太湖流域降水年內分配特征與旱澇關系研究

王明宇，李大勇

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

在全球氣候變化背景下，降水對旱澇情勢影響引起了學者們的高度關注[1-4]。目前主要采用SPI指數、Z指數等指標研究降水對流域旱澇程度的影響，結果表明，單點Z指數表征旱澇程度與實際情況吻合度高；區域綜合Z指數考慮降水分布不均性，能相對準確地反映區域旱澇的程度；Z指數對極端旱澇等級具有更好的指示作[5-8]。近年來，太湖流域洪澇災害發生頻率、危害程度均有增加趨勢，黃俊雄等、劉兆飛等及吳浩云等研究了流域不同時間尺度降水量的時空變異規律[9-11]。從現有成果看，已有研究多關注特定時段降水量的變化特征，對降水年內分布變化特征的研究仍有待深入[12]；尚需進一步揭示降水年內分布變化與旱澇災情的相關關系；尚缺少結合降水年內分布變化特征提高流域旱澇災情預報精度方面的研究。本文分析了太湖流域降水年內分布的不均勻和集中度特性，揭示降水年內時空分布變化規律，分析年降水量、不均勻系數、降水集中度與流域旱澇災情的相關關系，提出基于降水集中度和不均勻系數的流域旱澇災情等級預測的調整方式。

1 研究數據與方法

1.1 研究區域

太湖流域北抵長江，東臨東海，南濱錢塘江，西以天目山、茅山等山區為界。地形呈西高東低、周邊高中間低之勢，地貌類型為山地、丘陵與平原，其中山地、丘陵主要分布于西部，平原分布于北部、東部和南部。氣候屬于典型亞熱帶季風氣候區，降水年內分布不均，汛期多年平均降水量約占全年降水量60%以上，極易發生洪澇災害。梅雨是導致流域洪水的主要降水形式，臺風雨的高強度、集中性降水過程也會給太湖流域防洪安全造成嚴重威脅。

1.2 研究數據

收集流域99個雨量站1956-2013年逐日降水觀測資料，對資料進行一致性、可靠性和代表性的分析處理，并對部分測站缺測的降水資料進行插補延長，作為本次研究的基礎數據。流域分成10個分區，如圖1所示。采用泰森多邊形法推求分區逐日面降水量系列，各分區年、月、旬面降水量系列由分區日面降水數據生成。

1.3 研究方法

采用降水不均勻系數反映降水年內分配不均勻程度；采用降水集中度描述研究時段內降水的集中程度；采用降水Z指數分析流域及各分區旱澇時空變化特征，相關理論及計算方法見文獻[13-16]。

2 分析與討論

2.1 降水年內不均勻變化特征

根據表1，流域全年和汛期月尺度不均勻系數最大值分別為1.295和0.904，最小值分別為0.397和0.141，極值比分別為3.26和6.41，相應旬尺度不均勻系數最極值比分別為2.22和2.68。北部的茅山山丘區、武澄錫虞區和湖西平原區特征值較大，月尺度均值分別為0.755、0.731和0.724，旬尺度均值分別為1.181、1.144和1.125，而南部的杭嘉湖區、長苕平原區和浙西山區特征值較小，月尺度均值分別為0.635、0.637和0.635，旬尺度均值分別為0.987、0.977和0.972。對比圖2與圖3，全年和汛期月、旬尺度不均勻系數的空間分布較相似，表現為從北向南不均勻性減小。上述分析表明，流域月和旬尺度降水量在全年和汛期分配的不均勻性在年際之間差異較大，并且降水具有一定的空間分布差異，北部的茅山山丘區、武澄錫虞區和湖西平原降水的年內分布不均勻性較其他分區大，這與文獻[12]結論相一致。

表1 全流域及各分區不同時間尺度降水不均勻系數特征值

圖2 流域全年月、旬尺度下降水年內分配不均勻系數分布

圖3 流域汛期月、旬尺度下降水年內分配不均勻系數分布

從表1發現，各分區全年旬尺度不均勻性系數均值約為月尺度的1.53～1.60倍，汛期旬尺度不均勻系數均值約為月尺度的1.87～2.00倍，這表明隨時間尺度的縮短，不均勻系數增大；全年月尺度不均勻系數均值約為汛期月尺度均值的1.42～1.64倍，全年旬尺度不均勻系數均值約為汛期旬尺度均值的1.18～1.24倍，表明各分區不同時間尺度或同一尺度下降水不均勻系數的年際變化均不一致。

2.2 降水年內集中度變化特征

根據表2，流域全年月尺度降水集中度最大、最小值分別為0.608和0.113，極值比為5.40，旬尺度集中度最大、最小值分別為0.620和0.092，極值比為6.73；汛期月尺度集中度最大、最小值分別為0.543和0.036，旬尺度集中度最大、最小值分別為0.532和0.03；北部分區全年月尺度集中度的均值變化范圍為0.309～0.349，南部分區集中度的均值變化范圍為0.281～0.298；北部分區汛期月尺度集中度的均值變化范圍為0.235～0.284，南部分區集中度的均值變化范圍為0.189～0.234。顯然，流域及各分區降水集中度均值是比較接近的，極值比差別不大，表明同一分區不同時間尺度降水集中度年際變化較為一致。由表2發現，各分區全年月尺度降水集中度均值約為汛期月尺度均值的1.21～1.51倍，全年旬尺度降水集中度均值約為汛期旬尺度均值的1.23～1.52倍，表明全年和汛期同一時間尺度降水集中度年際變化不一致。

表2 全流域及各分區不同時間尺度降水集中度特征值

對比圖2與圖4發現，流域降水集中度與不均勻性系數空間分布形態較為一致；全年和汛期月尺度降水集中度的空間分布較為相似，整體表現為從北向南集中度逐漸減小，表明流域各分區降水具有一定程度的空間分布差異，北部地區(湖西平原區、茅山山丘區、宜溧山丘區、武澄錫虞區、陽澄淀泖區)降水較為集中，而南部地區(杭嘉湖區、浙西山區、長興苕溪區)降水集中度較低。

圖4 流域全年和汛期月尺度降水年內集中度特征分布

2.3 降水集中度、不均勻系數與流域旱澇關系分析

短時間強降水只會對流域造成局部內澇災害，連續性強降水過程才會經常導致流域洪澇災害的發生。太湖流域主要降雨類型為梅雨，其特點是持續時間長、面廣量大、強度較均勻，梅汛期約20天左右。本文采用月尺度為研究時段，對流域年標準化降水量(年降水量與多年最大值之比)、降水集中度和不均勻系數與旱澇災情狀況的相關關系作初步分析。

從圖5中發現，流域年降水量、降水集中度和不均勻性系數在1957、1962、1983、1987、1991和1999年出現較大數值，說明月降水分布不均且集中度較高，除了1962年降水集中時段為臺風雨期(8月)之外，其他年份降水集中時段均為梅雨期(6-7月)，梅雨期發生集中過量降水，容易遭遇較大洪澇災害，如1957、1991和1999年均發生典型的流域梅雨型洪水；根據歷史資料調查，1962年由于臺風過境，引起流域大面積降雨，造成了嚴重洪澇災害。當降水集中度與不均勻系數低于多年平均值時，說明降水均勻且集中程度較低，年降水量即使偏多，也不利于發生洪澇災害，如1977、1981、1985、1989、1990、1993、1998、2002和2012年，流域并未發生嚴重洪澇災害；反之，年降水量低于多年平均值越多，發生旱災可能性就越高，如1959、1966、1968、1972、1976、1978、1994、1997、2000、2003、2004、2005、2006、2007和2013年，其中1968、1978、1994和2003年流域均發生了較嚴重旱情。當降水集中度和不均勻系數高于多年平均值、年降水量低于多年平均值時，說明月降水量偏少且分布不均，則較易產生干旱災害，如1967、1971、1979、1982、1986、1992、1995和2000年，其中1967、1971、1979、1986和1992年流域均發生了較嚴重旱情；反之，年降水量高于多年平均值越大，流域發生洪澇災害可能性越高，如1956、1963、1980和1996年，流域實際發生了洪澇災害。當降水集中度和不均勻系數較大、汛期降水量大于多年平均值及年降水量低于多年平均值時，流域容易遭遇旱澇急轉，如2011年，流域發生了典型的旱澇急轉。

2.4 流域旱澇災情預測的調整方式

旱澇災情成因非常復雜，既與降水總量有關，也與降水年內分配密切相關[17]。Z指數法廣泛用于區域旱澇災害的監測與評估，但是從其計算原理看，該公式是依據某一時段降水量序列變化來判斷流域旱澇災情程度，并未考慮某一時段降水量年內降水分配特性對旱澇災情的影響。

采用太湖流域1956-2013年降水量序列計算降水Z指數值，將年降水量序列與Z指數值序列作相關性分析，發現兩者呈現出高度線性相關，如圖6所示；利用該線性回歸公式反推出不同旱澇等級對應的臨界降水限值，見表3。

表3 不同旱澇等級對應的太湖年降水量限值表

圖6 太湖流域年降水量與Z指數值的變化及其相關關系

采用表3中年降水量限值區間逐年判斷流域災情，并與流域實際災情進行對比，見表4。年降水量小于984mm年份為1967、1968、1971、1972、1978、1979、1988、1994和2003年，其中1967年降水量偏向于重旱級降水限值，降水集中度和不均勻系數均高于多年平均值，1972年降水量接近于偏旱級降水下限值，降水集中度和不均勻系數均為最小值。年降水量大于1342mm年份為1957、1977、1983、1987、1989、1991、1993、1999、2002和2012年，其中1977、1989、2002和2012年降水量偏向于偏澇級降水上限，降水集中度與不均勻系數均低于多年平均值，1957年降水集中度和不均勻系數遠高于多年平均值。年降水量大于1308mm且小于1342mm年份為1956、1962、1985和2009年，其中1962年降水集中度和不均勻系數遠高于多年平均值，1985年降水集中度和不均勻系數遠低于多年平均值。年降水量大于984mm且小于1018mm年份為1976、1986和1992年，其中1986年降水集中度和不均勻系數遠高于多年平均值。其他年份降水量均處于正常級降水區間范圍內，其中1963、1973、1980、1996年降水量均高于多年平均值，降水集中度和不均勻系數均遠低于多年平均值；2000、2004、2005和2013年降水量低于多年平均降水量較多；2011年降水量比多年平均值略低，但汛期降水量遠高于多年平均值，降水集中度和不均勻系數均遠高于多年平均值。

表4 太湖流域歷史實際災情與Z指數法計算災情的對比

通過分析發現，當降水集中度和不均勻系數大于多年平均值時，表明該年降水不均勻且集中程度較高，流域災情加重；反之，當降水集中度和不均勻系數低于多年平均值時，表明該年降水均勻且集中程度低，流域災情有所緩解。為此，提出基于年降水量、降水集中度和不均勻系數的流域旱澇災情預測的調整方式，如下：①當年降水量低于重旱或高于重澇降水限值時，災情程度等級不調整；②當年降水量處于大旱或大澇降水區間時，如果年降水量偏向于重旱或重澇級別降水限值，并且降水集中度和不均勻系數高于多年平均值較多，可將災情等級調整為重旱或重澇；當年降水量偏向于偏旱降水下限或偏澇降水上限，并且降水集中度和不均勻系數均低于多年平均值較多，可將災情等級調整為偏旱或偏澇；③當年降水量處于偏旱或偏澇降水區間時，如果降水集中度和不均勻系數偏離多年平均值較多，則災情等級可調整為大旱或大澇，如果降水集中度和不均勻系數低于多年平均值較多，則災情等級可調整為正常；④當年降水量處于正常降水區間時，如果降水集中度和不均勻系數均高于多年平均值較多，則可考慮將災情等級調整為偏澇；如果年降水量低于多年平均值較多，且降水集中度和不均勻系數偏離多年平均值不大時，則考慮調整災情等級為偏旱；如果降水集中度與不均勻系數遠高于多年平均值，則要考慮汛期和非汛期降水量的分配關系，流域可能發生了旱澇急轉。

3 結論

本次研究基于太湖流域1956-2013年逐日降水資料，采用不均勻系數、降水集中度和降水Z指數，開展了流域降水年內分配特征及與旱澇關系的研究，結果表明：

(1)全年和汛期月、旬尺度降水不均勻性年際之間差異較大；

(2)全年和汛期同一時間尺度下各分區降水集中度年際變化不一致，而不同時間尺度下各分區降水集中度的年際變化較為一致；

(3)降水集中度與不均勻性系數空間分布形態較為一致，北部分區明顯大于南部分區，呈現從北向南逐漸減小的空間分布格局；

(4)詳細解析了流域歷史實際災情狀況與Z指數法判別災情的差異，提出了考慮降水集中度和不均勻系數的流域旱澇災情判斷的調整方式。

此外，流域實際旱澇災情狀況除了受降水量及其年內分布特征的影響，還具體受到地理環境、水利設施等因素的綜合影響。因此，流域旱澇災情判斷還需深入研究。