基于GIS的河南省1960—2020年降水時空特征分析與預測模型研究

摘要 基于河南省1960—2020年117個氣象站點的降水數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)、Mann-Kendall檢驗、Morlet小波分析、Kriging插值法對近61 a河南省的降水時空分布規(guī)律進行研究，并根據(jù)第六次耦合模式比較計劃（CMIP6）預測河南省2025、2035年的降水情況。結(jié)果表明：1960—2020年河南省年降水量自北向南逐步遞增，空間分布呈現(xiàn)出明顯的緯度地帶性規(guī)律，呈現(xiàn)出北少南多的特征；近61 a河南省年降水量第一主周期為55 a，降水周期為1971—2008年，降水具有周期時間長的特點；近61 a河南省降水量的時間變化趨勢呈現(xiàn)出持續(xù)波動的狀態(tài)，年降水量平均為584.7 mm；河南省1964、1985、2003年降水量明顯增加，1993、1996、2002、2019年降水量呈下降趨勢；河南省2025、2035年降水空間分布與過去61 a降水空間分布存在一定的相似性，各地降水量仍然存在由北向南遞增的緯度地帶性規(guī)律。

關(guān)鍵詞 降水量；時空特征；預測模型；GIS；河南省

中圖分類號 P426.6? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）11-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.041

Study on Temporal and Spatial Characteristics and Prediction Model of Precipitation in Henan Province from 1960 to 2020 Based on GIS

DONG Zhao-xuan

（School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University，Jiaozuo， Henan 454150）

Abstract Based on precipitation data from 117 meteorological stations in Henan Province from 1960 to 2020， GIS technology， Mann-Kendall test， Morlet wavelet analysis， and Kriging interpolation method were used to study the spatiotemporal distribution pattern of precipitation in Henan Province in the past 61 years. According to the Sixth Coupled Mode Comparison Plan （CMIP6）， the precipitation situation in Henan Province in 2025 and 2035 was predicted.The results showed that the annual precipitation in Henan Province from 1960 to 2020 gradually increases from north to south， and the spatial distribution showed an obvious latitudinal zonality， showing the characteristics of "less in the north and more in the south". The first main cycle of the average annual precipitation in Henan Province in the past 61 years was 55 years， and the precipitation cycle was from 1971 to 2008， precipitation had the characteristic of long cycle time. The time variation trend of precipitation in Henan Province in recent 61 years showed continuous fluctuation， and the average precipitation was 584.7 mm. In Henan Province， precipitation increased significantly in 1964， 1985 and 2003， and decreased in 1993， 1996， 2002 and 2019. The spatial distribution of precipitation in 2025 and 2035 in Henan Province was similar to that in the past 61 years， and there was still a latitudinal zonal law of increasing precipitation from north to south.

Key words Precipitation;Temporal and spatial characteristics;Prediction model;GIS;Henan Province

基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0600404）。

作者簡介 董兆軒（2000—），男，陜西西安人，從事測繪與GIS應用研究。

收稿日期 2023-08-16

降水量是影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的重要決定因素之一。河南省作為我國的糧食大省，近年來極端氣象事件頻發(fā)，夏季汛期出現(xiàn)過多次降水災害［1］。因此，科學掌握河南省降水的時空特征顯得尤為關(guān)鍵。國內(nèi)很多學者對河南省降水特征進行了分析，并取得一定成果［1-8］，如凌敏華等［1］利用趨勢檢驗研究降水時空演變特征，得出降水界限值存在明顯的年際變化特征；沈?qū)幘甑龋?］研究得出年降水量分布具有明顯的空間差異。

河南省位于我國南部與中部的氣候過渡帶，具有雨熱同期的特點，環(huán)境溫暖潮濕，但由于天氣變化劇烈，導致干濕季節(jié)變化強烈，年降雨量為461.5～1 065.6 mm。河南省降水量變化強烈，干旱和洪水等自然災害頻繁出現(xiàn)，對當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟造成巨大的損失。筆者針對河南省的降水時空特征問題，基于1960—2020年河南省117個地面氣象站點的全時段降水數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)、Mann-Kendall檢驗方法探究降水的年際變化趨勢，根據(jù)年際變化趨勢，用Morlet分析方法探討降水的周期變化情況，并根據(jù)2種方法的分析結(jié)果，通過Kriging空間插值法對氣象站數(shù)據(jù)進行空間插值，分析近61年來河南省降水的空間分布特征和變化趨勢，再根據(jù)第六次耦合模式比較計劃（CMIP6）預測河南省2025、2035年的降水情況，以期為河南的農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略部署提供相關(guān)參考資料。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國中東部，地處華中平原的黃河中下游地區(qū)，土地面積約16.7萬km2，地勢西高東低，地貌類型復雜多樣。河南省處于南北氣候過渡帶，易受季風氣候及全球變暖等氣候因素影響，從而引起區(qū)域水循環(huán)的變化［3］，導致產(chǎn)生較為復雜的降水時空變化，每年5—10月區(qū)域汛期降水量占全年降水量的70%～80%。由于全球氣候變暖的原因，近年來河南省極端降水頻率增加。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究數(shù)據(jù)主要包括國家氣象站觀測降水數(shù)據(jù)、河南省數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供的1960—2020年河南省117個氣象觀測站的全時段逐日降水數(shù)據(jù)，其區(qū)位及遴選的氣象站空間分布如圖1所示。河南省DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，通過對應氣象站點建立年平均降水量方程式，并對數(shù)據(jù)進行處理，得到逐年降水量的平均值，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進行進一步研究。河南省數(shù)字高程模型如圖2所示。

1.3 研究方法

1.3.1 降水趨勢檢驗。

在氣象學領(lǐng)域，基于Rank的非參數(shù)曼肯德爾法（Mann-Kendall檢驗法）常被應用于時間序列變化趨勢研究中［4-5］。為探尋河南省降水的時空特征，該研究根據(jù)年降水數(shù)據(jù)序列，構(gòu)造統(tǒng)計量Mann-Kendall秩次相關(guān)系數(shù)，且無需考慮樣本分布規(guī)律、異常值影響。由n個樣本量的時間序列，構(gòu)造的秩序列為：

S=n-1k=1nj=k+1Sgn（1）

Sgn（Xj-Xk）=1Xj-Xk>0

0Xj-Xk=0

-1Xj-Xk<0（2）

式中，S服從正態(tài)分布，Sgn（）為符號函數(shù)。當n>10時，標準正態(tài)統(tǒng)計變量為：

Z=

S-1Var（S）S<0

0S=0

S+1Var（S）S<0（3）

式中：Z為標準正態(tài)分布統(tǒng)計量，Z是根據(jù)時間序列順序計算出的統(tǒng)計量序列；α為顯著性水平。將UF和UB曲線結(jié)果與0.05顯著曲線進行對照：若UF>UB，說明序列有明顯趨勢變化；當UF>0，說明序列呈上升趨勢，當UF<0，說明序列呈下降趨勢；若超過臨界值，則呈現(xiàn)顯著的上升或下降趨勢。

1.3.2 降水周期性檢驗。

基于Mann-Kendall的檢驗結(jié)果，采用Morlet小波分析方法對河南省區(qū)域降水的周期性變化進行研究。Morlet小波分析作為一種時頻聯(lián)合分析方法，在時域和頻域上能很好地表征信號的局部特性，其小波函數(shù)具有一定的振蕩性［5-6］，表達式可定義為：

∫+∞-∞（t）dt=0（4）

Morlet小波分析能將時間序列處理為時間和頻率的權(quán)重，其表達式為：

（x）=πfbe2jπfcxexfb（5）

式中，fb為帶寬參數(shù)，fc為小波中心頻率。

1.3.3 空間插值方法。

該研究采用Kriging方法對河南省117個地面氣象觀測站1960—2020年的年降水量數(shù)據(jù)進行空間插值，研究河南省降水量的空間分布規(guī)律及變化特征?？死锝鸩逯捣ɑ谧儺惡瘮?shù)理論和結(jié)構(gòu)分析方法，針對降水、氣溫等空間耦合問題，充分考慮了空間變量的相關(guān)性，且樣本處理數(shù)據(jù)具有較為明顯的結(jié)構(gòu)性與隨機性，數(shù)學表達式如下：

Z=ni=1λZ（Xi）（6）

式中，Z為年降水量預測值，λ為克里金插值法權(quán)重系數(shù)，Z（Xi）為實測點Xi處降水量。

1.3.4 未來降水量預測方法。

CMIP（國際耦合模式比較計劃）可分析全球氣候模擬中心發(fā)布的海洋和大氣模擬數(shù)據(jù)。CMIP6模式與CMIP5模式相比，增加了在社會經(jīng)濟發(fā)展方面的考慮，提出了共享社會經(jīng)濟路徑（shared socioeconomic pathway，SSP），改進了CMIP5中長期存在的模型偏差和輻射強迫量化差的問題［7］。CMIP6模式中，中間路徑SSP245情景最為接近未來實際發(fā)展狀況。因此，該研究選用CMIP6模式中SSP126、SSP245、SSP585這3種情景下擬合程度最高的模式情景下的預估結(jié)果對河南省2025、2035年的降水情況進行相應分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水空間分布及趨勢分析

基于GIS數(shù)據(jù)處理平臺、年代際法將研究時間分為4個研究時段，利用克里金（Kriging）插值法對河南省1960—2020年117個地面氣象站的年降水量數(shù)據(jù)進行空間插值分析。降水量空間分布的插值結(jié)果如圖3所示。

從4個研究時段降水空間分布（圖3）可看出，1960—2020年河南省降水量呈逐漸減少趨勢，降水量較多的地區(qū)為南部的信陽市，逐漸由南部的信陽市向中部的駐馬店市和東部的周口市蔓延，并繼續(xù)向中部的漯河市移動，隨后又往東南部南陽市延伸。1976—1990年，南部的駐馬店市平均降水量相比1960—1975年有大幅提升；1991—2005年，西部的南陽市、平頂山市和中部的漯河市、周口市平均降水量相比1976—1990年更加充沛；2006—2020年，東南部的信陽市、駐馬店市平均降水量相比1991—2005年大幅增加。以上分析表明，河南省1960—2020年降水量空間分布存在2次波動，即在1976—1990年出現(xiàn)較高頻率降水后又減少，在2006—2020年降水量又開始增加。

為了進一步對河南省降水量整體空間分布與趨勢特征進行分析，對近61 a平均降水量進行可視化插值，其插值結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，1960—2020年河南省年降水量空間分布整體上自北向南呈現(xiàn)出明顯的緯度地帶性規(guī)律，年降水量自北向南逐步遞增，呈現(xiàn)出北少南多的特征；近61 a間河南省年降水量最高值位于南部的信陽市，年降水量為981.7 mm，年降水量最低值位于北部的焦作市，年降水量為42.3 mm。

2.2 降水周期性變化分析

為了進一步研究河南省降水時空分布特征，對1960—2020年河南省年降水量時間序列進行了Morlet小波分析，以便獲得其降水的周期變化規(guī)律。經(jīng)過處理，得到了復小波方差和小波分析主周期數(shù)據(jù)，并繪制成散點趨勢圖，如圖5所示。

從圖5a可以看出，近61 a來河南省降水量存在3個明顯峰值，分別是10、36、55 a。其中，55 a對應峰頂?shù)姆讲钭畲?，表示根?jù)年降水量得出的第一主周期為55 a，該周期的小波強度最高；第二主周期為36 a，第三主周期為10 a。圖5b反映了時間序列中周期波動及強弱變化的特征關(guān)系，通過對小波強度最大的第一主周期55 a的主周期趨勢分析可以清晰看出，趨勢圖中2個高峰分別對應12和49 a，說明在年降水量數(shù)據(jù)變化周期為55 a的條件下，河南省降水量的周期為37 a，降水量具有周期時間長的特點。

基于得到的復小波實部系數(shù)和小波分析主周期數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)結(jié)果可視化成圖［8-10］，得到數(shù)據(jù)等值線圖，如圖6所示。根據(jù)圖6可以分析出河南省降水量的時間尺度特征，體現(xiàn)出降水時間序列在時間尺度和周期性之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)。根據(jù)圖6a可以看出，在時間尺度為55、37、10 a的橫向上均出現(xiàn)規(guī)律性圓圈。因此，1960—2020年河南省117個地面氣象站點年降水量數(shù)據(jù)的第一主周期為55 a，降水周期為1971—2008年。此外，時間尺度為37、10 a的橫向上也存在規(guī)律性圓圈變化，但分別在1965、1990年后特征不再清晰，不進行深入分析。

2.3 降水時間演變規(guī)律

根據(jù)1960—2020年河南省117個地面氣象站的全時段逐日降水量數(shù)據(jù)研究其降水時間演變規(guī)律。在對逐年降水量數(shù)據(jù)進行相應處理后得到逐年降水量平均值，繪制出河南省1960—2020年降水量變化趨勢圖（圖7），以此分析降水量的總體變化趨勢。

從圖7可以看出，河南省1960—2020年逐年降水量呈現(xiàn)出持續(xù)波動的狀態(tài)，其中河南省年降水量平均為584.7 mm。以縱向維度觀察，近61 a來河南省年降水量最大值為2000年的893.2 mm，最小值為1967年的324.9 mm；1961—1963、1966—1967、1981—1982、1997—1998、1999—2000、2001—2003年降水量增加趨勢十分明顯；1964—1966、1984—1986、1996—1997、2000—2001、2017—2018年降水量減少趨勢十分顯著。以橫向維度觀察，1961—1967年降水出現(xiàn)明顯波動，1968—1982年降水波動變化趨于平穩(wěn)，1983—1986年降水再次出現(xiàn)明顯波動，1987—1993年降水經(jīng)過波動增加后又趨于穩(wěn)定波動狀態(tài)，1994—2003年降水波動頻繁且幅度較大，自2003年降水大幅增加后開始波動下降，并逐漸趨于較為平穩(wěn)的波動狀態(tài)。

利用Mann-Kendall檢驗法［1，11-12］進一步探索河南省年降水量的演變及突變性規(guī)律，檢驗結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，UF和UB統(tǒng)計量的趨勢線之間有10個交點，分別是1961、1962、1965、1967、1992、1994、1996、2010、2015和2017年，這些交點均處于置信區(qū)間α=0.05的范圍內(nèi)，說明這2個曲線的結(jié)果均通過了0.05的顯著性趨勢檢驗。因此，在置信區(qū)間［-1.96，1.96］，這10 a均為降水突變點。

此外，UF與UB統(tǒng)計量趨勢線中有明顯幾處拐點，分別在1964、1985、2003、2012年，這3 a UF值最接近于臨界值1.96，且UF>0，表明1964、1985、2003、2012年河南省降水量明顯增加。特別是2003年，增長量處于急劇上升狀態(tài)，根據(jù)氣象站降水數(shù)據(jù)可知，2003年比2002年年降水量暴增338.8 mm。相反，1961、1993、2002、2019年UF值最接近于臨界值-1.96，且UF<0，說明1961、1993、2002、2019年降水量呈下降趨勢，如1993年降水量為439.6 mm，比1992年的（500.0 mm）下降了60.4 mm。

2.4 基于CMIP6多模式的降水趨勢預測

該研究檢驗了CMIP6模型［13］在河南省1960—2020年117個地面氣象站點的降水分布特征，以及在SSP126、SSP245、SSP585這3種不同的社會經(jīng)濟發(fā)展道路上的預測結(jié)果，通過線性回歸擬合試驗比較其均方根誤差（RMSE），以此來檢驗其在不同發(fā)展道路上的差異性以及其在不同發(fā)展道路上的精確性。計算結(jié)果如圖9所示，在3種情景中選擇出擬合程度最高的模式情景，根據(jù)所選擇的SSP路徑預測河南省2025、2035年的降水情況。

從均方根誤差（RMSE）分析結(jié)果可以看出，CMIP6數(shù)據(jù)集SSP路徑的3種情景中，CMIP6模式預測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)在路徑SSP245情景下的擬合程度較高，均方根誤差為47.416 7。該研究選取路徑SSP245情景下的CMIP6數(shù)據(jù)集預測河南省不同氣候變化情景下2025、2035年降水量及其空間分布，利用CMIP6數(shù)據(jù)集得出河南省降水量分布圖，如圖10所示。

從圖10可以看出，河南省在未來10～20 a，東部地區(qū)降水量空間分布將會呈現(xiàn)逐漸南移趨勢，中部地區(qū)降水量相較于往年有明顯減少，如許昌市、周口市、漯河市；東北部地區(qū)降水量變化最為明顯，將會出現(xiàn)大幅減少。基于預測降水量空間分布結(jié)果，可以預估東北地區(qū)干旱天氣的發(fā)生，對該地區(qū)農(nóng)作物生長造成影響，導致農(nóng)作物減產(chǎn)；西部地區(qū)降水量空間分布將會呈現(xiàn)出北移趨勢，降水量出現(xiàn)急劇增加的趨勢，在一定程度上會提高該地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量，但需要預防洪澇災害［14］。

3 結(jié)論

該研究對1960—2020年河南省降水量的空間分布特征進行了分析，基于克里金（Kriging）插值法研究了河南省年際降水量空間分布規(guī)律，采用Mann-Kendall檢驗和Morlet小波分析方法，并進行可視化制圖，得到河南省降水的變化趨勢及其周期特征?；贑MIP6模型對河南省2025、2035年降水量的空間分布進行預測，獲得以下結(jié)論：

（1）1960—2020年河南省117個地面氣象站點年降水量的空間分布整體上自北向南呈現(xiàn)出明顯的緯度地帶性規(guī)律，年降水量自北向南逐步遞增，呈現(xiàn)出北少南多的特征。通過4個研究時段分析得出，1960—2020年河南省降水量呈逐漸減少趨勢，降水量較多的地區(qū)為南部的信陽市，降水量的空間分布逐漸由南部的信陽市向中部的駐馬店市和東部的周口市蔓延，接著繼續(xù)向中部的漯河市移動，最后又往東南部的南陽市延伸。

（2）1960—2020年河南省117個地面氣象站點年降水量數(shù)據(jù)中小波強度最高的為55 a，即第一主周期為55 a，在此條件下的降水周期為1971—2008年，降水具有周期時間長的特點。

（3）以橫向維度觀察，近61 a河南省降水量呈現(xiàn)出了持續(xù)波動的狀態(tài)，年降水量平均為584.7 mm。1961—1967年，降水量出現(xiàn)明顯波動，1968—1982年波動變化趨于平穩(wěn)，1983—1986年降水量再次出現(xiàn)明顯波動，1987—1993年降水量經(jīng)過波動增長后又趨于穩(wěn)定波動狀態(tài)，1994—2003年波動頻繁且幅度較大，自2003年大幅增加后開始波動下降，并逐漸趨于較為平穩(wěn)的波動狀態(tài)。

（4）以縱向維度觀察，近61 a來河南省年降水量最大值為2000年的893.2 mm，最小值為1967年的324.9 mm。此外，在1961—1963、1966—1967、1981—1982、1997—1998、1999—2000、2001—2003年降水量增加趨勢十分明顯；1964—1966、1984—1986、1996—1997、2000—2001、2017—2018年降水量下降趨勢十分顯著。

（5）對河南省近61 a降水量數(shù)據(jù)進行Mann-Kendall檢驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)個降水突變點。其中1964、1985、2003、2012年中UF>0，河南省降水量明顯增加；相反，1961、1993、2002、2019年中UF<0，河南省降水量呈下降趨勢。

（6）通過CMIP6數(shù)據(jù)集不同SSP的RMSE值比較，選擇擬合程度較高的中間路徑SSP245情景模式，對河南省2025、2035年降水進行了預測，空間分布上與過去近61 a降水空間分布存在一定的相似性，各地降水量仍然存在由北向南遞增的緯度地帶性規(guī)律。

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