1960-2019年河南省降水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

張志高, 張凱昭, 蔡茂堂, 尹紀(jì)媛, 劉 晴, 劉慧穎

(1.安陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 河南 安陽(yáng) 455000;2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081)

降水作為全球水循環(huán)的重要方面，直接關(guān)系到地表徑流和干濕狀況，是氣候和水文氣象最重要的變量之一[1-2]。20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候顯著變暖，19世紀(jì)60年代以來(lái)，人為造成的全球變暖已經(jīng)達(dá)到0.87℃[3]，以增溫為主要特征的全球氣候變化正顯著影響全球水文循環(huán)，改變降水的時(shí)空分布，導(dǎo)致洪澇、干旱、臺(tái)風(fēng)等極端事件頻發(fā)，深刻影響人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地球生態(tài)環(huán)境[4-6]。降水結(jié)構(gòu)是水循環(huán)的重要指標(biāo)，鑒于降水結(jié)構(gòu)變化對(duì)水文過(guò)程的影響，降水結(jié)構(gòu)分析已成為氣候研究的熱點(diǎn)。

目前已有的降水結(jié)構(gòu)研究主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是基于逐小時(shí)降水資料，分析區(qū)域降水日變化特征，如張煥等[7]分析了西南地區(qū)不同季節(jié)降水時(shí)數(shù)、雨強(qiáng)以及極端強(qiáng)降水的變化特征；多典洛珠等[8]采用諧波等分析方法揭示了拉薩汛期小時(shí)降水的演變規(guī)律，并對(duì)比了不同歷時(shí)和等級(jí)降水的頻次和貢獻(xiàn)；伍紅雨等[9]分析了廣東小時(shí)強(qiáng)降水在汛期前后的時(shí)空差異；宋曉猛等[10]探討了北京地區(qū)不同歷時(shí)和不同等級(jí)降水的時(shí)空演變規(guī)律，認(rèn)為降水歷時(shí)和等級(jí)的空間分布受地形特征影響。另一類(lèi)則以日降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討不同歷時(shí)和等級(jí)降水的時(shí)空分布特征，如盧珊等[11]對(duì)陜西省不同等級(jí)降水研究發(fā)現(xiàn)，降水量與降水日數(shù)呈下降趨勢(shì)，降水強(qiáng)度以0.15 mm/a的趨勢(shì)增加；劉占明等[12]對(duì)北江流域的汛期降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)中短歷時(shí)降水發(fā)生率下降，貢獻(xiàn)率上升，長(zhǎng)歷時(shí)降水發(fā)生率、貢獻(xiàn)率下降，小雨、中雨發(fā)生率、貢獻(xiàn)率下降，大雨、暴雨發(fā)生率、貢獻(xiàn)率上升；趙華榮等[13]對(duì)廣西地區(qū)降水結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)各歷時(shí)降水發(fā)生率隨著降水歷時(shí)增加逐漸減少，3 d降水歷時(shí)貢獻(xiàn)率最大；起永東等[14]分析了漢江流域降水時(shí)空分布特征，并探討了海溫及大氣環(huán)流對(duì)流域降水的影響；陳東輝等[15]分析了東北地區(qū)夏季不同等級(jí)降水的氣候變化特征，認(rèn)為氣溫增加和氣溶膠濃度增加是導(dǎo)致小雨量減少的主要原因。

河南省地跨南北氣候過(guò)渡帶，受季風(fēng)以及區(qū)域內(nèi)地形差異以及全球氣候變化的影響，降水時(shí)空分布不均，夏季降水量占全年降水量的50%～60%，致使旱澇等氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁，如河南“75·8特大暴雨”等[16]給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了諸多不利影響。以往關(guān)于河南省降水方面的研究主要集中于突發(fā)性強(qiáng)降水過(guò)程的診斷分析[17]、極端降水[18]或降水變化的平均態(tài)[19]]等方面，而對(duì)河南省降水結(jié)構(gòu)方面的研究還較少。因此，本文采用1960—2019年河南省17個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，從不同歷時(shí)和等級(jí)降水時(shí)空演變規(guī)律及其發(fā)生率和貢獻(xiàn)率方面探討河南省近60 a來(lái)降水結(jié)構(gòu)變化特征，以期為深入認(rèn)識(shí)氣候變化背景區(qū)域水循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)以及防洪抗災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省位于31°23′—36°22′N(xiāo)，110°21′—116°39′E。全省地勢(shì)西高東低，北、西、南三面太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布，中、東部為華北平原，西南部為南陽(yáng)盆地。河南省氣候自南向北由亞熱帶向暖溫帶氣候逐漸過(guò)渡，氣候溫和，四季分明，雨熱同期，年平均氣溫在12～16℃，年降水量為500～1 400 mm，降水多集中于6—8月。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

河南省17個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2019年逐日降水氣象資料來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)地面氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)中的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(http:∥cdc.Cma.Gov.cn)，并通過(guò)初步質(zhì)量控制。研究區(qū)域及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

2.2 降水歷時(shí)和降水等級(jí)劃分

參考有關(guān)資料并根據(jù)氣象部門(mén)規(guī)定，將降水量≥0.1 mm的情況視為發(fā)生了有效降水[20]，以此將連續(xù)有效降水日數(shù)定義為降水歷時(shí)，結(jié)合河南省自身情況，將降水歷時(shí)劃分為1 d，2 d，3 d，4 d以及≥5 d(連續(xù)降水日數(shù)達(dá)5日及以上)5個(gè)等級(jí)。根據(jù)《降水量等級(jí)(GB/T 28592—2012)》，將河南省降水等級(jí)按照降水量大小的不同依次劃分為4類(lèi)：小雨(0.1～10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(25～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布

2.3 研究方法

采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)降水事件進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)[21]，并判斷其顯著性，統(tǒng)計(jì)量Z為正值表示序列呈增加趨勢(shì)，負(fù)值表示呈減少趨勢(shì)，|Z|≥1.28，1.64，2.32時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%，95%，99%顯著性檢驗(yàn)。

此外，采用一元線(xiàn)性回歸法分析氣象要素變化趨勢(shì)，基于ArcGIS平臺(tái)，運(yùn)用克里金插值對(duì)河南省降水相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行空間插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 河南省各歷時(shí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率空間變化特征

河南省各站點(diǎn)降水歷時(shí)發(fā)生率及其空間分布如圖2A、圖3所示。由圖2A可知，河南省降水發(fā)生率整體隨降水歷時(shí)的增加而降低，各歷時(shí)降水平均發(fā)生率表現(xiàn)為1 d(44.66%)>2 d(29.37%)>3 d(12.30%)>5 d及以上(6.87%)>4 d(6.80%)，短歷時(shí)(1～2 d)降水發(fā)生率達(dá)74.03%，占據(jù)主導(dǎo)地位。在空間分布上，各站1 d降水歷時(shí)發(fā)生率為36.31%～51.19%(圖3)，大致呈由南向北逐漸增加趨勢(shì)，東南部桐柏、信陽(yáng)和固始1 d降水發(fā)生率較小，均在37.90%以下，北部安陽(yáng)和新鄉(xiāng)最高，在50.79%以上。2 d歷時(shí)降水發(fā)生率為27.51%～30.70%，西南部西峽和南陽(yáng)較低，在27.98%以下，鄭州最高為30.70%。3 d歷時(shí)降水發(fā)生率在9.75%～14.44%，東南部桐柏和固始較高，在14.34%以上，北部安陽(yáng)和新鄉(xiāng)較低，在9.87%以下。4 d歷時(shí)降水發(fā)生率在4.83%～9.80%，桐柏最高，新鄉(xiāng)最低?！? d歷時(shí)降水發(fā)生率在4.80%～10.70%，信陽(yáng)最高，安陽(yáng)最低。整體上看，1 d，2 d歷時(shí)降水發(fā)生率總體呈由南往北逐漸增加趨勢(shì)，3 d以上歷時(shí)降水呈由南向北減少趨勢(shì)。

由圖2B可知，全省各歷時(shí)降水平均貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為≥5 d(26.73%)>2 d(26.20%)>3 d(18.68%)>4 d(14.43%)>1 d(13.96%)。在空間分布上(圖4)，1 d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率為8.84%～20.92%，北部安陽(yáng)和新鄉(xiāng)等站較高，在18.20%以上，東南部桐柏、信陽(yáng)和固始等站較小，在9.84%以下。2 d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率為19.92%～32.67%，中北部鄭州、安陽(yáng)和新鄉(xiāng)等站較高，在31.22%以上，東南部桐柏和信陽(yáng)等站較小，在21.74%以下。3 d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率為15.88%～20.70%，整體呈由東南向西北遞減趨勢(shì)。4 d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率為10.12%～16.86%，桐柏最高，新鄉(xiāng)最低，整體呈由西南向東北遞減趨勢(shì)?！? d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率為18.52%～35.33%，整體呈由南向北遞減趨勢(shì)。整體上看，短歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)由南向北增加的趨勢(shì)，3 d以上歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)由南向北減少的趨勢(shì)。

注：1鄭州；2寶豐；3許昌；4開(kāi)封；5商丘；6永城；7西華；8孟津；9三門(mén)峽；10南陽(yáng)；11桐柏；12西峽；13駐馬店；14信陽(yáng)；15固始；16安陽(yáng)；17新鄉(xiāng)。下圖同。

圖3 河南省各歷時(shí)降水發(fā)生率空間分布

圖4 河南省各歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率空間分布

3.2 河南省各等級(jí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率空間變化特征

河南省各站點(diǎn)各等級(jí)降水發(fā)生率如圖5A、圖6所示。由圖5A可知，河南省各等級(jí)降水發(fā)生率隨降水等級(jí)增加而降低，全省小雨發(fā)生率平均為76.99%，暴雨發(fā)生率僅為2.63%。在空間分布上(圖6)，小雨發(fā)生率為73.37%～80.28%，大致呈由東南向西北遞增趨勢(shì)，東南部桐柏和駐馬店小雨發(fā)生率較小，在73.93%以下，西北部三門(mén)峽和新鄉(xiāng)最高，在79.44%以上。中雨發(fā)生率為13.10%～16.79%，新鄉(xiāng)最小，永城最大。大雨發(fā)生率為4.77%～6.80%，東南部桐柏和駐馬店較高，在6.56%以上，三門(mén)峽最小。暴雨發(fā)生率在0.94%～3.68%，整體呈東南向西北減小趨勢(shì)，駐馬店最大，三門(mén)峽最小。整體上看，小雨發(fā)生率由東南向西北遞增，中雨、大雨和暴雨發(fā)生率由東南向西北遞減。

河南省各站點(diǎn)各等級(jí)降水貢獻(xiàn)率如圖5B、圖7所示。小雨、中雨、大雨和暴雨平均貢獻(xiàn)率分別為23.36%，28.20%，24.59%，23.86%，較為均衡。在空間分布上(圖7)，小雨貢獻(xiàn)率為19.11%～30.84%，大致呈由東南向西北遞增趨勢(shì)，東南部桐柏和駐馬店小雨貢獻(xiàn)率較小，在19.79%以下，西北部三門(mén)峽和孟津最高，在26.59%以上。中雨貢獻(xiàn)率為25.88%～34.14%，商丘最小，三門(mén)峽最大。大雨貢獻(xiàn)率為22.49%～27.41%，南部桐柏和南陽(yáng)較小，在22.71%以下，孟津最大。暴雨貢獻(xiàn)率為9.87%～30.82%，整體呈東南向西北減小趨勢(shì)，桐柏最大，三門(mén)峽最小。整體上看，小雨、中雨和大雨貢獻(xiàn)率由東南向西北遞增，暴雨貢獻(xiàn)率由東南向西北遞減。

圖5 河南省各等級(jí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率

3.3 河南省各歷時(shí)降水變化趨勢(shì)空間特征

河南省各歷時(shí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8A可知，歷時(shí)1～3 d的降水發(fā)生率呈上升趨勢(shì)的居多，但較少站點(diǎn)能通過(guò)90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)，說(shuō)明這種變化不顯著。4 d和≥5 d降水發(fā)生率則大多呈下降趨勢(shì)，且較多數(shù)據(jù)通過(guò)了90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)，在≥5 d降水中，寶豐、許昌、商丘、永城、三門(mén)峽、南陽(yáng)、固始甚至通過(guò)了99%的置信檢驗(yàn)(p<0.01)，說(shuō)明對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)(4 d以上)降水來(lái)說(shuō)，發(fā)生率整體呈現(xiàn)出比較明顯的下降趨勢(shì)。

歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)(圖8B)與發(fā)生率較為相似，大部分站點(diǎn)1～3 d歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì)，且有近半的站點(diǎn)通過(guò)了90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)。4 d和≥5 d的降水貢獻(xiàn)率則大多呈下降趨勢(shì)，表明長(zhǎng)歷時(shí)降水呈減少趨勢(shì)，在≥5 d降水中，所有的站點(diǎn)Z值小于0，且多數(shù)站點(diǎn)通過(guò)了90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)，說(shuō)明長(zhǎng)歷時(shí)降水的貢獻(xiàn)率明顯下降。

3.4 河南省各等級(jí)降水變化趨勢(shì)空間特征

河南省各等級(jí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9A可知，小雨和中雨發(fā)生率變化趨勢(shì)比較明顯，除孟津外，16個(gè)站點(diǎn)小雨發(fā)生率呈下降趨勢(shì)，11個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)，5個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了99%的置信檢驗(yàn)(p<0.01)。大部分站點(diǎn)中雨發(fā)生率呈增加趨勢(shì)，鄭州等9個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了90%的置信檢驗(yàn)(p<0.1)。大部分站點(diǎn)大雨和暴雨發(fā)生率呈增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)不明顯。

由圖9B可知，小雨和中雨貢獻(xiàn)率呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)較多，大雨和暴雨貢獻(xiàn)率呈增加趨勢(shì)的站點(diǎn)較多，但整體上各等級(jí)降水貢獻(xiàn)率無(wú)論是增加趨勢(shì)還是下降趨勢(shì)都不太顯著。

4 討 論

結(jié)果表明1960—2019年河南省降水發(fā)生率整體隨降水歷時(shí)和降水等級(jí)的增加而降低，短歷時(shí)(1～2 d)降水發(fā)生率為74.03%，占據(jù)主導(dǎo)地位，小雨發(fā)生率為76.99%，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與前人研究[12-13,20]較為一致。

河南省各降水歷時(shí)和降水等級(jí)發(fā)生率、貢獻(xiàn)率的空間差異顯著，這與全省地跨南北氣候過(guò)渡帶，深受季風(fēng)氣候影響有關(guān)。豫南固始、信陽(yáng)等站點(diǎn)位于秦嶺—淮河一線(xiàn)附近，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水豐富、雨季時(shí)間較長(zhǎng)，暴雨、強(qiáng)降水發(fā)生率較高；豫西北地區(qū)暴雨發(fā)生率和貢獻(xiàn)率較低，原因是大陸性氣候較強(qiáng)、季風(fēng)相對(duì)較難深入。

圖6 河南省各等級(jí)降水發(fā)生率空間分布

圖7 河南省各等級(jí)降水貢獻(xiàn)率空間分布

圖8 河南省各站點(diǎn)各歷時(shí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

圖9 河南省各站點(diǎn)各等級(jí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

河南省降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)與已有研究結(jié)果也較為一致。降水歷時(shí)方面，全省中短歷時(shí)(1～3 d)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì)，而長(zhǎng)歷時(shí)降水則顯著下降，這與前人在廣西[13]、長(zhǎng)江上游地區(qū)等[20]地研究結(jié)果一致。降水等級(jí)方面，河南省小雨發(fā)生率、貢獻(xiàn)率呈下降趨勢(shì)，而暴雨發(fā)生率和貢獻(xiàn)率增加，Qian等[22]研究發(fā)現(xiàn)近幾十年來(lái)我國(guó)東部小雨減少，盧珊等[11]研究發(fā)現(xiàn)陜西省小雨呈顯著下降趨勢(shì)，暴雨呈上升趨勢(shì)，董旭光等[23]研究發(fā)現(xiàn)山東省近50 a來(lái)暴雨呈增加趨勢(shì)。近60 a來(lái)河南省不同等級(jí)降水變化趨勢(shì)表明全省降水結(jié)構(gòu)有向極端強(qiáng)降水轉(zhuǎn)移的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

本文從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度探討了近60 a來(lái)河南省降水結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，但對(duì)于降水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制如大氣環(huán)流、城市化過(guò)程的影響以及降水結(jié)構(gòu)變化對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的影響仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

(1) 河南省降水發(fā)生率整體隨降水歷時(shí)的增加而降低，其中1 d降水歷時(shí)的發(fā)生率平均為44.66%，≥5 d降水歷時(shí)發(fā)生率平均為6.87%，短歷時(shí)(1～2 d)降水發(fā)生率達(dá)74.03%，居主導(dǎo)地位。各歷時(shí)降水平均貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為≥5 d(26.73%)>2 d(26.20%)>3 d(18.68%)>4 d(14.43%)>1 d(13.96%)；降水發(fā)生率隨降水等級(jí)增加而降低，小雨發(fā)生率為76.99%，暴雨僅為2.63%，各等級(jí)降水貢獻(xiàn)率為23.36%～28.20%，分布較為均衡。

(2) 短歷時(shí)(1～2 d)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率呈由南往北逐漸增加趨勢(shì)，3 d以上歷時(shí)降水發(fā)生率和貢獻(xiàn)率呈由南向北減少趨勢(shì)。小雨發(fā)生率由東南向西北遞增，中雨、大雨和暴雨發(fā)生率由東南向西北遞減。小雨、中雨和大雨貢獻(xiàn)率由東南向西北遞增，暴雨貢獻(xiàn)率由東南向西北遞減。

(3) 中短歷時(shí)(1～3 d)降水發(fā)生率呈不顯著上升趨勢(shì)，4 d以上歷時(shí)降水發(fā)生率呈顯著下降趨勢(shì)；中短歷時(shí)降水貢獻(xiàn)率呈顯著上升趨勢(shì)，≥5 d歷時(shí)降水發(fā)生率顯著下降；各等級(jí)降水變化趨勢(shì)方面，小雨發(fā)生率呈顯著下降趨勢(shì)，中雨發(fā)生率呈顯著增加趨勢(shì)，小雨和中雨貢獻(xiàn)率不顯著下降；大雨和暴雨發(fā)生率和貢獻(xiàn)率不顯著增加。