云南高原湖泊洱海流域年降水量時(shí)空分布特征研究

李 蕓，李寶芬，張 坤，朱 俊，楊秋萍

（1.云南省水文水資源局，云南 昆明 650051；2.云南省水文水資源局 昆明分局，云南 昆明 650051）

云南高原湖泊洱海流域年降水量時(shí)空分布特征研究

李 蕓1，李寶芬2，張 坤1，朱 俊1，楊秋萍1

（1.云南省水文水資源局，云南 昆明 650051；2.云南省水文水資源局 昆明分局，云南 昆明 650051）

為更好地保護(hù)洱海生態(tài)環(huán)境、高效利用水資源和實(shí)現(xiàn)湖泊資源的可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)法和小波分析等方法，對(duì)洱海流域年降水量的地區(qū)分布和時(shí)空變化，以及年內(nèi)、年際、多年變化趨勢(shì)和豐枯變化情況進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：洱海流域年降水量由南向北、由西向東遞減，在流域西部和北部，降水量受地形影響較為明顯，隨高程升高而增大，垂直變化較為顯著；全年降水量主要集中在5—10月，占全年降水量的84.9%～93.2%，說(shuō)明該時(shí)段降水量較大程度地決定了年降水量，每年11月至次年4月降水量?jī)H占全年降水量的6.8%～15.1%，最大月降水量出現(xiàn)在7月或8月，最小月降水量出現(xiàn)于12月；洱海流域年降水量年際變化相對(duì)較穩(wěn)定，但呈逐年減少趨勢(shì)；并存在豐 枯 豐等多個(gè)循環(huán)交替。

洱海；流域；年降水量；特征

洱海是中國(guó)的第七大淡水湖泊，云南第二大高原淡水湖泊，是大理人民賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是我國(guó)城郊湖泊中得到較好保護(hù)的高原湖泊。洱海來(lái)水主要為降水和融雪，通過(guò)地表徑流、湖面降水及地下徑流進(jìn)入湖泊，洱海流域降水量的時(shí)空分布影響著湖泊的水量及水質(zhì)狀況。分析洱海流域年降水量的時(shí)空變化特征，可為高原湖泊資源的可持續(xù)利用和有效保護(hù)提供技術(shù)支持。

1 洱海流域概況

洱海流域地處云南境內(nèi)的瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，屬瀾滄江-湄公河水系，流域面積2 565 km2，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)100°05′～100°17′、北緯25°36′～25°58′之間。洱海在云南省大理白族自治州境內(nèi)，當(dāng)湖面高程為1 966m時(shí)，湖面面積251 km2，蓄水量達(dá)28.8億m3；湖泊平均寬度為6.3 km，南北長(zhǎng)度為42.5 km；洱海平均水深10.5m，最大水深為20.9m。湖盆形態(tài)特征系數(shù)為0.10，湖泊岸線(xiàn)發(fā)展系數(shù)為2.068，湖泊補(bǔ)給系數(shù)為10.6，湖岸線(xiàn)長(zhǎng)127.85 km，湖水停留時(shí)間2.75年［1］。

流域內(nèi)地形起伏，海拔在1 743.2～4 056.9m之間。不同區(qū)域坡度差異明顯，51%的流域面積坡度在13度以上，坡度較緩的區(qū)域主要分布在海南、海西與海北的壩區(qū)，海西蒼山山脊、海北、海東與海南遠(yuǎn)山地形坡度較大。

洱海流域氣候?qū)俚途暩咴瓉啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，表現(xiàn)為氣候溫和、干濕分明和日照充足。每年的干季為11月至翌年4、5月，雨季為5月下旬至10月。洱海湖面多年平均蒸發(fā)量為1 208.6mm。年平均氣溫為15.1℃，最高月平均氣溫為20.1℃，最低月平均氣溫為8.8℃；全年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2 250～2 480h，日照百分率為52%～56%。湖區(qū)內(nèi)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，年平均風(fēng)速4.1m/s，最大風(fēng)速達(dá)40m/s。

1956—2013年，洱海年平均凈入湖水量為8.26億m3?？勺?0世紀(jì)50年代中期至今，洱海凈入湖水量逐漸下降趨勢(shì)明顯（見(jiàn)圖1），表明隨著城市發(fā)展流域耗水量增加明顯。圖2是洱海流域水系圖。

圖1 洱海凈入湖水量歷史變化

圖2 洱海流域水系

2 數(shù)據(jù)資料與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)資料本文洱海流域降水量分析選用流域內(nèi)面上分布均勻、站址穩(wěn)定、資料連續(xù)性較好、并能反映地形變化的雨量站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)資料作為基礎(chǔ)資料，通過(guò)分析，共選用13個(gè)雨量站1948—2015年合計(jì)493站年實(shí)測(cè)月降水量資料，所選雨量站點(diǎn)基礎(chǔ)資料情況見(jiàn)表1。

表1 洱海流域降水量分析選用站點(diǎn)基本情況

分析過(guò)程中，因部分站點(diǎn)觀測(cè)記錄年份不盡相同，用下關(guān)站的資料系列對(duì)喜洲、吊草溝、龍王塘和挖色等站的資料進(jìn)行插補(bǔ)和延長(zhǎng)，相關(guān)系數(shù)在0.75～0.88之間，其余資料系列低于20年的站點(diǎn)資料采用長(zhǎng)短系列均值法進(jìn)行插補(bǔ)。

2.2 分析方法流域多年平均降雨量采用泰森多邊形法進(jìn)行計(jì)算，方法如下。

按地圖上雨量站的位置聯(lián)線(xiàn)，構(gòu)成許多三角形（包括鄰近區(qū)域的雨量站），形成三角網(wǎng)，然后對(duì)每個(gè)三角形各邊作垂直平分線(xiàn)，再將這些垂直平分線(xiàn)構(gòu)成以每個(gè)雨量站為核心的多邊形，每個(gè)雨量站的控制面積即為此多邊形面積（流域邊界內(nèi)），流域平均降水量按下式計(jì)算：

式中：f1、f2、f3、…、fn分別為區(qū)域內(nèi)各雨量站控制面積；P1、P2、P3、…、Pn分別為各雨量站年降雨量；F為流域總面積。

年降水量時(shí)空分布研究，通過(guò)計(jì)算流域的年降水量極值比、干濕季降水量以及年降水量變差系數(shù)值，并繪制年降水量差積曲線(xiàn)進(jìn)行研究。

降水量多年變化趨勢(shì)分析采用趨勢(shì)法［2］對(duì)年降水量、干濕季降水量進(jìn)行分析，具體公式為：

式中：ΔPi為第i年的距平；ni為第i年的序號(hào)；a、b為回歸方程的截距和斜率。

流域降水量演變的周期性規(guī)律與變化趨勢(shì)采用小波分析方法［3-5］進(jìn)行分析，其方法簡(jiǎn)述如下。

式中：a、b分別為尺度因子和時(shí)間因子。

其離散形式可表示如下：

故小波方差定義：

選Morlet小波作為小波基函數(shù)。

3 分析結(jié)果

3.1 降水量空間分布洱海流域多年平均降水量為901.8mm，折合降水總量23.13億m3。通過(guò)所選雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料計(jì)算分析，其結(jié)果為：洱海流域降水量由南向北、由西向東遞減，總體特點(diǎn)是：南面高，北面低，西面降水比東面高，西面高山地帶降水量最大；主要原因是洱海西面是蒼山，海拔相對(duì)較高，而降水量相對(duì)較低的流域北部分布有數(shù)量較多、坡度較小的壩區(qū)。實(shí)測(cè)年降水量中，最大的是西南面的洗馬潭站，2014年降水量達(dá)2371.5mm；實(shí)測(cè)年降水量最小的是位于中部的銀橋站，2003年降水量?jī)H為370.5mm。

流域降水量隨高程變化情況：北部和西部的降水量受地形影響較為明顯，降水量隨高程升高而加大，垂直變化較為顯著。北部海拔高程每增加100m，年降水量遞增35.2mm，線(xiàn)性表達(dá)式為P= 0.352H-23.314，r=0.98；西部海拔高程每增加100m，年降水量遞增62.6mm，線(xiàn)性表達(dá)式為P= 0.6263H-291.87，r=0.92。洱海流域北部和西部年降水量與高程關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 洱海流域年降水量與高程的關(guān)系

3.2 降水量時(shí)間分布（1）年降水量年內(nèi)變化規(guī)律。選取6個(gè)代表站（煉城、吊草溝、沙坪、挖色、喜洲、下關(guān)）分析流域降水量的年內(nèi)變化規(guī)律，代表站分別位于流域的東、西、南、北。從各代表雨量站點(diǎn)多年平均年內(nèi)分配過(guò)程（見(jiàn)圖4）來(lái)看，月分配類(lèi)型為單峰型，汛期（5—10月）降水量較為集中，占全年降水量的84.9%～93.2%，其中主汛期（7—9月）降水量占全年降水量的52.5%～64.9%，最大月降水量出現(xiàn)在7月或8月，占全年降水量的18.2%～25.8%；枯期（每年11月至次年4月）降水量?jī)H占全年降水量的6.8%～15.1%，最小月降水量出現(xiàn)于12月，僅占全年降水量的0.46%～1.38%，說(shuō)明主汛期降水量較大程度地決定了年降水量。

圖4 洱海流域代表雨量站降水量月分配過(guò)程

（2）年降水量多年變化趨勢(shì)。選取系列長(zhǎng)度長(zhǎng)，資料條件好的喜洲、煉城和下關(guān)3個(gè)代表站進(jìn)行年降水量趨勢(shì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，三站長(zhǎng)系列年降水量均呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì)，其減少趨勢(shì)具有一定的顯著性；而從煉城站汛期、非汛期降水量變化趨勢(shì)分析看，見(jiàn)圖6，汛期降水量其減少程度比非汛期降水量更為顯著，表明引起降水量減少原因?yàn)檠雌诮邓繙p小造成。

（3）年降水量年際變化特征。各雨量站年降水量年際變化不大，最大年降水量與最小年降水量差值為522.2～999.5mm，極值比為1.81～2.75，各站最大年降水量和多年平均降水量的比值在1.29～1.57之間，最小年降水量和多年平均降水量的比值在0.54～0.71之間。變差系數(shù)Cv值的大小表示年降水量的年際變化情況，Cv值大則表示年際間的變化大，Cv值小則表示年際間的變化小。經(jīng)分析，洱海流域年降水量變差系數(shù)Cv值在0.16～0.23之間，和云南省年降水量變差系數(shù)（Cv值0.10～0.25）相比，洱海流域年降水量年際變化相對(duì)較穩(wěn)定。

圖5 洱海流域雨量站降水量多年變化趨勢(shì)

圖6 煉城站降水量多年變化趨勢(shì)

選取沙坪、挖色、喜洲和煉城4個(gè)代表站分析洱海流域豐水年和枯水年情況，從代表站年降水量差積曲線(xiàn)計(jì)算成果看，洱海流域豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，具有明顯的周期性。各站降水量年際間的豐枯變化具有一定的周期，一般均有兩個(gè)完整的周期，周期長(zhǎng)度在16～30年之間，每一個(gè)周期均包括豐、平、枯3個(gè)時(shí)段，模比差積曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。以煉城站為例，59年年降水量觀測(cè)系列中，1959—1966年為一個(gè)連續(xù)豐水年組，1967—1978年為一個(gè)連續(xù)平水年組，1979—1988年為一個(gè)連續(xù)枯水年組，形成第1個(gè)30年的豐平枯周期；1989—1995年為第2個(gè)連續(xù)豐水年組，1996—2008年為第2個(gè)連續(xù)平水年組，2009—2015年為第2個(gè)連續(xù)枯水年組，完成第2個(gè)豐平枯周期。

（4）年降水量周期變化規(guī)律。為判斷洱海流域?qū)δ杲邓啃蛄衅鹬饕饔玫闹芷冢捎糜?jì)算公式（小波方差，小波系數(shù)）進(jìn)行小波方差檢驗(yàn)。圖8為洱海流域年降水量的小波方差圖，可反映時(shí)間系列的主要周期，由圖8可見(jiàn)，洱海流域年降水量在13a、37a和59a尺度上的震蕩非常明顯，存在13a、37a和59a的年周期尺度。第1峰值是37a，說(shuō)明降水量10a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為第1主周期，第2和第3主周期依次為13a和59a。

圖9為洱海流域降水量Morlet小波變換圖，由圖9可見(jiàn)，在13a和37a尺度上，年降水量存在豐枯 豐等多個(gè)循環(huán)交替，在59a上存在一個(gè)枯 豐 枯交替。以37a周期為例，1948—1971、1994—2015年年降水量偏豐；1972—1993年降水量偏枯。以59a周期為例，1954—2007年降水量偏豐；1948—1953、2008—2015年降水量偏枯。由此可知在短時(shí)間尺度上，洱海流域2008—2015年降水量屬于偏豐年份，但有下降趨勢(shì)；在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上，洱海流域2008—2015年降水量屬于偏枯年份。

圖7 洱海流域代表站模比差積曲線(xiàn)

圖8 洱海流域年降水量小波方差

圖9 洱海流域降水量Morlet小波變換

4 結(jié)語(yǔ)

（1）洱海流域年降水量由南向北、由西向東遞減；南面高，北面低，西面降水比東面高，西面高山地帶降水量最大；流域北部和西部降水量受地形影響較為顯著，海拔高程每增加100m，降水量增幅可達(dá)30mm以上。（2）1948—2015年，洱海流域年降水量呈逐年減少趨勢(shì)，其減少趨勢(shì)具有一定的顯著性，引起降水量減少原因主要是汛期降水量減小造成；降水季節(jié)性差異顯著，主要集中在汛期（5—10月），占全年降水量的84.9%～93.2%，主汛期（7—9月）降水量占全年降水量的52.5%～64.9%；枯期（每年11月至次年4月）降水量?jī)H占全年降水量的6.8%～15.1%。（3）流域內(nèi)降水量年際變化不大，但豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，具有明顯的周期性。根據(jù)小波分析結(jié)果：在13a和37a尺度上，洱海流域年降水量存在豐 枯 豐等多個(gè)循環(huán)交替，在59a上存在一個(gè)枯 豐 枯交替。（4）洱海近年來(lái)入湖水量不斷減少，嚴(yán)重影響湖泊生態(tài)健康，究其原因，年降水量逐年減少是重要因素之一，但影響入湖水量的因素除降水量外，隨著城市發(fā)展在入湖河流蒼山十八溪上無(wú)序取水也是致使流入洱海水量大幅減少的一個(gè)重要原因。對(duì)入湖水量呈減少趨勢(shì)的成因以及對(duì)未來(lái)的影響待進(jìn)一步研究。

［1］ 張紅葉，蔡慶華，唐濤，等.洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2012，32（4）：715-720.

［2］ 廖宇，倪長(zhǎng)健.金沙江流域近47年降水特征分析［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42（5）：55-58.

［3］ 張潔祥，張雨鳳，李瓊芳，等.1971-2010年上海市降水量變化特征分析［J］.水資源保護(hù)，2014，30（4）：47-52.

［4］ 劉健，林琳，張學(xué)群，等.黃河三角洲地區(qū)降水時(shí)序變化特征研究［J］.水資源保護(hù)，2012，28（1）：22-28.

［5］ 李蕓，李寶芬，羅麗艷.云南撫仙湖流域年降水量時(shí)空分布特征研究［J］.人民長(zhǎng)江，2016，47（21）：48-51.

Study on spatiotemporal distribution characteristics of annual precipitation of Erhai Basin

LI Yun1，LI Baofen2，ZHANG Kun1，LI Baofen2，ZHU Jun1，YANG Qiuping1
（1.Hydrology&WaterResourcesBureau of Yunnan，Kunming 650051，China；2.Kunming Branch，Hydrology&WaterResourcesBureau ofYunnan，Kunming 650051，China）

In order to protect the ecological environment better，take advantage of water resources efficiently，and achieve sustainable use of lake resources of the Erhai Lake，we use the methods ofmathematical statistics，trends and wavelet analysis to analyze area distribution，spatiotemporal change，change trend during the year and interannual change trend of the annual precipitation in the Erhai Lake basin.The results show that the annual precipitation in the Erhai Lake basin decreases from south to north，and from west to east.The precipitation is evidently affected by terrain and it increases with altitude in the north and west of the basin.The precipitation mainly concentrates in May to October，and it accounts for 84.9% ～93.2% of the annual precipitation.The precipitation in November to April in the following year accounts for only 6.8% ～15.1%of the annual precipitation.The maximum monthly precipitation occurs in July or August，and minimum monthly precipitation occurs in December.The interannual change of the annual precipitation in the Erhai Lake basin is relatively stable，but the trend decreases year by year.There are many cycles of the annual precipitation，such as abundance，drought，and abundance.

Erhai Lake；basin；annual precipitation；characteristics

P333

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.012

1672-3031（2017）03-0234-07

（責(zé)任編輯：王成麗）

2017-03-17

李蕓（1967-），女，云南玉溪人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源研究。E-mail：liyunm005@163.com