子流域年降水量分布與各區(qū)所處緯度呈顯著負相關(guān)，而主汛期降水量表現(xiàn)為自東南向西北逐漸遞減，從年代變化來看，流域內(nèi)大部分（11個區(qū)）降水略呈增多趨勢，但并不顯著。

2）淮河流域各子流域降水最集中期多數(shù)在7—8月，僅流域西南部少數(shù)區(qū)集中在6—7月。從降水峰值開始時間分析，淮河水系的各子流域主要降水時間均始于6月15日前后，而沂沭泗水系主要降水開始略晚一些，大約在6月底前后。

3）子流域淮河水系1～9區(qū)，降水峰值時間分布與全流域均值接近，峰值持續(xù)時間較長，大約1個月左右。而在10區(qū)淮河下游，降水峰值較窄，強降水峰值在7月上旬至中旬前期，峰值較高，但持續(xù)時間大約僅15 d左右。流域北部，降水峰值略晚于南部，特別是區(qū)域東北部12區(qū)沭河上游、13區(qū)沂河上游，出現(xiàn)了顯著的雙峰形態(tài)。

4）5 d面雨量超過100 mm的次數(shù)，出現(xiàn)頻次最高的是1區(qū)淮河上游大坡嶺至息縣，每年約1.8次，其次是2區(qū)、4區(qū)每年達到1.6次，另外在12區(qū)沭河上游每年達到1.5次。

5）5 d面雨量極值主要由汛期集中強降水和汛后臺風(fēng)暴雨引起，同時它與局地洪水過程存在很好的對應(yīng)關(guān)系，高風(fēng)險區(qū)域位于伏牛山區(qū)、桐柏山區(qū)、大別山區(qū)以及沂蒙山區(qū)。

文中以淮河流域所有雨量站近60年逐日降水觀測資料為基礎(chǔ)，分析了淮河流域面雨量氣候特征等，得到了較多有益的結(jié)論，如5 d累積面雨量與歷史資料對比分析，它與歷史資料的極值資料的排序，可以初步分析它將帶來的影響，這一指標可應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)預(yù)報中。后期將基于大氣再分析、數(shù)值天氣預(yù)報模式資料和衛(wèi)星反演降水等資料開展淮河流域降水產(chǎn)生機理等研究，并基于格點資料得出較多區(qū)域特征信息，以更好地開展公共氣象服務(wù)，服務(wù)于民生。