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1960年


第 14 卷 第 3 期 2016 年 6 月

南 水 北 调 与 水 利 科 技
S out h 2t o2 N ort h W at er Transf ers and Wat er Sci ence & Techn ol ogy

V ol.14 N o. 3 Jun. 2016

DOI: 10 . 13476/ j. cnki. nsbdqk. 2016. 03 . 008 刘丽红 , 颜冰 , 肖柏青 , 等 . 1960 年 - 2010 年淮河流域降 水量时空变化特征 [ J] . 2016, 14( 3) : 432 47, 66. L IU L i 2 hong, Y AN Bing , X IA O Bai 2 qing , et al. Characterist ics of the pr ecipitation v ariation in Huaihe R iver Basin during 1960 2 2010[ J] . 2016, 14( 3) : 43 2 47, 66. ( in Chinese)

1960 年- 2010 年淮河流域降水量时空变化特征
刘丽红 , 颜
1

冰 , 肖柏青 , 李

1

1



2

( 1. 安徽理工大学 地球与环境学院 , 安徽 淮南 232001; 2. 合肥工 业大学 土木与水利工程学院 , 合肥 , 230000)

摘要 : 采用淮河流域 25 个代表性 站点降水量资料 , 运用 线性回 归法、 累计距 平法以 及 M ann2 Kenda ll 趋势 检验与 突 变检验的方法综合分析 了该流域降水量在时间上与空间上的变化特征。结果表明 : 在 时间尺度上 , 淮河流域多年 降 水量总体上呈 现微弱的上升趋势 , 但中间多年都保持下 降的趋势 , 突变起 始年为 1965 年 ; 在 空间尺 度上 , 淮河流 域 降水量由南向 北逐渐减少 , 上游、 中游多呈现上升趋势 , 下 游多呈现下 降趋势。对淮 河流域时空 上的降水 量的趋 势 特征和突变特 征分析 , 可以为淮河流域的洪涝灾害防治提供参考依 据。 关键词 : M ann 2 K endall; 趋势检验 ; 突变检验 ; 累计距平 ; 淮河流域 中图分类号 : T V 125; P333 文献标志码 : A 文章编号 : 16722 1683( 2016) 03 2 00432 05

Characteristics of the precipitati on variation in Huaihe River Basin during 196022010
L IU L i 2 hong 1 , Y AN Bing 1 , XI AO Bai2 qing1 , L I Xian 2 ( 1 . College of Ear th and Env ir onment , A nhui Univer sity of S cience and T echnology , H uainan 232001, China 2 . College of Civ il Eng ineer ing and W ater Conser vancy , H ef ei Univer sity of T echnology , H ef ei 230000 , China) Abstract: W ith linear reg ression metho d, the accumulativ e anomaly curve method, M ann2 Kendall tr end and mutat ion test, spatial and tempo ral char acteristics o f pr ecipitatio n v ariat ion wer e analyzed by using precipitatio n data of 25 r epr esentativ e statio ns in Huaihe Riv er Basin during 1960 2 2010. T he results indicated that there w as a slight incr ease in annual pr ecipitatio ns o f H ua ihe River Basin g ener ally, but a decr ease trend w as observ ed all the time during inter mediat e y ear s and mutatio n start ing year is 1965; On a spat ial scale, t he pr ecipitatio n decr eased g radually fr om so ut h to nort h in H uaihe R iver basin. U pstr eam and mid2 str eam show ed an ascendant t rend, and do wnstream almost presented an incr easing tr end. T he precipitation tr end and mutatio n char acter istics on space and time w ere analyzed in this study, w hich pro vides a r efer ence for t he flo od disaster prev ention in Huaihe Riv er basin. Key words: M ann2 K endall; tr end test; mutatio n t est; accumulative ano maly ; H uaihe River Basin

旱灾洪涝是我国常见的气候灾害。近年以来 , 极端天气频发, 给我国带来了严重的经济损失 , 同时 对人民的生命财产安全造成重大影响。旱灾洪涝的 频发的主要原因是由于降水量的时空分布不均匀。 所以对降水的时空分布特征研究 , 有利于了解旱涝

的变化特征, 为防治旱灾洪涝提供参考 [ 125] 。 对于降 水变 化特征 , 人 们通 常采 用小 波分 析 法
[ 7]

、 水文频率曲线法和 R/ S 分析法进行研究 , 如

王澄海等 利用小 波分析 对近 50 年 中国降 水变 化 的准周期性特征及未来的变 化趋势研究 [ 529] ; 周陈

2016-05-05 收稿日期 : 2015203 2 29 修回日期 : 2015212 221 网络出版时间 : 2016 2 00 200 10:55:39 网络出版地址 : http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20160505.1055.002.html 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 41201017) Fund: N at ion al N atu ral S cien ce Foundation of Chi na( 41201017) 作者简介 : 刘丽红 ( 19802) , 女 , 山东潍坊人, 副教授 , 博士 , 主要从事地下水资源评价与管理 , 地下水与生态 环境研究。 E2mail: liu lihongsh eng @ 163. com

水文 水资源

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第 14 卷 总第 84 期 # 南水北调与水利科技 # 2016 年 6 月

超等利用累计 距平 曲线法 分析了 青海省 近 50 年 来水资 源变 化趋 势 律
[ 11 ] [ 10]

也不受少数异常值的干扰, 可以很好地揭示整体时 间序列的突变情况与趋势变化。 假定气候变化是稳定的 , 时间序列相互独立 , 且 保持相同连续分布[ 15] 。对于具有 n 个样本量的时 间序列 x i ( i = 1 , 2, . . . , n) , 检验的统计量 S 计算见 式( 1) 。 S = kE E sgn ( x j - x k ) = 1j = k + 1 + 1 其中 : sgn ( x j - x k ) = 0 - 1
n- 1 n

; 钟平 安等 利 用 H ust 指数

R/ S 分析方法研究了 淮河流域主汛期 降水演变规 。但是在 淮河流 域 , 综合 运用 M ann2Kendall 趋势检验与突变检验的相关 研究成果很少。国内 外许多研究表 明 , 在水文 气象时 间序 列中使 用非 参数检验方法比使用经典的统计方 法参数检验在 非正 态 分布 的 数 据 和检 验 中 更 为 合适
[ 12214 ]

。因

k X j 且k, j [ n (xj - xk)> 0

( 1)

此, 本文基于 Mann2Kendall 检验法、 线性回归法和 累计距 平法 , 综 合分 析淮 河流域 25 个站 点 1960 年- 2010 年降水变化特征 , 为淮 河流域的 洪涝灾 害防治提供参考依据。

( x j - x k ) = 0 ( 2) (xj - xk)< 0 ( 3)

S 为正态分布, 其均值为 0, 方差为 Var ( S k ) = n( n- 1) ( 2n+ 5) / 18 当为长时间序列时 , 即 n > 10 时 , 标准的正态统 计变量计算见式( 4) 。 S- 1 Var ( S) Z= 0 S+ 1 Var ( S) S> 0 S= 0 S< 0 ( 4)

1

研究区概况
淮河流域地处我国东部 , 介于长江和黄河两流

域之间, 位于东经 111 b55c~ 121b25 c, 北纬 30b55c~ 36b36c。研究区为我国南 北气候过渡带, 属暖温 带 半湿润季风气候区, 气候温和 , 年平均气温为 11 e ~ 16 e , 气温变化由北向南、 由沿海向内陆递增 ; 蒸发 量南小北大 , 年平均水面蒸发量为 900~ 1 500 m m; 无霜期 200~ 240 d。流域多年平均降水量约为 860 mm, 其分布状况大致是由南向北递减, 山区多于平 原, 沿海大 于内陆。降 水季节特点是 : 春冬干旱 少 雨, 夏秋闷热多雨, 冷暖和早涝转变急剧。

先给定置信水平 A , 如果 | Z| \Z1- A/ 2 , 即在置信 水平上, 说明时间序列存在一定程度上的上升或下 降趋势。显著性检验的置信度为 90% 、 95% 和 99% 时, | Z | 分别大于等于 11 28、 1 1 64 和 21 32。 M ann2Kendall 检验 在序 列突 变检验 时[ 16] , 对 于这 n 个样本量 x i ( i= 1, 2, . . . , n) , 构成一秩序列: Sk = i E r i ( k = 2, 3, . . . , n) = 1 1, 2 , . . . , i) 。 定义统计量: UF k = [ S k - E( S k ) ] / Var ( S k ) ( 6) ( 7) ( 8) E( S k ) = n( n- 1) / 4 Var ( S k ) = n( n- 1) ( 2n+ 5) / 72
k

( 5)

式中 : 当 x j > x i 时 , r i = 1 ; 当 x j [ x i 时 , r 0i = 0( j =

图1
Fig. 1

淮河流域站点分布

St at ions l ocat ion of H uai he River Basin

UF k 为标准正态分布, UF 1 = 0 , UF k 是根据时

2 2. 1

数据来源与研究方法 数据来源
淮河流域的降水量资料来自于水利部淮河水利

间序列 x i 计算出的统计序列 , 再按照时间序列逆序 x n , x n- 1 , . . . , x 1 , 重 复进行 上面的 步骤, 得出 UB k 统计序列 , 同时令 UB k = - UB k ( k = n, n - 1, . . . , 1) , UB 1 = 0 。给出显著水平 A ,如A = 0 1 05, 查正态 分布表, 得临界值 u 0. 05 = ? 1. 96。 通过对统计序列 UF k 和 UB k 的分析可深入分析 序列 x i 的变化趋势和明确突变的起始时间[ 17218] 。当 UF k 大于 0 时, 序列呈上升趋势, 反之呈下降趋势, 若 UF k 超过临界值时则说明上升或下降趋势显著。当 UF k 曲线与 UB k 曲线出现交点时, 且交点在临界值 中间, 则突变开始的时间就是交点所对应的时间。

委员会, 文中选取了 1960 年 - 2010 年淮河流域 25 个地面测站 ( 图 1) 51 年逐月的降水量资料。

2. 2

研究方法
长时间序列的趋势与突变分析方法中 , M ann2

Kendall 检验法是由世界气象 组织 ( WM O) 推荐 并 已广泛使 用的非参数检验方法。M ann2Kendall 检 验法的优点是其样本不需要遵从某一特定的分布 , # 46 #
水文水 资源

刘丽红等 # 1960 年 - 2010 年淮河流域降水量时空变化特征

3 3. 1

结果分析 降水量的时间变化特征
对淮河流域 1960 年 - 2010 年 25 个代表性 站

的变化趋势。

点年均降水量进行线性回归分析, 结果显示 ( 图 2) 流域降水整体上呈现微弱的上升趋势, 降水量多集 中在 700~ 1 000 mm 之间 , 多年均 值为 860 m m 。 淮河流域降水量随季节性变化非常明显, 夏季降水 量占到了年降水量的一半以上 , 春季与秋季降水量 相差不大( 图 3、 图 4) , 冬季的降水量甚至不足全年 降水量的 10% 。年内降水量随季节变化而严重 分 配不均。
Fig. 5

图5

年际降水量累计距平

A ccumulat ive an om aly of annual precipit at ion

图 2 年 际降水量线性回归分析
Fig. 2 Linear regress ion analysis of annual precipit at ion Fig. 6

图6

季均降水量累计距平

A ccumulat ive anomal y of s easonal preci pitat ion

通过 Mann2Kendal l 突变 检验, 对 流域降 水时 间序列的趋势与突变进行分析, 发现淮河流域年均 降水量从 20 世纪 60 年代 开始 呈现 下降 趋势 , 在 1960 年- 1965 年 UF 曲线与 UB 曲线发生三次相
图3
Fig. 3

月均降水量及季度降水量百分比

交, 1965 年为突变的起始年 ( 图 7a) 。从 1966 年之 后的 10 年内 UF 统计值都小于 0 但没有超过临界 值, 表明 降水 量 呈 现下 降 的 趋势 但 趋势 不 明 显。 1976 年前后这段时间降水量趋于平缓状态, 在 1976 年之后降水量一直保持下降的趋势 , 同样下降程度 很小 , 尤其是在本世纪头 10 年末期 , 降水量的变化 趋势基本 趋于水平。在 2002 年、 2004 年 UF 曲线 与 UB 曲线出现相交, 通过 2005 年 - 2010 年 UF 曲

M on t hly precipitat ion and seas onal precipit ati on percent age

图4
Fig. 4

季均降水量

线变化, 可以预测在未来的几年内淮河流域的降水 量会呈现相对稳定状 态, 无显著 上升或下降趋 势。 春秋季的 降水量 的趋势 性与突 变性 表现不 强 ( 图 7b 、 7d) , 变化比较缓和 ; 夏季降水量的变化 特征与 年均降水量的变化特征相似( 图 7c) , 突变的起始年 为 1966 年; 冬 季的 降水 量为 持续上 升的 趋势 ( 图 7e) , 突变的起始年是 1966 年, 在 20 世纪 70 年代上 升趋势显著。

Seasonal precipit at ion

从淮河流域 1960 年 - 2010 年年均降水量累计 距平计算结果 ( 图 5) 来看 , 1961 年 - 1965 年、 1968 年- 1975 年、 1981 年 - 1985、 1988 年 - 1991 年 和 2002 年 - 2010 年为累计距平线的上升段 , 1965 年 - 1968 年、 1975 年 - 1981 年、 1985 年 - 1988 年 和 1991 年 - 2002 年为累计距平线的下降段 , 同时在每 个上升或下降的时段内会出现轻微的上下波动。图 6 表明春秋季节多年降水量先上升再下降, 冬夏季 节多年降水量先下降后上升。对比图 5 和图 6, 夏 季的降水量累计距平线与年均累计距平线变化趋势 相近 , 表明夏季的降水量趋势基本代表年均降水量

3. 2 降水量的空间变化特征
通过流域降水量等值 线图和趋势检验 等值线 图, 对流域降水量空间变化特征进行分析。图 8 可 以看出淮河流域的降水量在 500~ 1 200 m m 之间, 由北向 南逐 渐增加 。 M ann2 Kendall 趋势 检验 的统
水文 水资源

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第 14 卷 总第 84 期 # 南水北调与水利科技 # 2016 年 6 月

图7

M ann 2 K endall 突变检验

Fig. 7 M ann2K endal l m ut at ion t est

计量等值线图表明: 在淮河流域的上游统计量值多 大于 0, 各站点降水量多呈现上升趋势 ; 在淮河流域 的下游统计量值多小于零, 各站点的降水量多呈现 下降的趋势 ( 图 8a) 。春季降水量变化趋势较小 , 规 律性不强( 图 8b) ; 夏季北部降水量呈上升趋势 , 南

部降水量多为下降趋势 ( 图 8c) ; 秋季与冬季在整个 流域上降水量变化明显 , 秋季各站点降水量基本上 都有所下降, 冬季各站点降水量基本上都有所上升 ( 图 8d、 图 8e) , 反差比较强烈, 应与全球的气候变暖 有较大关系。

图8

M ann 2 K endall 趋势检验

Fig. 8 M ann2K endal l t rend t est

流域 25 个站点中降水量呈现上升趋势的有 14 个, 呈现下降趋势的有 11 个 ( 表 1) 。除蚌埠和莒县 站点的显著性信度超过 90% 以及西华和日照站 点 的显著性信度超过 95% 外, 其它站点的显著性信度 都在 90% 以内, 表明大多数站点的上升或下降趋势 不显著。 通过对上述降水量在时间上与空间上的特征分 析, 对比前人研究结果, 如卢燕宇等基于 Kr ig ing 差 值分析 1961 年 - 2005 年淮河流域降水时空演变特 征, 得出全年降水量呈现上升趋势 ; 突变的起始年在 # 48 #
水文水 资源

1965 年左右, 趋势性不显著 ; 在 空间分布上南部多 于北部、 近海多于内陆等特征与文中所得结论基本 符合
[ 19]

。同时 , 造成淮河流域降水量时间尺度分布

差异较大的主要原因可能是由于夏季受东南亚季风 气候的影响; 空间尺度上的分布不均匀主要由于地 形地貌的差异所导致
[ 20]



4

结论
本文运用线性回归法、 累计距平法以及 M ann2

Kendall的趋势检验与突变检验法综合分析了淮河

刘丽红等 # 1960 年 - 2010 年淮河流域降水量时空变化特征 表1
Tab. 1 站点 统计量 霍山 六安 0. 68 0. 59

淮河流域各站点 M ann2 Kendall 趋势检验统计量及年均降水量

M ann2K endall t ren d t est s tat ist ics and annu al precipit ati on of each st at ion in Huaihe R iver Basin 站点 盱眙 宿州 亳州 赣榆 徐州 砀山 统计量 0. 23 - 0. 31 0. 34 - 0. 24 0. 17 0. 26 降水量 / mm 982 823 780 888 810 727 站点 驻马店 西华 宝丰 开封 许昌 郑州 统计量 0. 02 1. 81 0. 63 0. 67 1. 04 0. 68 降水量 / mm 947 738 712 611 693 615 站点 统计量 日照 - 2. 08 莒县 - 1. 50 尚丘 0. 29 降水量 / mm 807 769 678 1 072 1 041 962

降水量 / mm 1 309 1 068 1 017 990 897 879 670

东台 - 0. 70 高邮 - 0. 26 蚌埠 1. 40

信阳 - 0. 10 固始 - 0. 10 射阳 - 0. 93

寿县 - 0. 13 兖州 - 0. 16

流域 1950 年- 2010 年 25 个地面站点的降水量 资 料。在时间上, 51 年来淮河流域降水量呈现微弱的 上升趋势, 降水量随季节性变化明显。年均降水量 从 20 世纪 60 年代开始呈现下降趋势 , 1976 年前后 这段时间降水量趋于平缓状态 , 在 1976 年之后降水 量一直保持微弱的下降趋势 , 2010 年后淮河流域的 降水量会呈现相对稳定状态 , 无显著上升或下降趋 势。在空间上, 淮河流域降水量由南向北逐渐减少 , 上游、 中游多呈现上升趋势, 下游多呈现下降趋势。
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第 14 卷 总第 84 期 # 南水北调与水利科技 # 2016 年 6 月
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