降水时空分布及变化特征分析——以安徽省为例_查显宝.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 112 水土资源与环境文章编号：1672-3317（2023）01-0112-09 降水时空分布及变化特征分析 以安徽省为例查显宝1,2，王双涛1,2，罗平平1,2*，徐承毅1,2，曹 哲1,2，宋益涛1,2（1.长安大学 水利与环境与学院，西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054）摘 要：【目的】探究安徽省降水时空分布及其变化规律。【方法】基于 19602019 年安徽省 24 个气象站点的降水日值数据，采用趋势分析、突变检验等方法分析安徽省降水时空分布特征和变化趋势。【结果】降水量自北向南递增，夏季降水量约占全年降水量的 40%；降水日呈“南频北稀”、“山区多，平原少”的空间分布格局，降水量和降水日的高值中心出现在皖南和大别山区域，低值中心位于淮北平原。年降水量呈上升趋势，增加的站点共 22 个。总降水日呈减少趋势，中、小降水日显著减少，大雨和暴雨的降水日呈增加趋势。安徽省共 12 个站点存在降水突变年，仅江淮平原和皖南山区的降水量存在潜在突变年。【结论】安徽省降水较为集中，极端降水和洪涝风险存在增长趋势，本研究可为安徽省水资源规划利用及旱涝灾害防控提供借鉴。关 键 词：降水量；极端降水；降水日；降水趋势；安徽省 中图分类号：P426.61+4 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2021436 OSID：查显宝,王双涛,罗平平,等.降水时空分布及变化特征分析：以安徽省为例J.灌溉排水学报,2023,42(1):112-120.ZHA Xianbao,WANG Shuangtao,LUO Pingping,et al.Spatiotemporal Variation in Precipitation Across Anhui ProvinceJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):112-120.0 引 言1【研究意义】自联合国气候变化框架公约通过以来，气候变化已成为全球热门的科学问题，相关研究得到广泛关注，研究内容从基本规律研究上升到对人类社会与气候系统相互作用的综合研究1-2。气候变化不仅影响社会和生态环境发展，而且增加了灾害事件的发生概率3-4。在全球变暖的背景下，海陆间气压场重新调整，全球季风及季风降水对气候变暖表现出不同的响应特征，改变全球水循环过程，造成降水量及其时空分布的不确定性增加5。受海陆气压场、下垫面、海拔和纬度等因素的影响，不同区域降水发生了显著改变，主要表现为中高纬度降水增加，热带和亚热带降水减少，极端强降水事件增多6。降水作为基本气候变化要素和陆地水文系统的主要因子，降水量和降水分布的变化将影响地表径流、土壤水分、地下水储量等要素的时空分布，并影响洪涝灾收稿日期：2021-09-10 基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFE0103800）；长安大学中央高校基本科研费领军人才项目（300102299302）；京都大学防灾研究所国际合作研究项目（2019W-02）作者简介：查显宝（1995-），男。硕士研究生，主要从事城市水文、海绵城市研究。E-mail: 通信作者：罗平平（1981-），男。教授，博士，主要从事水文水资源研究。E-mail: 害的发生频率，其格局的改变对水资源规划与管理会产生直接影响7。【研究进展】降水是重要的气候指标，对农业生产乃至整个国家的经济发展具有深远影响。全球变暖导致降水时空变化的不均匀性更加突出。董满宇等8基于太湖流域 19602017 年的逐日降水数据，分析太湖流域不同等级降水的时空变化特征，发现太湖流域大雨、暴雨的降水量和降水日均呈显著增加，小雨的降水日呈显著减少趋势，小雨强度、年降水强度均显著增强。邓海军等9基于 19612016 年全国 763个观测站白昼和夜间的降水观测数据，研究了中国昼夜降水变化的时空格局。孙朋等10分析了安徽省夏季降水时空分布变化特点、分配特征及变化规律。李双双等11对陕北黄土高原区极端降水时空变化特征进行分析，发现陕北地区降水呈极端化，弱降水日减少，强降水日增加，降水持续时间呈破碎化趋势。【切入点】安徽省地处南北气候过渡带，地跨淮河、长江、新安江三大水系，地势由平原、丘陵、山地构成。南北冷暖气流常交汇于江淮地区，造成气候变化复杂，旱涝灾害频发12。复杂的气候和多样的地貌造成了全省范围内降水分布异质性明显。【拟解决的关键问题】研究安徽省长时间序列下的降水时空变查显宝 等：降水时空分布及变化特征分析：以安徽省为例 113 化特征及其影响因素，可为该地区抗旱防涝、水资源合理规划提供参考。1 材料与方法 1.1 研究区概况与数据来源 安徽省南北跨度较大，长江、淮河将安徽省划分为淮北平原、江淮平原和皖南山区三大自然区域，本研究按此三大区域分析安徽省降水的变化趋势（图 1）。考虑到时间序列的一致性和完整性，基于安徽省完整、长期连续观测的24 个气象站点 19602019年共 60 a的日值降水数据，个别站点的缺测数据由相邻站点的数据进行插补获得13-14。气象站点的空间分布见图 1。气 象 数 据 来 源 于 国 家 气 象 科 学 数 据 中 心（http:/）的中国地面气候日值数据集，土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）。(a)气象站点分布(b)安徽省地域划分 图1 安徽省降水站点空间分布及区域分界 Fig.1 Distribution map and regional boundaries of rainfall monitoring stations in Anhui Province 1.2 研究方法 1.2.1 年际变化趋势 通过线性回归法计算各站点降水量和降水日的气候倾向率；采用 M-K 趋势检验分析长时间序列降水量和降水日的演化趋势规律。1.2.2 季节变化趋势 将日值数据换算为季值数据，35 月为春季，68 月为夏季，911 月为秋季，12 月次年 2 月为冬季，计算降水量的季节变化趋势。1.2.3 空间分析 利用 ArcGIS 10.5 将降水的年、季节数据进行空间插值分析15。1.2.4 突变检验 利用 M-K 检验和滑动 t 检验，分析长时间序列降水量的突变点，当 2 种检验方法有共同突变年份时认为该年份为潜在突变年16。2 结果与分析 2.1 降水时空演变特征 2.1.1 空间分布规律 安徽省各站点年平均降水量、年降水日、雨强指数及气候倾向率等指标见表 1。年平均降水量最高的站点是黄山（2 364.46 mm），其次是屯溪（1 716.46 mm）、祁门（1 713.65 mm）、东至（1 554.21 mm）和宁国（1 448.66 mm），主要分布在皖西南地区；年平均降水量最低的站点是砀山（755.41 mm），其次是亳州（798.14 mm）和宿州（858.77 mm）。淮北平原所有的站点年平均降水量均小于 1 000 mm，江淮平原和皖南山区仅定远站（951.64 mm）的降水量平均值未超过 1 000 mm。对各气象站点 60 a 的年降水总量进行 M-K 趋势分析，除亳州站、寿县站和东至站的降水量呈下降趋势外，其他站点的年降水量均呈上升趋势，仅马鞍山站、巢湖站和屯溪站的 Z统计值的显著性水平超过了 0.05，预计未来降水量仍呈缓慢上升趋势。通过线性回归分析对安徽省各站点的降水特征进行分析，结果与 M-K 趋势检验分析的结果一致，大部分站点的降水量呈上升趋势，下降的站点仅有亳州站和东至站。黄山以年降水日 182 d 位列第一，祁门（166 d）次之。砀山（85 d）的年平均降水日最少。将各站多年平均降水量除以降水日得到年平均雨强，雨强高值中心位于黄山，达到 12.99 mm/d，其次是太湖（11.81 mm/d）和东至（11.51 mm/d）；芜湖县（7.94 mm/d）、马鞍山（7.96 mm/d）、合肥（8.59 mm/d）和六安（8.76 mm/d）的雨强较小，雨强低值中心主要位于淮北平原。淮北平原和江淮平原的雨强指数相近，均小于皖南地区。通过克里金插值得到年平均降水量和年平均降水日的空间分布（图 2）。年降水量从北到南呈递增的分布特征，淮北平原、江淮平原和皖南山区年降水量和降水日差异明显，淮北平原和江淮平原北部地区降水趋势表现为东部降水量略低于西部；皖西南部大别山地区降水量较高；皖南地区以黄山为降水量高值中心灌溉排水学报 http:/ 114 向周围递减（图 2（a）。降水日整体表现为“南频北稀”，“平原少，山区多”的地域分布特征。霍山位于大别山北麓，年降水日平均值达到 141 d（图 2（b）。表1 安徽省各气象站点基本情况 Table 1 Basic conditions of various meteorological stations in Anhui Province 区域 站点名 站点编号 年平均降水量/(mm a-1)年降水日/d 雨强指数/(mm d-1)Z 统计值 气候倾向率/(mm 10 a-1)淮北平原 砀山 58015 755.41 85 8.89 0.006 38 1.631 亳州 58102 798.14 87 9.17-0.625 04-10.05 蒙城 58118 878.40 99 8.87 1.243 7 23.374 宿州 58122 858.77 97 8.85 0.184 96 4.594 阜阳 58203 895.45 102 8.78 0.350 79 8.369 寿县 58215 914.86 103 8.88-0.159 45 0.707 蚌埠 58221 940.13 104 9.04 1.090 6 21.27 江淮平原 定远 58225 951.64 107 8.89 0.452 83 11.55 滁州 58236 1 060.66 119 8.91 1.128 9 19.45 六安 58311 1 112.51 127 8.76 0.605 9 14.372 霍山 58314 1 356.65 141 9.62 0.656 93 15.787 桐城 58319 1 267.96 130 9.75 0.644 17 14.642 合肥 58321 1 005.00 117 8.59 0.905 67 18.742 巢湖 58326 1 085.32 122 8.90 2.538 4*42.83 太湖 58414 1 417.63 120 11.81 0.306 14 15.702 安庆 58424 1 395.68 132 10.57 0.861 02 30.231 皖南山区 马鞍山 58336 1 106.95 139 7.96 2.168 5*42.728 芜湖县 58338 1 247.34 157 7.94 0.612 28 22.857 铜陵 58429 1 370.38 130 10.54 0.006 38 12.6 东至 58419 1 554.21 135 11.51-0.293 38-5.598 宁国 58436 1 448.66 165 8.78 1.333 28.65 黄山 58437 2 364.46 182 12.99 0.784 49 31.562 祁门 58520 1 713.65 166 10.32 1.543 5 25.667 屯溪 58531 1 716.46 158 10.86 2.417 2*57.076 安徽省平均值-1 217.35 126 9.55-18.70 注 *表示显著性检验水平超过0.05。(a)年平均降水量/mm(b)年平均降水日/d 图 2 安徽省降水空间分布及其变化规律（19602019 年）Fig.2 The spatial distrib