1960—2020年淮河流域不同等級降水日數時空變化特征

摘要：基于淮河流域40個氣象站點1960—2020年逐日降水數據，采用Mann-Kendall突變檢驗和Morlet小波分析等方法，對淮河流域不同等級降雨日數及雨日概率時空分布特征進行分析.結果表明，1960—2020年淮河流域年總雨日均值為101.13 d，小雨日數占總降雨日數的75.08%，對流域總降水日數起重要作用.近61年來淮河流域小雨、大雨、暴雨和總降水日數均呈減少趨勢，小雨日數對淮河流域年總降水日數的減少起決定性作用；總雨日氣候概率在0.088～0.536之間，各等級降水年內雨日概率分布表現為平緩型和單峰型.流域各等級降水日數和雨日概率整體呈由南向北遞減的分布特征，東南部和西南部降雨日數和雨日概率較高，流域北部沂源-兗州-開封-鄭州一線較低.流域各等級降水存在28 a和22 a左右的長周期變化，以及8 a和4 a左右的短周期變化.

關鍵詞：降水等級；降水日數；雨日概率；時空變化；淮河流域

中圖分類號：P 426""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1001-988Ⅹ（2024）04-0026-09

Spatio-temporal characteristics of precipitation days for different

grades in Huaihe River Basin during 1960—2020

YUAN Zheng1，ZHANG Zhi-gao2，LI Su3，LIU Jia-yi2，

WANG Jia-xin2，WANG Yun4，CAI Mao-tang5

（1.School of Mathematics and Information Science，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，Henan，China；

2.School of Resources Environment and Tourism，Anyang Normal University，Anyang 455000，Henan，China；

3.School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China；

4.Dingxi Meteorological Office of Gansu，Dingxi 743000，Gansu，China；

5.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China）

Abstract：Based on the daily precipitation data of 40 meteorological stations in the Huaihe River Basin from 1960 to 2020，the spatial and temporal distribution characteristics of the number of rainfall days and the probability of rainy days at different grades were analyzed by using Mann-Kendall mutation test and Morlet wavelet analysis.The results showed that from 1960 to 2020，the average annual total rainfall days in the Huaihe River Basin was 101.13 d，and the number of light rain days accounted for 75.08% of the total rainfall days，which played an important role in the total rainfall days in the Basin.In the past 61 years，the number of light rain，heavy rain，storm rain and total precipitation days in the Huaihe River Basin has decreased，the number of light rain days played a decisive role in the reduction of the total annual precipitation days.The climate probability of total rainy days in the Huaihe River Basin was 0.088～0.536 in recent 61 years.The probability distribution of rainy days in each grade of precipitation in the year showed two types：gently and unimodal type.The number of rainfall days and the probability of rainy days at all grades in the basin were decreasing from south to north.The number of rainfall days and the probability of rainy days were higher in the southeast and southwest of the basin，and lower along the Yiyuan-Yanzhou-Kaifeng-Zhengzhou in the northern basin.There were long period changes of 28a and 22a，and short period changes of 8a and 4a in precipitation of all grades in the basin.

Key words：precipitation grade;precipitation day;probability of rainy day;spatial and temporal variation;Huai River Basin

降水是表征氣候變化的重要氣象要素之一，是全球水循環(huán)的核心組成部分，其時空變化直接關系到地表徑流和干濕狀況，對社會經濟和生態(tài)環(huán)境影響顯著［1-2］.

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）

第六次評估報告指出，全球地表溫度正以前所未有的速度上升，2011—2020年全球平均表面溫度相比1850—1900年上升了1.09 ℃［3］.全球變暖的持續(xù)發(fā)展將顯著影響全球水文循環(huán)，改變氣溫、降水等要素的地理分布，致使降水的非均勻性加劇，引致干旱、臺風和極端降水事件頻發(fā)［4-7］.旱澇災害的發(fā)生不僅與降水量有關，同時也與降水頻率和強度密切相關［8］，因此，不同等級降水的時空演變規(guī)律受到了國內外學者的廣泛關注［9-11］.孔鋒等［12］發(fā)現，近50年來我國北方地區(qū)小雨量減少，南方地區(qū)小雨量增加，暴雨量在長江中下游以南地區(qū)呈顯著增加趨勢.任國玉等［13］研究發(fā)現，我國暴雨日數整體呈較顯著的上升趨勢，但不同流域的變化趨勢存在差異，南方各大河流域暴雨日數增加，海河流域暴雨日數呈較明顯的下降趨勢.汪衛(wèi)平等［14］研究發(fā)現，我國季風區(qū)小雨日數呈顯著下降趨勢，而干旱半干旱區(qū)小雨日數呈增加趨勢.韓軍彩等［15］分析了石家莊市不同等級降水日數的時空分布，發(fā)現石家莊市年降水日數和各等級降水日數均呈減少趨勢.李春等［16］分析了天津降水日數的變化特征，發(fā)現近50年天津年降水日數總體呈減少趨勢，并在1980年前后發(fā)生突變.董滿宇等［17］發(fā)現1960—2017年太湖流域小雨日數、年總降水日數顯著減少，大雨量、暴雨量及年總降水量顯著增加.盧珊等［18］研究發(fā)現，1961—2015年陜西年均降水量和降水日數呈減少趨勢，年均降水強度呈增加趨勢.王延吉等［19］發(fā)現，長白山地區(qū)小雨、中雨和大雨降水量和天數呈下降趨勢，暴雨降水量和天數呈現不顯著的增加趨勢.王芬等［20］研究發(fā)現，1963—2011年貴州小雨日、中雨日和大雨日都呈減少趨勢，暴雨日呈增加趨勢.劉衛(wèi)林等［21］發(fā)現，贛江流域小雨和中雨降水量和日數減少，大雨和暴雨增多.我國地域遼闊，各地不同等級降水變化具有明顯的區(qū)域性特征，因此，探究區(qū)域不同等級降水變化特征，對于揭示氣候變化規(guī)律以及災害防治等具有重要意義.

淮河流域地處我國東部，介于長江和黃河兩流域之間，為南北氣候過渡區(qū)的典型區(qū)域，流域內降水分布不均.隨著全球氣候變暖，淮河流域極端氣候事件頻發(fā)，嚴重威脅流域脆弱的生態(tài)環(huán)境.以往關于淮河流域降水方面的研究主要集中于降水變化的平均態(tài)［22］或極端降水［23］等方面，而對流域不同等級降水方面的研究較少.本文基于1960—2020年淮河流域降水資料，采用Mann-Kendall突變檢驗和Morlet小波分析等方法，探討淮河流域各等級降水的時空變化特征，以期為深入認識氣候變化背景下區(qū)域水循環(huán)對氣候變化的響應以及流域水資源開發(fā)利用提供依據.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域（111°55′～121°20′E，30°55′～36°20′N）位于黃河和長江之間，西起桐柏山，東臨黃海，南至大別山，北以沂蒙山脈與黃河流域毗鄰，包括河南、安徽、江蘇和山東4省，面積約27×104 km2.淮河流域地處南北氣候過渡帶，北部為暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，南部為亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年均降雨量約920 mm，降水分配不均，冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨.流域降水由南向北遞減，山區(qū)多于平原地區(qū)，東部沿海大于內陸地區(qū).

1.2 數據來源

淮河流域40個氣象站點1960—2020年逐日降水數據源自中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma.cn）中國地面氣候資料日值數據集.該數據集經過了極值檢驗和RHtest均一性檢驗.研究區(qū)域及站點分布如圖1所示.

1.3 研究方法

根據《降水量等級（GB/T28592-2012）》將淮河流域降水等級按照降水量大小的不同依次劃分為小雨（0.1 mm～10 mm）、中雨（10 mm～25 mm）、大雨（25 mm～50 mm）和暴雨（≥50 mm）4個等級，據此統(tǒng)計不同等級的降水日數.采用一元線性回歸法分析氣象要素變化趨勢，采用Mann-Kendall檢驗法對淮河流域不同等級降水日數進行突變分析［24］；采用Morlet小波分析［25］對淮河流域降水周期變化特征進行分析，基于ArcGIS10.2平臺，采用克里金插值和自然斷點法分析不同等級降水空間分布特征.

2 結果與分析

2.1 降雨日數時間變化

1960—2020年淮河流域年總雨日數變化如圖2所示，不同等級年降雨日數變化如圖3所示.由圖2可知，1960—2020年淮河流域多年平均降雨日數在77.02～148.12 d，均值為101.13 d， 1964年最多，1995年最少，相差71.1 d.小雨日數多年平均為75.93 d，最高為1964年的115.32 d，最小為1995年的56.47 d，極差為58.85 d.中雨日數在9.85～22.17 d之間，多年平均為15.54 d，2019年最低，2003年最高，相差12.32 d.大雨日數多年平均為6.54 d，最低為1978年的3.92 d，最高為1964年的9.12 d，相差5.2 d；暴雨日數多年平均為3.11 d，最低為1966年的1.25 d，最高為2003年的5.22 d，相差3.97 d.近61年淮河流域

各等級降水日數多年均值表現為小雨（75.93 d）gt;

中雨（15.54 d）gt;大雨（6.54 d）gt;暴雨（3.11 d），分別占總降雨日數的75.08%，15.37%，6.46%和3.07%.小雨、大雨和年總降水日數的最大值都發(fā)生在1964年，小雨和年總降水日數的最小值都發(fā)于1995年.從變化趨勢來看，近61年來淮河流域年總降水日數以-4.20 d/10a的傾向率呈遞減趨勢，小雨、大雨和暴雨日數均呈減少趨勢，傾向率分別為-4.24 d/10 a，-0.02 d/10 a和-0.001 d /10 a，中雨日數以0.06 d/10 a的傾向率呈上升趨勢.因此，小雨日數的減少對淮河流域年總降水日數的減少起重要作用.

2.2 降雨日數空間分布

1960—2020年淮河流域年降雨日數空間分布如圖4所示，不同等級降水空間分布如圖5所示.由圖4可以看出，淮河流域總雨日數在75.98～142.54 d，整體呈由南向北遞減的分布特征.總雨日數在流域西南部和東南部出現了兩個高值中心，在129.39 d以上，總雨日最少的區(qū)域在流域北部沂源-兗州-開封-鄭州一帶，在83.74 d以下.從變化趨勢來看，年總雨日數傾向率在-17.25～-0.48 d/10 a，流域40個站點均呈下降趨勢，東南部大豐、阜寧、如皋和東臺形成低值中心，傾向率在-7.27 d/10 a以下，西南部霍山傾向率最高.

由圖5可見，淮河流域小雨日數在57.20～106.56 d，與總雨日數空間分布特征相似，整體呈由南向北減少的趨勢，在流域西南部和東南部出現了兩個高值中心，在94.89 d以上，小雨日最少的區(qū)域在流域北部沂源-兗州-開封-鄭州一帶，在63.39 d以下.小雨日數傾向率在-18.52～-0.44 d/10 a，流域東南部大豐、阜寧、如皋和東臺小雨日數傾向率在-8.11 d/10 a以下，形成低值中心，西部桐柏最高為-0.43 d/10 a.中雨日數在10.72～25.72 d，由南向北遞減，西南部六

安和霍山為高值中心，中雨日數在22.77 d以上，流域北部兗州-商丘-開封-鄭州一帶中雨日數偏少，在11.74 d以下.中雨日數傾向率在-0.74～0.60 d/10 a，流域西南部桐柏、信陽、固始和駐馬店為低值區(qū)，傾向率在-0.45 d/10 a以下，東南部高郵最高.大雨日數在4.43～11.67 d，淮河流域西南部是高值區(qū)，尤其是霍山和六安，大雨日數在8.67 d以上，西北部為明顯的低值區(qū)，大雨日數在5.41d以下.大雨日數傾向率在-0.50～0.46 d/10 a，24個站點傾向率小于0，流域東部灌云最低，泗洪最高.暴雨日數在1.85～4.18 d，由南向北遞減，流域西北鄭州、開封和寶豐暴雨日數最低，在2.08 d以下，西南部桐柏、信陽和霍山為暴雨日數最高在3.87 d以上.暴雨日數傾向率在-0.35～0.33 d/10 a，流域西南呈增加趨勢，阜陽傾向率最高，東北呈減少趨勢，莒縣傾向率最低.

2.3 雨日概率的年內分布特征

1960—2020年淮河流域總雨日概率年內分布如圖6所示，不同等級雨日概率的年內分布如圖7所示.在圖6和圖7中，橫坐標為365 d，縱坐標為1960—2020年共61年出現雨日的概率，如果某一日概率值為1，表明此日在同期61年中均為雨日，若概率值為0，則表明此日在同期61年中均無降水.觀察雨日概率曲線，發(fā)現淮河流域不同等級雨日概率可以分為平緩型和單峰型.

總雨日氣候概率的年內分布有一個明顯的峰值，為單峰型，出現在7月中上旬，最高概率值為0.536，且峰值陡升緩降，1月和12月為雨日低發(fā)時段，最低總雨日概率值為0.088.小雨日概率在0.073～0.330之間，整體上年內分布變化較小，峰值不明顯，為平緩型，說明流域全年多小雨日，但小雨日總體概率值相對其他等級較大，表明小雨日在一年中發(fā)生概率較大.小雨日概率高值出現在7月中上旬，而低值出現在1月.中雨日概率分布有一個明顯的峰值，為單峰型，出現在7月中上旬，最高概率值為0.095，1月與12月為中雨日低發(fā)時段，最低概率值為0.0004.大雨日有明顯的峰值，為單峰型，出現在7月中下旬，主峰值陡升陡降，最高概率值為0.073，1月和12月最低.暴雨日概率分布為單峰型，峰值出現在7月中上旬，最高為0.061，主峰值陡升緩降，8月上旬出現次峰值.總體來看，近61年淮河流域各等級降水日數概率均值表現為小雨（0.210）gt;中雨（0.043）gt;大雨（0.018）gt;暴雨（0.009），分別占總雨日數概率的75.06%，15.32%，6.53%和3.10%.

2.4 雨日概率空間分布特征

1960—2020年淮河流域總雨日概率的空間分布如圖8所示，不同等級雨日概率的空間分布如圖9所示.由圖8可知，總雨日概率在0.208～0.391之間，整體呈由南向北遞減趨勢，在流域西南部六安-霍山和東南部大豐-如皋出現了兩個高值中心，在0.355以上，最小區(qū)域在流域北部沂源-兗州-開封-鄭州一帶，在0.229以下，降雨概率相對較小.小雨日概率在0.157～0.292之間，大豐站最大，兗州最小，小雨日概率空間分布特征和總雨日相近，整體呈現由南向北的遞減趨勢，流域西南部和東南部表現為高值區(qū)域，流域北部為低值區(qū).中雨日概率有一個高值區(qū)，出現在流域西南部霍山和六安，概率在0.062以上，低值為兗州、開封和鄭州一帶，概率在0.031以下.大雨日概率由東南向西北減小，流域西南部霍山、六安、桐柏和信陽為高值中心，在0.022以上，西北部開封、鄭州和寶豐為低值中心，在0.014以下.暴雨日概率由東南向西北遞減，流域西南部和東南部出現了兩個高值中心，西北部鄭州-開封-寶豐為低值中心.

2.5 降雨日數的周期變化

1960—2020年淮河流域降雨日數Morlet小波分析結果見圖10和表1.從圖10可以看出，淮河流域總雨日數存在28 a，22 a，8 a與4 a左右的周期變化，其中28 a左右的周期震蕩具有全域性，22 a左右的周期在1975—2005年震蕩較為明顯，8 a左右的周期震蕩主要存在于1975年之前.近61年總雨日數沒有一個固定的周期，而是多種周期尺度相互嵌套.由總雨日數的小波方差圖可知，總雨日數

在28 a左右的小波方差極值表現得極為明顯，為第一主周期，此外，還存在22 a左右的第二主周期、8 a左右的第三主周期和4 a左右的第四主周期變化.近61年淮河流域各等級降水主要存在28 a和22 a左右的長周期變化，以及8 a和4 a左右的短周期變化.

2.6 降雨日數的Mann-Kendall突變檢驗

1960—2020年淮河流域總降雨日數Mann-Kendall突變檢驗結果見圖11.由圖11可知，1962—1966年總雨日UF值大于0，其余年份UF值均小于0，表明總雨日數總體上呈減少趨勢，且

1981年后UF值超過了α=0.05的信度線，總雨日數的下降趨勢更加明顯.正序列UF和反序列UB曲線在1978年相交，且交點在信度線之間，說明總雨日數在1978年發(fā)生突變，突變發(fā)生后淮河流域總雨日數平均為95.75 d，較突變發(fā)生前的114.00 d減少18.25 d.

3 結論

1）1960—2020年淮河流域多年平均降雨日數在77.02～148.12 d，平均為101.13 d.流域各等級降水日數多年均值表現為小雨（75.93 d）gt;中雨（15.54 d）gt;大雨（6.54 d）gt;暴雨（3.11 d），分別占總降雨日數的75.08%，15.37%，6.46%和3.07%.近61年來淮河流域小雨、大雨、暴雨和總降水日數均呈減少趨勢，傾向率分別為-4.24 d/10 a，-0.02 d/10 a，-0.001 d/10 a和-4.20 d/10 a，中雨日數以0.06 d/10 a的傾向率呈上升趨勢，小雨日數對流域年總降水日數的減少起決定作用.

2）近61年淮河流域總雨日氣候概率在0.088～0.536之間，各等級降水日數概率均值表現為小雨（0.210）gt;中雨（0.043）gt;大雨（0.018 d）gt;暴雨（0.009 d），分別占總日數概率的75.06%，15.32%，6.53%和3.10%.年內雨日概率分布表現為平緩型和單峰型.

3）1960—2020年淮河流域各等級降水日數和雨日概率整體呈由南向北遞減的分布特征，流域東南部和西南部降雨日數和雨日概率較高，流域北部沂源-兗州-開封-鄭州一線較低.

4）近61年淮河流域各等級降水主要存在28 a和22 a左右的長周期變化，8 a和4 a左右的短周期變化.Mann-Kendall突變分析表明，淮河流域總雨日數于1978年發(fā)生突變，突變后總雨日數平均為95.75 d，較突變前減少18.25 d.

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（責任編輯 馬宇鴻）