湖南省可利用降水量時空分布特征

羅伯良,張 超

(湖南省氣象科學(xué)研究所，中國 長沙 410007)

隨著 “一化三基”戰(zhàn)略的推進(jìn)，湖南的社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口不斷增長，人們對水的需求量越來越大．盡管相對全國來說，湖南的水資源比較豐沛，年水資源總量為1 689 km3，居全國第6位，堪稱水資源大省，但人均水資源量在2 500 m3左右，僅略高于全國平均水平，在缺水線(1 000～3 000 m3)的上限．加上湖南屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水的季節(jié)性強(qiáng)，降雨多集中在春夏兩季，尤其是汛期集中了全年70%以上的雨量，全省大部分地區(qū)4月至7月徑流量占全年的65%，部分地方達(dá)到70%[1]．此外，湖南境內(nèi)水利工程調(diào)控水資源能力不強(qiáng)，特別是湘、資、沅、澧四水干流尚缺乏關(guān)鍵的控制性工程，還不能完全充分地調(diào)控洪水，絕大部分降水以徑流的形式通江達(dá)海．由于湖南水資源主要靠大氣降水補(bǔ)給，受天氣氣候變化的影響極大，氣候異常引起大范圍的持續(xù)性干旱時有發(fā)生，如1998年夏季到1999年春季湘南持續(xù)性干旱和2007年夏秋連旱給湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[2]．加之人們對有限的水資源不能合理有效利用，浪費(fèi)和水體污染使湖南水資源供需矛盾在冬半年更顯突出，現(xiàn)已成為制約湖南經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[3-4]．另外，根據(jù)IPCC研究報告[5]，近百年全球平均溫度已經(jīng)升高了(0.6 ±0.2)℃，這種溫度的上升趨勢還在持續(xù)，氣候變暖加劇了極端天氣氣候事件的頻繁出現(xiàn)，對水資源的影響也不可忽視[6-7]．

降水雖然是水資源的主要補(bǔ)給來源，但并不等于是可利用的水資源，它的相當(dāng)一部分要以蒸發(fā)的形式回到大氣中，其余部分才能形成地面徑流．可利用降水量是大氣降水各分量中(降水量、蒸發(fā)量和可利用降水量)可被人們實(shí)際利用的降水資源，湖南大部分地區(qū)的水需求(特別是作物生長)主要靠大氣降水補(bǔ)給．因此，本文將對湖南可利用降水量空間分布和變化趨勢進(jìn)行分析，為湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)水資源提供科學(xué)依據(jù)．

1 資料和方法

本文所用資料為湖南省內(nèi)長沙、岳陽、常德、懷化、邵陽、衡陽、永州、郴州等89個氣象臺站逐月平均氣溫和降水量資料，時間從1959年到2008年共50 年．

一般地，某地水資源的多少取決于降水、蒸發(fā)和徑流量等要素，從氣象角度來考慮，降水量與蒸發(fā)量之差基本能表征可利用降水資源的多寡，降水量反映了一個地方水分收入狀況，而蒸發(fā)量則是表示一個地方水分消耗程度的指標(biāo)．目前，關(guān)于蒸發(fā)量的計算方法較多，一般根據(jù)空氣飽和差、氣溫及積溫、輻射平衡等來確定，具體的經(jīng)驗公式主要有彭曼公式、桑斯威特公式、哈格里韋斯公式以及高橋浩一郎公式等[8]，其中高橋浩一郎經(jīng)驗公式僅用了月平均降水和氣溫兩個要素即可估算月平均地面蒸發(fā)，方法比較簡便，近年來被用于我國華北、西北及西南地區(qū)水資源問題的研究[9-13]，得到不少有意義的結(jié)果，并被證明是合理的．考慮到湖南地區(qū)的氣候特點(diǎn)及氣象要素資料的收集難易程度，本文采取高橋公式估算湖南全省89個測站逐月的蒸發(fā)量(E)，進(jìn)而討論湖南省水資源各分量(R，E，R-E)時空變化的特征以及它們的變化趨勢．

高橋浩一郎的陸面蒸發(fā)經(jīng)驗公式為

(1)

式中，E、R、T分別為月地面蒸發(fā)量(mm ) 、月降水量(mm )和月平均氣溫( ℃) ．降水與蒸發(fā)量之差稱為可利用降水，可以將其作為衡量水資源豐枯的指標(biāo)．可利用降水資源F(mm)可定義為

F=R-E.

(2)

利用(1) 、(2)式可以計算出1～12月各月的可利用降水資源量，將各站各月相加即得年可利用降水量．

采用趨勢系數(shù)法結(jié)合顯著性檢驗，揭示可利用降水量變化趨勢，正為增加趨勢，負(fù)為減少趨勢．

2 湖南省區(qū)域平均水資源時空分布特征

2.1 湖南省水資源的空間分布特征

湖南年降水量(圖略)有自東南向西北逐漸減小的分布趨勢，在1 160～2 041 mm之間，年降水量大值區(qū)主要集中于資江中下游和衡陽的南岳以及湘東山區(qū)．另外，湖南年降水的梯度也不均勻，呈中部和東部邊緣大、南北小的特征．年可利用降水量的分布(圖1a)與年降水十分相似，其大、小值中心與降水一致，只是數(shù)值要小很多．全省可利用降水量(R-E)在586～1 601 mm之間，資江中下游、衡陽南岳和湘東、湘南邊緣山區(qū)在900 mm以上，這些地區(qū)的水資源較為豐富，湘西北及西部邊緣山區(qū)在700 mm以下，這些地區(qū)水資源相對較少．

圖1 1960～2008年湖南平均年可利用降水量(a)(單位：mm)和年蒸發(fā)率(b)(單位：%)

2.2 湖南省平均可利用降水量的時間變化

圖2 1960～2008年湖南省年(a)和春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)季可利用降水量及年蒸發(fā)量距平(f)

從湖南省平均可利用降水量距平演變趨勢(圖2a)可見，1960～2008年湖南省年及四季可利用降水量具有明顯的年際及年代際變化特征．全省平均年可利用降水量2002年最大，為1 223.2 mm，比多年平均多420.9 mm；1985年最小，為578.5 mm，較多年平均少224.0 mm．從年代際變化特征來看，20世紀(jì)六七十年代呈準(zhǔn)兩年周期變化，20世紀(jì)80年代湖南可利用降水量偏少，20世紀(jì)90年代則偏多，但進(jìn)入21世紀(jì)后，湖南可利用降水量又趨偏少．盡管湖南省年平均可利用降水量變化趨勢不顯著，但冬、夏季和春、秋季可利用降水量變化趨勢顯著且呈現(xiàn)相反變化趨勢，下面我們將分析討論．

春季可利用降水量總體呈明顯減少的趨勢(圖2b)，平均每年減少1.8 mm，通過了95%的置信度檢驗．最多的年份出現(xiàn)在1975年，為617.3 mm，比多年平均多260.1 mm；最少的年份是2007年，為182.3 mm，較多年平均偏少173.3 mm．春季可利用降水量也存在明顯的年代際變化，20世紀(jì)六七十年代以年際變化為主，年代際變化特征表現(xiàn)為偏多，20世紀(jì)80年代以后，進(jìn)入一個相對偏少期，其減少趨勢非常明顯．

夏季可利用降水量總體呈上升趨勢(圖2c)，平均每年增加1.7 mm，通過了90%的置信度檢驗．最多的年份為2002年，為422.1 mm，比多年平均偏多204.9 mm；最少年份為62.1 mm，較多年平均偏少155 mm．夏季可利用降水量在20世紀(jì)60～80年代以偏少為主，90年代初開始增加．夏季可利用降水量的變化與降水量基本一致．

秋季可利用降水量總體變化與春季一樣為下降(圖2d)趨勢，但減少幅度小于春季，平均每年減少約0.8 mm．最多的年份出現(xiàn)在1972年，為275.7 mm，比多年平均偏多151 mm；最少的年份是1991年，為11.4 mm，較多年平均偏少113.3 mm．秋季可利用降水量年代際變化特征不明顯，主要表現(xiàn)為年際變化，只是20世紀(jì)80年代以前偏多頻率較大，之后則以偏少頻率較大，秋季缺水趨勢加?。虼耍行У乩们锛窘邓鄬τ谄渌竟?jié)更為重要．

冬季可利用降水量總體變化與夏季一樣為上升(圖2e)，平均每年增加1.1 mm，通過了90%的置信度檢驗．最多的年份出現(xiàn)在1997年，為241.7 mm，比多年平均多136.8 mm；最少的年份是1998年，為20.9 mm，較多年平均少84 mm．冬季可利用降水量20世紀(jì)80年代以前主要表現(xiàn)為年際變化，之后則表現(xiàn)為年代際變化，即20世紀(jì)80年代偏少，90年代偏多，進(jìn)入21世紀(jì)又趨偏少．

3 湖南省可利用降水量變化的空間分布

從回歸系數(shù)看，春、秋季全省大部以減少為主，夏、冬季全省大部則以增加為主．

春季可利用降水量變化的空間分布特征(圖3a)：全省除攸縣、炎陵、資興為弱增加外，長沙、岳陽、益陽、常德、邵陽等其余86站呈減少趨勢，其中有40個站減少幅度在2.0～4.05 mm/a之間，其他46站減少幅度<2.0 mm/a．湘中大部減少幅度最為明顯，岳陽的平江減少幅度最大，平均每年減少4.05 mm．

夏季可利用降水的變化趨勢幾乎與春季相反(圖3b)：除南縣、沅江等8站為減少的趨勢外，其余大部分地區(qū)為增加的趨勢，全省有33站增加幅度在2.0～3.9 mm/a之間，有35站增加幅度在1.0～2.0 mm/a之間，其余13站可利用降水增加幅度<1.0 mm/a．其中衡陽的南岳增加幅度最大，平均每年增加約3.9 mm．

秋季可利用降水的變化趨勢與春季相似(圖3c)，全省大部分地區(qū)為減少的趨勢，只是減少的幅度小于春季．全省減少幅度在1.0～2.0 mm/a之間的有39站，南岳減少幅度最大，平均每年減少約2.3 mm；44站可利用降水減少幅度<1.0 mm/a；其余5站為弱的增加趨勢．

冬季可利用降水的變化趨勢與夏季相似(圖3d)，全省大部分地區(qū)呈增加的趨勢，但增加幅度小于夏季，所有站的變化幅度<2.0 mm/a，其中有47站增加幅度在1.0～2.0 mm/a之間，其余各站可利用降水增加幅度<1.0 mm/a．增加幅度比較明顯的地方在洞庭湖區(qū)和郴州及株洲南部，平均每年增加約1.5 mm．

圖3 1960～2008年湖南省春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季可利用降水量變化趨勢空間分布(單位：mm/a)

為分析不同季節(jié)不同測站可利用降水變化趨勢系數(shù)空間差異，對各季可利用降水變化趨勢系數(shù)( 可利用降水量序列與對應(yīng)的時間自然序列之間的相關(guān)系數(shù) )空間分布也進(jìn)行了分析．結(jié)果表明：不同季節(jié)可利用降水變化趨勢系數(shù)表現(xiàn)不同，春季(圖4a)西部大部及長沙和岳陽部分地區(qū)可利用降水下降趨勢顯著，通過了0.10和0.05信度檢驗，表明上述地區(qū)春季可利用降水量在減少．而夏季(圖4b)邵陽、婁底、懷化中部及郴州部分地區(qū)可利用降水增加趨勢顯著，通過了0.05信度檢驗，這些地區(qū)可利用降水量的增加可彌補(bǔ)春季水資源的持續(xù)減少．秋季(圖4c)可利用降水量的下降趨勢較小，其中西部邊緣山區(qū)和邵陽與永州部分地區(qū)通過了0.10信度檢驗，結(jié)果導(dǎo)致上述地區(qū)原已短缺的水資源繼續(xù)減少，使其秋旱氣候特征進(jìn)一步加強(qiáng)．冬季(圖4d)湘北大部和湘西南及湘東南部分地區(qū)可利用降水增加趨勢顯著，通過了0.10和0.05信度檢驗，表明上述地區(qū)冬季可利用降水在增多．

圖4 湖南省春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季可利用降水量變化趨勢系數(shù)通過0.1(0.05) (淺(深)陰影區(qū))顯著性檢驗站點(diǎn)空間分布

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可得到以下主要結(jié)論：

(1)湖南年可利用降水量的分布與年降水十分相似，其大、小值中心與降水一致，資江中下游、衡陽南岳和湘東、湘南邊緣山區(qū)為大值區(qū)，湘西北及西部邊緣山區(qū)為小值區(qū)．

(2)從年代際變化特征來看，湖南年可利用降水量在20世紀(jì)60～70年代呈準(zhǔn)兩年周期變化，80年代偏少，90年代偏多，進(jìn)入21世紀(jì)后，湖南可利用降水量又趨偏少．春季可利用降水量20世紀(jì)60～70年代以偏多為主，80年代以后，進(jìn)入一個相對偏少期；夏季可利用降水量在20世紀(jì)60～80年代以偏少為主，90年代初開始增加；秋季可利用降水量年代際變化特征不明顯，只是20世紀(jì)80年代以前偏多頻率較大，之后則以偏少為主；冬季可利用降水量20世紀(jì)80年代80年代偏少，90年代偏多，進(jìn)入21世紀(jì)又趨偏少．

(3)湖南可利用降水量冬、夏季增加，春、秋季減少，導(dǎo)致湖南省可利用降水量季節(jié)變化特點(diǎn)明顯，秋季缺水更為顯著．

(4)從可利用降水量趨勢變化的空間分布看，春季西部大部及長沙和岳陽部分地區(qū)可利用降水下降趨勢顯著，夏季邵陽、婁底、懷化中部及郴州部分地區(qū)可利用降水增加趨勢顯著，秋季可利用降水量以減少為主，冬季湘北大部和湘西南及湘東南部分地區(qū)增加顯著．

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