基于59年同期資料的承德市降水量時(shí)空分布及變化特征研究

趙明鈺

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000)

0 引 言

近十幾年來，全球氣候變化和異常作為全球十大環(huán)境問題之首，引起各國政府和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。我國是世界氣候脆弱區(qū)之一。氣候異常給我國帶來嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害，尤其是旱澇等重大氣候?yàn)?zāi)害造成的損失占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的3%～6%。由于氣候?yàn)?zāi)害的嚴(yán)重性，我國重大氣候?yàn)?zāi)害的特征、成因及預(yù)測(cè)已成為我國科學(xué)界的前沿研究課題。

作為氣候變化的重要指標(biāo)，降水特征也發(fā)生了變化。極端天氣發(fā)生頻率增加，由降水異常引起的干旱、洪澇等氣象災(zāi)害對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活產(chǎn)生重大的影響，嚴(yán)重威脅到生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

針對(duì)近年來極端天氣的日趨頻繁，國際上對(duì)降水的形成機(jī)制、影響因子、分布規(guī)律等開展了大量研究工作。降水日數(shù)、無降水日數(shù)、降水強(qiáng)度、不同日降水量對(duì)總降水的貢獻(xiàn)率引起人們的關(guān)注和研究[1-2]。在國內(nèi)，隨著降水理論的形成和發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)逐漸引起許多水科學(xué)工作者的重視并引入水文水資源研究中。張少文等[3]基于小波變換與李氏指數(shù)的分析方法，對(duì)水文時(shí)間序列多尺度變化的突變特征進(jìn)行了探討；張國宏[4]等利用山西省近45年降水量資料，研究全省降水變化，結(jié)果表明東亞季風(fēng)對(duì)山西省年降水量空間分布的影響十分明顯，年降水量的下降趨勢(shì)十分顯著；潘杰[5]利用線性回歸、小波分析、滑動(dòng)平均曲線等方法分析了常州地區(qū)降水量時(shí)空分布特征，說明近35年來常州地區(qū)降水量總體呈增加趨勢(shì)。

截止目前，國內(nèi)外對(duì)極端氣候變化的研究已具一定水平，但是極端氣候事件存在著明顯的區(qū)域差異[6]。近年來，極端氣候尤其是極端降水出現(xiàn)得愈發(fā)頻繁，而相關(guān)研究還是比較薄弱。通過對(duì)降水規(guī)律的分析，不僅可提高對(duì)其變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)研究區(qū)的未來降水變化評(píng)估提供了一定的科學(xué)依據(jù)，提高災(zāi)害性天氣的預(yù)測(cè)水平，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)的能力。

2 數(shù)據(jù)來源及研究?jī)?nèi)容

本次降水量特征分析采用1956～2014年同步期降水量系列資料。通過對(duì)單站降水量、分區(qū)降水量計(jì)算，分析承德市降水量空間分布與降水量年內(nèi)分配及特征等，可以充分了解在氣候變化的條件下，降水量對(duì)水資源量的變化影響，

3 研究方法

根據(jù)承德市具有代表性的氣象站1956～2014年同步期降水量系列資料，計(jì)算與分析城市區(qū)域降水量特征分布，單站降水量均值統(tǒng)一采用算術(shù)平均值，采用適線法時(shí)不做調(diào)整。Cv值采用矩形法計(jì)算，再用適線法進(jìn)行調(diào)整確定。經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算，頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線[7]。全市降水量系列是根據(jù)單站資料用網(wǎng)格法計(jì)算而得。對(duì)各分區(qū)面平均降水量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，得出各分區(qū)面平均降水量特征值。

4 結(jié)果分析

4.1 單站降水量

承德市單站降水量經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式P=m/(n+1)×100%進(jìn)行計(jì)算；頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線。根據(jù)各選用雨量站1956～2014年系列計(jì)算結(jié)果來看，降水量均值介于329.6～803.7 mm之間，變差系數(shù)Cv值介于0.17～0.33之間。偏差系數(shù)Cs值的取值一般用Cs/Cv值來反映，Cs/Cv的選用值以最佳適線值為準(zhǔn)，全部在2.0～5.0之間。在適線時(shí)，對(duì)系列中出現(xiàn)的特大值、特小值一般未做處理。

4.2 分區(qū)降水量

全市降水量系列是根據(jù)單站資料用網(wǎng)格法計(jì)算而得。對(duì)各分區(qū)面平均降水量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，得出各分區(qū)面平均降水量特征值。

通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，承德市1956～2014年的59年中，全市多年平均年降水總量為205.059 4×108m3，折合降水深519.1 mm，20%、50%、75%和95%頻率降水量分別為593.3、509.0、451.0和387.2 mm。從各水系來看，灤河、北三河、遼河和遼東灣水系多年平均降水量分別為521.4、541.1、465.0和483.3 mm，承德市分區(qū)各縣年降水量特征值見表1，不同頻率降水量變化見圖1。

表1 承德市各縣降水量特征值

圖1 不同頻率下的降水量值雷達(dá)圖

4.3 降水量時(shí)空分布特征

4.3.1 降水量空間分布

承德市降水總體趨勢(shì)自北向南逐漸增加，北部降水深360～480 mm，中部降水深480～600 mm，南部600～760 mm。在圍場(chǎng)北部大光頂山、平泉東南部、興隆地區(qū)由于地形的抬升作用，形成3個(gè)多雨區(qū)，興隆、寬城南部沿長城一線水量最大，多年平均降水在700～760 mm左右；而豐寧小壩子、四岔口鄉(xiāng)及壩上地區(qū)年降水量在360～400 mm左右，是承德市的少雨地區(qū)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，承德市縣、各水系5年滑動(dòng)平均和10年滑動(dòng)平均變化趨勢(shì)基本相同，降水量的年際變化各分區(qū)都相對(duì)比較穩(wěn)定，且各分區(qū)的差別不大。豐水年份主要有1959、1964、1973、1978和1990年等，枯水年有1961、1984、2002和2009年等，且自1999年以后，降水量整體偏小。

根據(jù)承德市降水量分析，計(jì)算得到承德市各縣、各水系1956～2014年、1956～1979年、1980～2014年等3個(gè)不同統(tǒng)計(jì)系列的特征值。結(jié)果表明，承德市24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保證率P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分別增加了5.07%、6.51%、4.79%、3.30%，說明24年中1956～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保證率為P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分別減少了3.47%、3.80%、2.56%、2.39%，說明35年(1980～2014)系列偏小，變化趨勢(shì)見圖2。

根據(jù)分區(qū)的各縣統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德縣、承德市和興隆縣的95%頻率的降水量略有減少外，其它區(qū)域均有不同種度的增加，增加幅度為0.57%～10.86%。其中，隆化縣相差最小，年均值系列相差3.77%；興隆縣相差最大，年均值系列相差7.22%。而35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德市區(qū)和承德縣95%頻率略有增加外，其它區(qū)域均有不同種度的減少，減少幅度從0.75%～5.74%。其中，圍場(chǎng)縣相差最小，年均值系列相差1.78%；興隆縣相差最大，年均值系列相差4.95%。

圖2 24年與59年及35年與59年在不同平率下降水量變化趨勢(shì)對(duì)比圖

從各流域統(tǒng)計(jì)成果來看，24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除北三河水系的95%頻率的降水量略有減少外，其它水系均有不同種度的增加，增加幅度為1.03%～23.31%。其中，灤河水系相差最小，年均值系列相差4.71%；遼東灣水系相差最大，年均值系列相差10.38%。35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，各水系均有不同種度的減少，減少幅度為1.89%～8.07%。其中，灤河水系相差最小，年均值系列相差3.23%；潮河干流相差最大，年均值系列相差7.12%。主要原因是1956～1959年承德市大部分區(qū)域發(fā)生了1957年來最大的一場(chǎng)全流域大范圍降水，而1999～2014年降水量相對(duì)偏少，處于枯水期。

4.3.2 降水量年內(nèi)分配

承德市降水量的年內(nèi)分配多采用接近設(shè)計(jì)值選擇典型年的方法。各分區(qū)代表站和典型年的選取，根據(jù)不同頻率年降水量特征值，挑選若干年降水量與特征值接近的實(shí)際年份，然后從中選出資料較好、月分配不利的年份作為典型年的代表。從降水量年內(nèi)分配表中可以看出，全年降水量近62.1%～86.9%集中在汛期(6～9月份)，而汛期降水量又主要集中在7、8兩個(gè)月。非汛期降水量約占全年降水量的13.1%～37.9%，非汛期又以4、5、10三個(gè)月所占比重較大。

5 結(jié) 語

本文對(duì)承德市具有代表性氣象站點(diǎn)的1956～2014年降水時(shí)間序列的變化規(guī)律進(jìn)行了初步的研究探討，同時(shí)對(duì)單站降雨量和分區(qū)降雨量進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算結(jié)果，分析承德市降水量時(shí)空分布特征，降水量24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)系列相比，說明24年中1956年～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，說明35年(1980～2014年)系列偏小。降水量年內(nèi)分配主要集中在汛期(6～9月份)，從流域角度分析，水系降水量均有不同種度的增加。

氣候變化是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，20世紀(jì)后期人們開始關(guān)注造成氣候變化的各種因素，如行星風(fēng)、大氣環(huán)流、洋流以及人類活動(dòng)等對(duì)水資源和全球水循環(huán)在時(shí)間和空間上的影響[8-9]。本文僅以降水資料為研究對(duì)象，今后可以將降水規(guī)律與降水機(jī)制形成、各地區(qū)下墊面情況等結(jié)合起來，對(duì)分析降水異常等極端天氣有重大意義。