近59年河南省汛期降水時空變化特征研究

張志高，耿益新，蔡茂堂，尹紀媛，張秀麗，孫梓欣

(1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455000；2.中國地質科學院地質力學研究所，北京100081)

20世紀以來，全球氣候顯著變暖[1]，以增暖為主要特征的全球氣候變化使得地表蒸散發加劇，極端降水事件發生的頻率和強度急劇增加，深刻地影響地球的水循環[2,3]。在此背景下，我國很多區域蒸散及降水時空分布規律也顯著發生變化，嚴重影響區域社會經濟發展[4,5]。汛期降水是全年降水的集中時期，也是暴雨洪澇災害集中頻發期，因此研究汛期降水具有重要意義，近年來，國內外對汛期降水的研究取得了一系列成果。在模型方法方面，崔玉娟等[6]采用EOF分析方法對江浙滬地區的汛期降水時空變化特征進行了研究；王雅燕[7]運用主成分分析對安徽省汛期降水特征進行了空間聚類；羅玉等[8]采用小波分析方法對四川省汛期降水周期特征進行了分析；曹永強和李曉瑞[9]利用向量分析原理對河北省汛期降水的集中度和集中期進行了研究；宋蘇林等[10]運用Hurst指數法預測了小清河流域汛期降水的未來變化趨勢；在空間尺度方面，張健和李永生[11]對黑龍江汛期降水及分型特征進行了研究；鄧鵬鑫等[12]等對漢江流域汛期降水的趨勢性、周期性及突變性特征進行了研究；黃灝和趙海坤[13]利用山東省22個氣象站1981-2017年降水數據，分析了區域內汛期降水時空特征；王景才等[14]利用淮河上中游流域19個氣象站點資料對流域主汛期降水的趨勢、周期及空間分布特征進行了研究；也有學者對影響因子如厄爾尼諾[15]、北極海冰[16]、伊朗高壓[17]以及印度洋暖池熱含量[18]對地區汛期降水的影響進行了分析。

河南省地跨南北氣候過渡帶，受季風和區域內地形差異以及全球氣候變化的影響，降水時空分布不均，夏季降水量約占全年降水量的50%～60%，致使旱澇等氣象災害發生頻繁，給當地農業生產和社會經濟發展帶來了諸多不利影響。以往關于河南省降水方面的研究主要集中于降水量變化的平均態[19]、極端降水[20]或短時降水特征[21]等方面，而對河南省降水非均勻性特征方面的研究還較少，因此，本文采用河南省15個氣象站1960-2018年氣象觀測資料，運用衡量降水集中程度的Q指數和GIS等方法對河南省汛期(6-9月)降水集中程度、降水量和降水日數及其傾向率時空分布特征進行分析，以期為深入認識氣候變化背景下河南省降水規律以及防洪抗災提供依據。

1 資料來源與方法

1.1 研究資料

選取河南省15個氣象站點1960-2018年汛期逐日降水實測數據，資料來源于國家氣象局中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov)中國地面氣候資料數據集。運用RClimDex軟件等對氣象數據進行進一步質量控制，經整理后59 a降水資料具有較好的連續性。研究區內氣象站點分布如圖1所示。

圖1 河南省氣象站點分布Fig.1 Spatial distribution of the meteorological stations in Henan Province

1.2 Q指數法

降水集中度Q指數是利用信息熵[22]的概念來表征研究時段內降水量時間分配特征的方法，運用Li等定義的Q指數法對河南省汛期降水集中程度進行研究，其計算為[23,24]：

(1)

式中：N為研究時段的總日數，在本研究中為河南省汛期6-9月共計122 d；P(xi)為第i日降水量對研究時段降水的貢獻率；Qi(0-1)表示降水集中程度，Q值越接近1，說明降水越集中出現在汛期的少數天里，越容易出現由降水主導的洪澇災害；而Q值越接近0，表明降水趨向于平均分配，造成干旱或洪澇災害的可能性就相對減少。

1.3 降水量等級劃分

為分析河南省1960-2018年汛期不同強度降水量的時空變化特征，參考國標《降水量等級GB/T 28952-2012》[25]中關于降雨量等級劃分標準，將≥1.0 mm的24 h降水量定義為有效降水，≥25.0 mm的24 h降水量定義為強降水，≥50.0 mm的24 h降水量定義為極端降水。

2 河南省汛期降水特征

2.1 Q指數、降水量和降水日數時間變化特征

圖2為河南省1960-2018年汛期Q指數、降水量和降水日數變化情況。由圖2可知，河南省汛期Q指數在0.324～0.509之間波動，其中2003年最小，1999年最大，多年平均值為0.408，傾向率為0.002/10 a，呈微弱上升趨勢。1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之間，其中2000年最大，1966年最小，多年平均值為470.43 mm。59年來河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的傾向率呈微弱上升趨勢。汛期降水量歷年波動較大，其中1985-1994年多在平均值以下，降水偏少。汛期降水日數多年均值為41.38 d，1964年最多，1997年最少，在26.8～54.9 d之間波動，并以-0.107 d/a的傾向率呈減小趨勢。59年來降水日數波動情況與降水量的變化相似，降水量多的年份基本上降水日數也比較多，降水量少的年份基本上降水日數也比較少。綜合來看，河南省汛期降水及降水日數的多(少)對應Q指數的低(高)(圖2)，表明在汛期降水量少的年份，降水更為集中，降水強度更大，易引發局地洪澇災害。

2.2 Q指數、降水量和降水日數空間分布特征

1960-2018年河南省汛期各站點Q指數、降水量和降水日數的空間分布特征如圖3所示。59年來河南省各地Q指數變化范圍為0.366～0.431，大致呈東北向西南逐漸減小趨勢，西南部西峽、三門峽和固始Q指數較小，均在0.39以下，表明這些地區降水相對分散，即降水較均勻地分布在整個汛期。東北部安陽、新鄉和開封Q指數大于0.42，表明這些地區降水相對較集中。河南省各地的降水量在320.8～560.6 mm之間，其中信陽站最多，三門峽站最少，總體上呈由東南向西北減少趨勢。降水日數為37.4～49.5 d，其中西峽站最多，開封站最少，總體呈由西南向東北遞減的趨勢。綜合河南省Q指數、降水量和降水日數的空間分布可知，汛期降水量和降水日數多(少)的站點其Q指數低(高)，表明河南省汛期降水多的地區，其降水日數較多，降水較為分散，而汛期降水較少的地區，其降水日數也較少，降水較為集中。

圖2 1960-2018年河南省汛期Q指數、降水量和降水日數年際變化Fig.2 Changes of Q-index, precipitation and precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

圖3 1960-2018年河南省汛期Q指數、降水量和降水日數空間分布Fig.3 Spatial distributions of Q index, precipitation, precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.3 Q指數、降水量和降水日數變化趨勢空間分布

圖4為1960-2018年河南省汛期Q指數、降水量和降水日數的變化趨勢空間分布情況。由圖4可知，河南省各地Q指數傾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之間，大部分地區呈微弱的增加趨勢，說明河南大部分地區降水有微弱的集中變化趨勢，鄭州、三門峽、固始和寶豐地區Q指數有減小的變化趨勢，說明這些地區汛期降水有微弱的分散趨勢。河南省各地汛期降水量傾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之間，大部分地區呈增多的變化趨勢，其中西華站增多趨勢最明顯，駐馬店等地區呈減小趨勢。河南省各地降水日數的變化趨勢在-1.76～-0.71 d/10 a之間，均呈減小趨勢。總體上看，河南大部分地區汛期降水呈增多趨勢，而降水日數則呈減小趨勢，說明更多的降水量集中在更少的天數里，單日降水強度增加，汛期降水也更為集中。

圖4 1960-2018年河南省汛期Q指數、降水量和降水日數變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distributions of linear trends of Q index, precipitation and precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.4 不同強度降水日數時間變化

根據前文降水量劃分標準，1960-2018年河南省汛期有效降水、強降水和極端降水日數年際變化特征如圖5所示。59年來河南省汛期有效降水日數在18.73～41.73 d之間，1999年最小，2003年最大，多年均值為29.56 d，并以-0.257 d/10 a的傾向率呈減小趨勢。強降水日數多年均值為5.74 d，1997年最小為2.80 d，最大為2000年的9.67 d，傾向率為0.027 d/10 a，呈增加趨勢。1960-2018年河南省汛期極端降水日數多年均值為1.96 d，1997年最小為0.73 d，2000年最大為4.27 d，以0.012 d/10 a的傾向率呈增加趨勢。由前述可知，1960-2018年河南省汛期降水日數以-0.107 d/10 a的傾向率減小，而強降水和極端降水日數呈增加趨勢，表明河南省強降水和極端降水日數占比呈增大趨勢，更容易產生洪澇災害。

圖5 1960-2018年河南省汛期有效降水日數、強降水日數和極端降水日數變化Fig.5 Changes of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.5 不同強度降水日數空間分布

1960-2018年河南省各地汛期有效降水、強降水和極端降水日數空間分布如圖6所示。河南省汛期有效降水大致呈由南向北、由西向東減小趨勢，豫南地區駐馬店、信陽和固始等地有效降水日數超過31.03 d，而豫東北地區安陽、新鄉和開封等地有效降水日數一般低于27.24 d。強降水和極端降水日數空間分布相似，均大致呈由東南向西北減小趨勢，豫東南地區駐馬店、信陽和固始等地強降水日數超過7.03 d，極端降水日數超過2.63 d，而豫西北地區新鄉和三門峽等地一般強降水日數小于4.81 d，極端降水日數低于1.75 d。綜合河南省汛期有效降水、強降水和極端降水日數空間分布可知，東北部地區有效降水日數相對其他地區較少，但強降水和極端降水日數相對較多，也即強降水和極端降水日數占比更大，降水更為集中，Q指數因此較大(圖3)。

圖6 1960-2018年河南省汛期有效降水、強降水和極端降水日數的空間分布Fig.6 Spatial distributions of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season of Henan province from 1960 to 2018

圖7 1960-2018年河南省汛期有效降水、強降水和極端降水日數變化趨勢空間分布Fig.7 Spatial distributions of linear trends of effective precipitation days, heavy precipitation days and extreme precipitation days in flood season of Henan province from 1960 to 2018

河南省汛期有效降水、強降水和極端降水日數變化趨勢空間分布如圖7所示。河南省汛期有效降水日數變化趨勢在-0.68～0.44 d/10 a之間，大多數站點有效降水日數呈減小趨勢，僅開封和固始兩站呈增加趨勢。強降水日數變化趨勢在-0.22～0.25 d/10 a之間，多數站點呈增加趨勢。極端降水日數變化趨勢在-0.11～0.14 d/10 a之間，其中許昌最大，開封和駐馬店最小。

3 結 論

(1)1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之間，多年平均值為470.43 mm。59年來河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的傾向率呈微弱上升趨勢，空間分布上呈現由東南向西北遞減的趨勢。河南省各地汛期降水量傾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之間，大部分地區呈增多的變化趨勢。

(2)河南省汛期降水Q指數在0.324～0.509之間波動，多年平均值為0.408，傾向率為0.002 /10 a，呈微弱上升趨勢。在空間上大致呈東北向西南逐漸減小趨勢，西南部西峽、三門峽和固始地區降水相對分散，降水較均勻地分布在整個汛期，東北部安陽、新鄉和開封降水相對較集中。1960-2018年河南省各地Q指數傾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之間，大部分地區呈微弱的增加趨勢，汛期降水更趨集中。

(3)1960-2018年河南省汛期降水日數在26.8～54.9 d之間波動，多年均值為29.56 d，并以-0.107 d/10 a的傾向率呈減小趨勢，空間分布上由西南向東北遞減。59年來河南省汛期有效降水日數以-0.257 d/10 a的傾向率呈減小趨勢，強降水和極端降水日數分別以0.027、0.012 d/10 a的傾向率呈增加趨勢，表明河南省強降水和極端降水日數占比呈增大趨勢，降水更為集中，更容易產生洪澇災害。東北部地區有效降水日數相對其他地區較少，但強降水和極端降水日數相對較多，也即強降水和極端降水日數占比更大，降水更為集中。

(4)1960-2018年河南省汛期降水及降水日數的多(少)對應Q指數的低(高)，在汛期降水量少的年份，降水更為集中，降水強度更大。59 a來河南大部分地區汛期降水呈增多趨勢，而降水日數則呈減小趨勢，汛期降水更為集中。從空間上來看，河南省汛期降水量和降水日數多(少)的站點其Q指數低(高)，南部地區汛期降水較多，其降水日數較多，降水較為分散，而北部地區降水較少，其降水日數也較少，降水較為集中。