近59年河南省汛期降水时空变化特征研究

张志高，耿益新，蔡茂堂，尹纪媛，张秀丽，孙梓欣

(1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081)

20世纪以来，全球气候显著变暖[1]，以增暖为主要特征的全球气候变化使得地表蒸散发加剧，极端降水事件发生的频率和强度急剧增加，深刻地影响地球的水循环[2,3]。在此背景下，我国很多区域蒸散及降水时空分布规律也显著发生变化，严重影响区域社会经济发展[4,5]。汛期降水是全年降水的集中时期，也是暴雨洪涝灾害集中频发期，因此研究汛期降水具有重要意义，近年来，国内外对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分析方法对江浙沪地区的汛期降水时空变化特征进行了研究；王雅燕[7]运用主成分分析对安徽省汛期降水特征进行了空间聚类；罗玉等[8]采用小波分析方法对四川省汛期降水周期特征进行了分析；曹永强和李晓瑞[9]利用向量分析原理对河北省汛期降水的集中度和集中期进行了研究；宋苏林等[10]运用Hurst指数法预测了小清河流域汛期降水的未来变化趋势；在空间尺度方面，张健和李永生[11]对黑龙江汛期降水及分型特征进行了研究；邓鹏鑫等[12]等对汉江流域汛期降水的趋势性、周期性及突变性特征进行了研究；黄灏和赵海坤[13]利用山东省22个气象站1981-2017年降水数据，分析了区域内汛期降水时空特征；王景才等[14]利用淮河上中游流域19个气象站点资料对流域主汛期降水的趋势、周期及空间分布特征进行了研究；也有学者对影响因子如厄尔尼诺[15]、北极海冰[16]、伊朗高压[17]以及印度洋暖池热含量[18]对地区汛期降水的影响进行了分析。

河南省地跨南北气候过渡带，受季风和区域内地形差异以及全球气候变化的影响，降水时空分布不均，夏季降水量约占全年降水量的50%～60%，致使旱涝等气象灾害发生频繁，给当地农业生产和社会经济发展带来了诸多不利影响。以往关于河南省降水方面的研究主要集中于降水量变化的平均态[19]、极端降水[20]或短时降水特征[21]等方面，而对河南省降水非均匀性特征方面的研究还较少，因此，本文采用河南省15个气象站1960-2018年气象观测资料，运用衡量降水集中程度的Q指数和GIS等方法对河南省汛期(6-9月)降水集中程度、降水量和降水日数及其倾向率时空分布特征进行分析，以期为深入认识气候变化背景下河南省降水规律以及防洪抗灾提供依据。

1 资料来源与方法

1.1 研究资料

选取河南省15个气象站点1960-2018年汛期逐日降水实测数据，资料来源于国家气象局中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov)中国地面气候资料数据集。运用RClimDex软件等对气象数据进行进一步质量控制，经整理后59 a降水资料具有较好的连续性。研究区内气象站点分布如图1所示。

图1 河南省气象站点分布Fig.1 Spatial distribution of the meteorological stations in Henan Province

1.2 Q指数法

降水集中度Q指数是利用信息熵[22]的概念来表征研究时段内降水量时间分配特征的方法，运用Li等定义的Q指数法对河南省汛期降水集中程度进行研究，其计算为[23,24]：

(1)

式中：N为研究时段的总日数，在本研究中为河南省汛期6-9月共计122 d；P(xi)为第i日降水量对研究时段降水的贡献率；Qi(0-1)表示降水集中程度，Q值越接近1，说明降水越集中出现在汛期的少数天里，越容易出现由降水主导的洪涝灾害；而Q值越接近0，表明降水趋向于平均分配，造成干旱或洪涝灾害的可能性就相对减少。

1.3 降水量等级划分

为分析河南省1960-2018年汛期不同强度降水量的时空变化特征，参考国标《降水量等级GB/T 28952-2012》[25]中关于降雨量等级划分标准，将≥1.0 mm的24 h降水量定义为有效降水，≥25.0 mm的24 h降水量定义为强降水，≥50.0 mm的24 h降水量定义为极端降水。

2 河南省汛期降水特征

2.1 Q指数、降水量和降水日数时间变化特征

图2为河南省1960-2018年汛期Q指数、降水量和降水日数变化情况。由图2可知，河南省汛期Q指数在0.324～0.509之间波动，其中2003年最小，1999年最大，多年平均值为0.408，倾向率为0.002/10 a，呈微弱上升趋势。1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之间，其中2000年最大，1966年最小，多年平均值为470.43 mm。59年来河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的倾向率呈微弱上升趋势。汛期降水量历年波动较大，其中1985-1994年多在平均值以下，降水偏少。汛期降水日数多年均值为41.38 d，1964年最多，1997年最少，在26.8～54.9 d之间波动，并以-0.107 d/a的倾向率呈减小趋势。59年来降水日数波动情况与降水量的变化相似，降水量多的年份基本上降水日数也比较多，降水量少的年份基本上降水日数也比较少。综合来看，河南省汛期降水及降水日数的多(少)对应Q指数的低(高)(图2)，表明在汛期降水量少的年份，降水更为集中，降水强度更大，易引发局地洪涝灾害。

2.2 Q指数、降水量和降水日数空间分布特征

1960-2018年河南省汛期各站点Q指数、降水量和降水日数的空间分布特征如图3所示。59年来河南省各地Q指数变化范围为0.366～0.431，大致呈东北向西南逐渐减小趋势，西南部西峡、三门峡和固始Q指数较小，均在0.39以下，表明这些地区降水相对分散，即降水较均匀地分布在整个汛期。东北部安阳、新乡和开封Q指数大于0.42，表明这些地区降水相对较集中。河南省各地的降水量在320.8～560.6 mm之间，其中信阳站最多，三门峡站最少，总体上呈由东南向西北减少趋势。降水日数为37.4～49.5 d，其中西峡站最多，开封站最少，总体呈由西南向东北递减的趋势。综合河南省Q指数、降水量和降水日数的空间分布可知，汛期降水量和降水日数多(少)的站点其Q指数低(高)，表明河南省汛期降水多的地区，其降水日数较多，降水较为分散，而汛期降水较少的地区，其降水日数也较少，降水较为集中。

图2 1960-2018年河南省汛期Q指数、降水量和降水日数年际变化Fig.2 Changes of Q-index, precipitation and precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

图3 1960-2018年河南省汛期Q指数、降水量和降水日数空间分布Fig.3 Spatial distributions of Q index, precipitation, precipitation days in flood season in Henan from 1960 to 2018

2.3 Q指数、降水量和降水日数变化趋势空间分布

图4为1960-2018年河南省汛期Q指数、降水量和降水日数的变化趋势空间分布情况。由图4可知，河南省各地Q指数倾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之间，大部分地区呈微弱的增加趋势，说明河南大部分地区降水有微弱的集中变化趋势，郑州、三门峡、固始和宝丰地区Q指数有减小的变化趋势，说明这些地区汛期降水有微弱的分散趋势。河南省各地汛期降水量倾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之间，大部分地区呈增多的变化趋势，其中西华站增多趋势最明显，驻马店等地区呈减小趋势。河南省各地降水日数的变化趋势在-1.76～-0.71 d/10 a之间，均呈减小趋势。总体上看，河南大部分地区汛期降水呈增多趋势，而降水日数则呈减小趋势，说明更多的降水量集中在更少的天数里，单日降水强度增加，汛期降水也更为集中。

图4 1960-2018年河南省汛期Q指数、降水量和降水日数变化趋势空间分布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 不同强度降水日数时间变化

根据前文降水量划分标准，1960-2018年河南省汛期有效降水、强降水和极端降水日数年际变化特征如图5所示。59年来河南省汛期有效降水日数在18.73～41.73 d之间，1999年最小，2003年最大，多年均值为29.56 d，并以-0.257 d/10 a的倾向率呈减小趋势。强降水日数多年均值为5.74 d，1997年最小为2.80 d，最大为2000年的9.67 d，倾向率为0.027 d/10 a，呈增加趋势。1960-2018年河南省汛期极端降水日数多年均值为1.96 d，1997年最小为0.73 d，2000年最大为4.27 d，以0.012 d/10 a的倾向率呈增加趋势。由前述可知，1960-2018年河南省汛期降水日数以-0.107 d/10 a的倾向率减小，而强降水和极端降水日数呈增加趋势，表明河南省强降水和极端降水日数占比呈增大趋势，更容易产生洪涝灾害。

图5 1960-2018年河南省汛期有效降水日数、强降水日数和极端降水日数变化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 不同强度降水日数空间分布

1960-2018年河南省各地汛期有效降水、强降水和极端降水日数空间分布如图6所示。河南省汛期有效降水大致呈由南向北、由西向东减小趋势，豫南地区驻马店、信阳和固始等地有效降水日数超过31.03 d，而豫东北地区安阳、新乡和开封等地有效降水日数一般低于27.24 d。强降水和极端降水日数空间分布相似，均大致呈由东南向西北减小趋势，豫东南地区驻马店、信阳和固始等地强降水日数超过7.03 d，极端降水日数超过2.63 d，而豫西北地区新乡和三门峡等地一般强降水日数小于4.81 d，极端降水日数低于1.75 d。综合河南省汛期有效降水、强降水和极端降水日数空间分布可知，东北部地区有效降水日数相对其他地区较少，但强降水和极端降水日数相对较多，也即强降水和极端降水日数占比更大，降水更为集中，Q指数因此较大(图3)。

图6 1960-2018年河南省汛期有效降水、强降水和极端降水日数的空间分布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

图7 1960-2018年河南省汛期有效降水、强降水和极端降水日数变化趋势空间分布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、强降水和极端降水日数变化趋势空间分布如图7所示。河南省汛期有效降水日数变化趋势在-0.68～0.44 d/10 a之间，大多数站点有效降水日数呈减小趋势，仅开封和固始两站呈增加趋势。强降水日数变化趋势在-0.22～0.25 d/10 a之间，多数站点呈增加趋势。极端降水日数变化趋势在-0.11～0.14 d/10 a之间，其中许昌最大，开封和驻马店最小。

3 结 论

(1)1960-2018年河南省汛期降水量在258.2～761.3 mm之间，多年平均值为470.43 mm。59年来河南省汛期降水量以0.45 mm/10 a的倾向率呈微弱上升趋势，空间分布上呈现由东南向西北递减的趋势。河南省各地汛期降水量倾向率在-8.36～10.78 mm/10 a之间，大部分地区呈增多的变化趋势。

(2)河南省汛期降水Q指数在0.324～0.509之间波动，多年平均值为0.408，倾向率为0.002 /10 a，呈微弱上升趋势。在空间上大致呈东北向西南逐渐减小趋势，西南部西峡、三门峡和固始地区降水相对分散，降水较均匀地分布在整个汛期，东北部安阳、新乡和开封降水相对较集中。1960-2018年河南省各地Q指数倾向率在-0.002 8～0.008 4 /10 a之间，大部分地区呈微弱的增加趋势，汛期降水更趋集中。

(3)1960-2018年河南省汛期降水日数在26.8～54.9 d之间波动，多年均值为29.56 d，并以-0.107 d/10 a的倾向率呈减小趋势，空间分布上由西南向东北递减。59年来河南省汛期有效降水日数以-0.257 d/10 a的倾向率呈减小趋势，强降水和极端降水日数分别以0.027、0.012 d/10 a的倾向率呈增加趋势，表明河南省强降水和极端降水日数占比呈增大趋势，降水更为集中，更容易产生洪涝灾害。东北部地区有效降水日数相对其他地区较少，但强降水和极端降水日数相对较多，也即强降水和极端降水日数占比更大，降水更为集中。

(4)1960-2018年河南省汛期降水及降水日数的多(少)对应Q指数的低(高)，在汛期降水量少的年份，降水更为集中，降水强度更大。59 a来河南大部分地区汛期降水呈增多趋势，而降水日数则呈减小趋势，汛期降水更为集中。从空间上来看，河南省汛期降水量和降水日数多(少)的站点其Q指数低(高)，南部地区汛期降水较多，其降水日数较多，降水较为分散，而北部地区降水较少，其降水日数也较少，降水较为集中。