海河流域不同降水極值的時空變化分析

郭彥濤

(河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北 邯鄲 056000)

0 引 言

自然災害給全球社會、經濟、環境和人類生活造成巨大的影響，其一直是公眾關注的焦點。在所有誘發自然災害的因素中，水文極端事件(如洪水、山洪、暴雨、嚴重干旱等)是最主要和最嚴重的自然災害，其發生頻率較高，對人民生命和社會經濟及穩定造成著巨大的影響。在最近幾十年，在氣候變化和人類活動的影響下，水文極端事件和水害發生的時間、頻率和強度以及持續時間一直在增加[1]。降水極值是最常見的水文極值事件之一[2-3]。中國北方的海河流域是一個受氣候變化和人類活動影響很大的流域，其面臨著嚴重的水資源短缺問題。海河流域是中國的政治、經濟和文化中心[4]。本文選擇海沙流域作為研究區，因為其經濟在急劇增長、人口密集和城市化程度很高，但流域內的水資源有限。目前，隨著人口和經濟的快速增長，對流域水資源的可持續性提出了嚴峻而緊迫的挑戰[5]。了解降水的時空變化將是海河流域開展防洪和水資源管理的重要一步。在以前的研究中，對降水極值變異性的研究有限，且沒有對水庫進行系統的管理，導致流域內洪水和干旱的控制困難，水資源利用效率低下。

本文對1961-2010年期間海河流域降水極值的時間和空間變異性進行研究，分析4種日降水情景的變化及海河流域暴雨和干旱中心，研究城市化對海河流域降水極值變異性的影響，研究結果可為海河流域防洪和水資源規劃與管理提供參考。

1 研究區概況

海河流域位于N35°-N43°和E112°-E120°之間，流域面積為318 200 km2。流域內的所有河流的發源地為太行山，并向東流，通過多個河流出口排入渤海。海河流域僅占中國總面積的3.3%，其流域內人口占中國總人口的10%，國內生產總值占15%[6-10]。

2 數據來源

本文采用48個氣象站觀測的日降水量數據，數據來自中國氣象局氣象數據共享服務網(http://data.cma.cn/)[11-12]。數據時間為1961-2010年，無缺失數據。測站均勻覆蓋整個流域。其中，30個氣象站位于海河流域內，剩余18個氣象站位于海河流域外。后者用于海河流域邊界周圍柵格降水數據的插值，進行空間插值主要是為了直觀呈現流域不同位置降水極值的相對變化幅度和空間變異性。

3 研究方法

本文對日降水極值的范圍進行了分類，分別為0 mm/d(P0)、10～20 mm/d(P10)、20～50 mm/d(P20)、大于50 mm/d(P50)，其分別反映了干旱、中雨、大雨和暴雨。為了分析降水極值隨時間的變化，每個柵格的降水序列均被平均劃分為50年，并采用降水的出現時間和平均變幅來描述降水極值的變化。M-K(Mann- Kendall)趨勢檢驗[13]被廣泛用于時間序列分析，本文在95%置信水平下采用M-K方法分析降水極值的變化趨勢。

Mann-Kendall非參數檢驗[13]被廣泛用于檢測氣象要素時間序列的趨勢變化及是否發生顯著性變化。其計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

最終計算獲得的Z值被用于判斷時間序列的變化趨勢。當Z>0時，表明時間序列趨勢增加；當Z<0時，表明時間序列趨勢減小。在顯著性水平α下，當|Z|≥Z1-α/2時，表明時間序列存在顯著性變化趨勢。本文采用0.05顯著性水平，|Z0.05|等于1.96。

4 結果分析

4.1 日降水量的時空變異性

圖1給出了海河流域日降水量的平均值和標準偏差值。從空間上看，從西北部山區到東南部平原，日降水量在逐漸增加，其平均值為1.4 mm/d，約500 mm/a，均值大致位于流域中的山地和平原之間的邊界。中部五臺站的日降水量較大，表明山區對降水的變異性具有調節作用。最大降水量出現在渤海北部(冀東平原)，北部準化站和青龍站觀測的日降水量較大。從時間上看，20世紀80-90年代，日降水量隨年份顯著減少。山區和平原的日降水量變化明顯不同。在西北部山區，日降水量從60年代到2000年代逐漸增加；而在東南部平原地區，日降水量從60年代到90年代減少，然后在2000年代繼續增加；隨著時間的推移，冀東平原的日降水量表現出顯著的下降趨勢。與20世紀60年代相比，在2000年，降水量為1.4 mm/d的等高線向北京市東南部移動了100 km以上。

圖1 海河流域日降水量的平均值(a)和標準偏差值(b)Fig.1 Average value (a) and standard deviation value (b) of daily precipitation in Haihe River Basin

日降水量標準差的空間變異性與平均值的空間結果相似，其大小范圍分別為3.8～11.3、3.8～11.7、3.7～9.0、4.0～9.1和3.6～9.2。顯然，在山區日降水量的波動小于平原地區。在20世紀80年代之前，標準差的最大值出現在冀東平原，但在20世紀90年代后出現在南部海河流域。標準差越大越能反映降水波動更劇烈以及降水極值出現的頻率越高。海河流域日降水量的標準差隨年份的增加而減少，其有利于水資源的利用；而降水減少將導致海河流域水資源的嚴重短缺。

圖2給出了過去50年海河流域降水極值大于10 mm/d所占的百分比。由圖2可以看出，P10、P20和P50降水量的極值占山區年降水量的50%以上，平原地區超過70%，東南海河流域高達85%。隨著時間的推移，其在海河流域中所占的百分比變得越來越小，在95%的置信水平下，在統計學意義上其下降趨勢并不顯著，其Z值為1.145。

4.2 降水極值的變異性

圖3給出了海河流域不同時間段內的干旱天數。與流域其他位置相比，海河流域沒有發生降水的干旱天數在中東部頻率最高。20世紀80年代后，五臺山和東北海河流域幾乎沒有出現干旱天氣。從時間上看，1961-1990年，干旱日數和干旱范圍隨著年份的增加而增加，但此后干旱范圍變得越來越小。

圖2 海河流域降水極值大于10mm/d所占的百分比Fig.2 Percentage of Precipitation Extreme Value over 10mm/d in Haihe River Basin

圖3 海河流域不同時間段內的干旱天數Fig.3 Drought Days in Different Time Periods in Haihe River Basin

圖4給出了海河流域P10出現的次數和平均變化幅度。過去50年來，P10極值的空間變化較相似。與中部海河流域 (小于100天)相比，P10在五臺山地區、冀東平原和東南海河流域的邊界(大于120天)出現的頻率較高。在過去50年，P10極值的平均變化幅度沒有明顯的差異(表1)，但降雨中心隨地區位置的變化而變化。P10極值中心位于冀東平原、五臺山和東南部海河流域，20世紀60年代位于冀東平原和南部海河流域，20世紀80年代位于冀東平原和東南部海河流域，20世紀90年代位于冀東平原和西北部海河流域，2000年代位于中部和東南部海河流域。可以看出，P10極值中心隨著時間的推移并沒有表現出規律性的變化。

圖4 海河流域P10出現的次數和平均變化幅度Fig.4 The frequency and average variation of P10 in Haihe River Basin

變量指標1961-19701971-19801981-19901991-20002001-2010P0天數2935～30962974～31432457～30812783～31082724～3115P10次數63～11050～10759～16559～11660～103平均值 /mm13.45～14.6413.46～14.7213.46～14.8913.37～14.9613.47～14.72P20次數29～8229～8026～8335～7330～89平均值 /mm23.37～33.7223.77～33.0021.00～31.9928.04～33.3820.00～32.08P50次數1～292～311～282～311～32平均值 /mm50.00～99.9250.00～92.0350.00～111.5455.99～99.5350.00～84.17

圖5給出了海河流域P20降水極值出現的次數和平均變化幅度。與P10極值不同，與中北部相比，東部和南部海河流域P20極值出現的頻率更高，特別是在冀東平原。P20極值在海河流域的許多地區隨著時間的推移而減小。與海河流域的山區相比，平原地區P20極值的平均幅度大得多，并且在過去50年期間，其表現出10年的周期波動和上升趨勢。

圖5 海河流域P20降水極值出現的次數和平均變化幅度Fig.5 Sub-and Average Variation Range of P20 Precipitation Extreme Value in Haihe River Basin

圖6給出了海河流域P50降水極值出現的時間和大小。P50極值的時空變化明顯不同于P10和P20極值，其P50極值的發生時間從西北向東南增加。P50極值的出現變得越來越少，平均幅度隨著時間的推移而顯著下降，尤其在2000年。P50極值中心在以10年為間隔的時段內發生著變化。20世紀60年代和70年代，P50中心位于海河流域南部和冀東平原。20世紀80年代后，P50極值在南部海河流域比北部出現得更頻繁。

圖6 海河流域P50降水極值出現的時間和大小Fig.6 The Time and Size of P50 Precipitation Extreme in Haihe River Basin

4.3 城市化的影響

根據以往研究，以氣溫升高作為顯著特征定義的氣候變化始于20世紀80年代。因此，本文比較了1961-1980年和1981-2010年降水極值的變化，以研究海河流域受城市化的影響。石家莊和北京P20的極值變化幅度較大，石家莊市20世紀80年代和90年代P50極值變化幅度大于周邊地區，反映了城市降雨島( URI )效應。然而，URI問題并未在天津市得到明確的反映，其可能會受到渤海監管效應的影響。2000年后，大多數城市的URI問題消失了，干旱發生的頻率主要集中于海河流域中東部的干旱中心。

因此，城市化影響隨分析的面積和降水極值而發生變化，城市化影響在2000年代表現并不顯著。城市化對P20和P50極值的影響較明顯，但P10極值除外。由此可以得出結論，海河流域中降水極值的變異性主要是由大氣周期決定的，城市化的影響主要發生于一些局部地區。

5 結 論

在考慮城市化影響的情況下，本文分析了海河流域中降水極值的變化，主要得出以下結論:

1) 日降水量由海河流域西北向東南方向遞減，總體來看其均值和標準差隨年份在減小。2000年代以后，降水量的下降趨勢較明顯。在過去的50年里，日降水量的平均值為1.4 mm/d，其等高帶向東南方向移動了超過100 km。

2) 20世紀80年代以后，天津市和廊坊市是海河流域的干旱中心。流域內的干旱天數和干旱地區隨著年份的增加而增加。

3) 3個降水極值的變化表現出差異。P10極值的大小在過去50年中沒有發生明顯的變化，但降雨中心隨流域空間位置的不同而變化；P20極值的大小在1961-2000間年沒有發生顯著變化，但在2000年后開始有所增加；而P50極值的變化幅度隨年份的增加表現出顯著的下降趨勢，海河流域降水中心的移動為從東北向南移動。

4) 海河流域降水量的減少主要是由于P50極值減少造成的。