淮河生態經濟帶降水時空特征分析

摘 要：以淮河生態經濟帶為研究對象，選取1961—2014年淮河生態經濟帶95個地面氣象站點的逐日降水數據，運用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相關檢驗法、小波分析等方法，分析淮河生態經濟帶降水時空特征。結果表明，淮河生態經濟帶降水從南到北大致呈遞減趨勢，空間分布差異比較顯著，許多地區降水量的年內分配不均勻；淮河生態經濟帶降水量呈下降趨勢，且有春、秋兩季變干旱，夏、冬兩季變濕潤的趨勢；淮河生態經濟帶降水存在25～36年、13～20年及10年以下3類周期變化規律，以27年尺度的周期變化為第一主周期。

關鍵詞：淮河生態經濟帶；降水集中度；降水時空分析；Mann-Kendall檢驗法；小波分析

中圖分類號：P339 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-03

淮河生態經濟帶以淮河干流、一級支流以及下游沂沭泗水系流經的地區為規劃范圍。《淮河生態經濟帶發展規劃》提出，必須立足現有基礎，深入貫徹落實新發展理念，推動形成人與自然和諧發展的現代化建設新格局，打造水清地綠天藍的生態經濟帶。淮河流域氣候條件復雜，水旱災害發生頻繁[1]。因此，研究淮河生態經濟帶的降水時空特征具有十分重要的意義。關于淮河流域降水特征的研究已有很多，袁喆等[2]分析了近50年來淮河流域降水時空變化特征；佘敦先等[3]

研究了淮河流域近50年來極端降水的時空變化及統計特征。

基于此，選取淮河生態經濟帶95個站點54年來的降水數據，運用降水集中度和集中期、Mann-Kendall秩次相關檢驗法、小波分析等方法，分析淮河生態經濟帶多年平均降水、降水變化趨勢及降水周期，以期為淮河生態經濟帶的發展提供支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

淮河生態經濟帶貫通黃淮平原，連接中部和東部地區，介于長江和黃河流域之間。淮河流經山東、河南、安徽和江蘇四省，流域面積約為27萬km2。淮河流域東北部、西部以及西南部為山區、丘陵，其他地區是平原。

淮河生態經濟帶位于我國南北氣候過渡帶，降水量由南向北遞減，山區大于平原，沿海大于內陸。淮河以南具有南方的氣候特征，炎熱濕潤；淮河以北則具有北方的氣候特征，寒冷干燥。

1.2 降水數據

所用數據為淮河生態經濟帶內95個地面氣象站點1961—2014年的逐日降水觀測數據。數據來源于國家氣象科學數據中心（https：//data.cma.cn/）的中國地面氣候資料日值數據集。

觀測站點在整個淮河生態經濟帶內地理位置分布比較均勻，所選站點降水數據均經過了嚴格的質量控制，且所選序列無缺測，數據精度為0.1 mm。

1.3 研究方法

1.3.1 降水集中度和集中期

利用張錄軍等[4]提出的方法，將降水量看作矢量，用降水集中度反映降水總量在研究時段內各個月的集中程度。如果在某一年中，合成向量的模與降水總量之比為1，降水集中度越接近1，表示降水越集中在某一月內；降水集中度越接近0，表示降水越平均分布在各月。集中期為合成向量的方位角，即合成向量所指示的角度，這顯示了每月或每候降水量在合成之后的整體效應，可以反映出一年中最大月或候降水量的所在時期。

1.3.2 Mann-Kendall秩次相關檢驗法

Mann-Kendall秩次相關檢驗法是趨勢性檢驗的最常用的非參數檢驗方法之一。該方法計算簡便，不受趨勢是否為線性的影響，也不受少數異常值的干擾。通過對Mann-Kendall秩次相關檢驗的統計變量Z值進行分析，可以得出水文序列的長期變化趨勢及變化趨勢的顯著性。

1.3.3 小波分析

J.Morlet提出了一種具有時—頻多分辨功能的小波分析（Wavelet Analysis）。小波分析可以更好地研究時間序列問題，清楚展示時間序列中的多種變化周期以及系統在不同時間尺度中的變化趨勢，定量提取出降水時間序列中隱含的周期特征及周期的連續穩定性和強度[5]。

2 結果與分析

2.1 多年平均降水量特征分析

2.1.1 多年平均降水量空間分布特征

利用站點資料計算出各站點多年平均降水量，繪制淮河生態經濟帶多年平均降水量空間分布圖（圖略），淮河生態經濟帶多年平均降水量從南到北大致呈遞減趨勢。這是由于淮河以南為南方的氣候特征，炎熱濕潤，降水較多；而淮河以北則為北方的氣候特征，寒冷干燥，降水較少。淮河生態經濟帶多年平均降雨量為524.3～1 248.3 mm，其中最低值出現在河南省的汝州站，最高值出現在安徽省的金寨站。兩者多年平均降雨量差異很大說明了淮河生態經濟帶降水空間分布差異比較顯著。淮河生態經濟帶四季多年平均降水量均呈現從南到北、從近海到內陸遞減的趨勢。各季節降水量差異明顯，夏季降水最多，冬季降水最少（圖1）。

2.1.2 多年平均降水集中度和集中期

根據各站點多年平均月降水量數據，利用降水集中度的計算方法，計算出各站點的降水集中度，繪制淮河生態經濟帶多年平均降水集中度分布圖（圖略），淮河生態經濟帶降水集中度從南到北呈現遞增的趨勢，其中最大值為0.56，最小值為0.31。淮河以北地區為北方氣候特征，冬季降水較少，降水主要集中于夏季；而淮河以南地區為南方氣候，濕潤多雨，全年降水分布相對均勻。高值區所占面積相對較多，這是由于許多地區降水量的年內分配不均勻，汛期（6—9月）降水量占年降水量的比例較大。淮河生態經濟帶降水集中期主要在7月，最早日期與最晚日期僅相差11 d，表現出雨熱同期的特點。

2.2 降水變化趨勢特征分析

使用Mann-Kendall秩次相關檢驗法，計算降水的Mann-Kendall秩次相關檢驗統計量Z值，可以得出，淮河生態經濟帶Z值分布表現出中間高，兩邊低的特點。降水呈增加趨勢的區域主要分布在中部地區，且增加趨勢強度逐漸向南部遞增；降水呈減少趨勢的區域主要分布在兩邊，且減少趨勢強度逐漸向兩邊遞增。淮河生態經濟帶多年平均降水量Z值為-0.26，為下降趨勢；最大Z值為1.66，達到90%置信水平；最小Z值為-2.13，達到95%置信水平。Z＜0的區域占整體區域的68%，這表明淮河生態經濟帶大部分區域降水呈現減少趨勢，平均減少速率為-4 mm/10年，這可能會導致干旱風險增加。

1969—1973年、1979—1985年、1989—1990年、1995—1998年、2001—2005年為淮河生態經濟帶年降水量上升階段；1968年以前、1974—1978年、1986—1988年、1991—1994年、1999—2000年、2006—2014年為年降水量下降階段。圖2為淮河生態經濟帶四季的逐年降水量及線性趨勢。從圖中可以看出，淮河生態經濟帶春、秋兩季的降水量呈下降趨勢，說明這兩季正逐漸變干旱；夏、冬兩季的降水量呈上升趨勢，說明這兩季正逐漸變濕潤。

2.3 降水周期特征分析

對淮河生態經濟帶降水情況采用小波分析法進行周期性檢驗，分析其周期演變特征，并繪制Morlet小波實部時—頻分布等高線圖（圖3a）和小波方差圖（圖3b）。從圖3a中可以看到，淮河生態經濟帶降水存在25～36年尺度周期，且此周期變化最為顯著，中心時間尺度為27年。年降水量變化呈現干濕交替的震蕩，體現為降水量由多變少再變多3個循環的交替，1961—1980年、1996—2014年屬于降水量較多的時期，即偏濕潤期；其他年份屬于偏干旱期，降水量較少，這與袁喆等的研究結果基本一致。從20世紀70年代中期到2010年左右，13～20年尺度周期變化較為顯著，其中心時間尺度為準16年。而10年以下的小尺度則呈現為正負相位交替的狀態。從圖3b可以看出，圖中出現了3個比較明顯的峰值，第一峰值是27年尺度，說明27年左右的周期震蕩最強，是時間序列的第一主周期，第二、三主周期是8年、47年。

3 結論

（1）淮河生態經濟帶多年平均降水量從南到北大致呈遞減趨勢，降水空間分布差異比較顯著，許多地區降水量的年內分配不均勻。

（2）在降水趨勢變化方面，淮河生態經濟帶多年平均降水量Z值為-0.26，為下降趨勢。Z＜0的區域占整體區域的68%，大部分區域降水均呈現減少趨勢。從季節來看，春、秋季呈下降趨勢，夏、冬季呈上升趨勢。

（3）在降水周期變化方面，淮河生態經濟帶降水主要存在三類周期變化規律，分別是25～36年、13～20年及10年以下。其中，以25～36年尺度周期變化最為顯著，準27年的周期震蕩最強，是時間序列的第一主周期。

參考文獻

[1] 邱睿.淮河生態經濟帶綠色創新效率及其影響因素研究[D].蚌埠：安徽財經大學，2021.

[2] 袁喆，楊志勇，鄭曉東，等.近50年來淮河流域降水時空變化特征分析[J].南水北調與水利科技，2012，10（2）：98-103.

[3] 佘敦先，夏軍，張永勇，等.近50年來淮河流域極端降水的時空變化及統計特征[J].地理學報，2011，66（9）：1200-1210.

[4] 張錄軍 ，錢永甫.長江流域汛期降水集中程度和洪澇關系研究[J].地球物理學報，2004，47（4）：622-630．

[5] 何慶龍，周維博，夏偉，等.延安市近60年降水時空特征分析[J].水資源與水工程學報，2018，29（1）：31-37.