太湖流域降水不均匀性研究
作者:邓鹏鑫 胡庆芳 王银堂 王磊之 崔婷婷
摘要: 基于1951—2011年逐日降水数据,采用信息熵分配紊乱指数、基尼系数和变差系数3 种不均匀性指标,分析旬、月时间尺度上太湖流域及各分区降水分布的不均匀性。比较3 种不均匀性指数的差异,并探讨指数与流域洪涝灾害的相关关系;同时采用基于预置白处理的Mann-Kendall 方法和Hurst 系数,诊断降水不均匀性指数的变化趋势及持续性,分析对流域旱涝灾害情势的可能影响。结果表明:3 种不均匀性指数间的差异较小;当年或汛期降水总量和不均匀性指数值均较大时,太湖流域较容易遭遇洪涝灾害,而在降水总量较小且不均匀性指数值较大时,则容易遭遇干旱灾害。在月时间尺度上,太湖流域汛期降水的不均匀性将持续增加,降水分布具有更为集中的态势,发生洪涝灾害的风险将有所增加。因此,有必要继续分析降水在空间上的不均匀性,以揭示降水在空间尺度上的分布差异,继而为流域防灾减灾提供技术支持。
关键词: 太湖流域; 降水; 不均匀性; 基尼系数; 信息熵分配紊乱指数;旱涝灾害
中图分类号: P338 文献标志码: A 文章编号: 1009-640X(2014)05-0034-07
在气候变化和城市化背景下,我国区域降水要素的变化及对旱涝情势的可能影响引起了广泛关注[1]。然而已有的研究多关注全年或年内特定时段降水总量的变化特征,对年内降水时程分布特征变化的研究相对较少[2-6]。而某一区域的水旱灾害,既与降水总量有关,也与降水年内分布密切相关。因此,在分析降水总量变化的同时,还应分析降水要素在年内分布的时间不均匀性及可能变化。
太湖流域是我国典型的平原河网地区,位于东亚季风气候区,降水时空分布不均,水旱灾害比较频繁。研究流域降水的时间不均匀性,可以更全面深入地理解太湖流域降水的时程分布特性,为流域水资源利用、水旱灾害分析提供科学依据。因此,本文同时采用信息熵分配紊乱指数(Apportionment entropy disorder index,ADI)[7-8]、基尼系数(Gini coefficient,GC)[9]和变差系数(Coefficient of variation,Cv)3 种不均匀性指数,在旬、月时间尺度上分析全流域及分区域降水要素的不均匀性,并探讨不均匀指数变化对流域遭遇旱涝灾害情势的可能影响。
1 研究区域与数据
1.1 研究区域
太湖流域位于东经119°11'~121°53',北纬30°28'~32°15'之间,北抵长江,东临东海,南濒杭州湾,西以天目山、茅山等山区为界,流域总面积约36 895 km2。流域地形呈西高东低、四周高中间低之势,地貌特征以平原为主,山地丘陵仅分布在流域西部(图1)。太湖流域属典型亚热带季风气候,冬季干冷、夏季湿热,年均降水量为1 189 mm(1951—2011)。降水年内分布不均,汛期多年平均降水量为710 mm,约占全年的60%[10-11]。其中,5—7月为梅汛期,8—9月为台风期。
根据流域地形及水系特点,将全流域分为湖西、浙西、太湖湖区、杭嘉湖、武澄锡虞、阳澄淀泖和浦东浦西7个分区。
1.2 研究数据
收集全流域和7个分区1951—2011年逐日面降水量数据(太湖流域管理局水文局提供)。降水资料经过了质量控制,包括一致性、可靠性和代表性的分析处理。在逐日降水数据基础上,得到全流域及各分区年、汛期、月、旬降水数据。
2 研究方法
通常多采用变差系数(Cv)对降水的不均匀性进行分析,这一指标是描述样本相对均值的离散程度的一般性指标。近年来,一些学者相继探讨采用信息熵紊乱指数(ADI)[7-8]、基尼系数(GC)[9]等指标分析降水的不均匀性。其中,ADI 能揭示序列变化的深层随机性,起源于热力学、统计力学领域;GC 最早由意大利经济学家基尼(Gini)于1922年提出,用于社会财富分配平等性评价[12-15]。两项指标在降水不均匀性分析上已有成功案例[7-8]。
Cv采用序列均方差δ与均值x(—)的比值衡量序列相对离差程度表示:
(1)
式中:xi(i = 1,2,3,…,n)为样本序列;x(—)为序列的均值。Cv为实数。对于降水要素而言,Cv值越大,降水分布的不均匀性程度越高;反之,不均匀性程度越低。
GC 主要通过构建洛伦兹曲线进行不均匀性的定量评价[12-13]。流域降水时间分布不均匀性的洛伦兹曲线的构建方法可参考文献[9]。在对比多种GC 计算方法[14]的基础上,本文采用张建华提出的简易公式[15],该公式利用定积分的定义将洛伦兹曲线的积分分成n个等高梯形:
(2)
式中:Wt(t = 1,2,3,…,n-1)为累积降水量的百分比,即将降水序列从小到大排列,依次计算累计降水量占总降水量的比值。
ADI 是建立在信息熵概念的基础上,揭示要素深层随机性的指标。根据文献[7],对于一组有限的随机序列x,信息熵H 可表示为: