任丘市60年來降水特性研究

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

1 區(qū)域概況

任丘市地處北緯38°33′～ 38°57′，東經115°56′～ 116°26′之間，東與廊坊市文安、大城兩縣相連，南與河間市毗鄰，西與保定市高陽縣接壤，西北與安新縣隔白洋淀相望，北與雄縣相接。東西橫距42.5 km，南北縱距41.0 km，總面積1 023.0 k2，其中白洋淀面積64.8 km2。任丘市屬環(huán)京津、環(huán)渤海經濟開放帶，是國務院確定的對外開放縣市之一。

圖1 任丘市雨量站網分布圖

2 降水量資料選擇

任丘市共有國家雨量站9處，平均113 km2/站。雨量站網分布見圖1。最早的是1919年設站的棗林莊站，其次是1931年任丘市氣象局設立的任丘站。為適應水利建設的需要，任丘市先后設立了劉莊站(1955)、呂公堡站(1959)、汜水站(1963)、出岸站(1965)、陵城站(1972)、高屯站(1972)、北漢站(1973)，至2015年共累積了近526站年的資料。本文搜集整理了相鄰縣(市)的西郜站、留古寺站、興村站、史各莊站、東緒口站共5處雨量站的同步觀測資料，以提高計算精度，繪制等值線圖。為提高降水資料系列的代表性，對資料不連續(xù)、個別年份缺測或未達到六十年同步系列標準的雨量站，采用直接移用、鄰站相關和降水量等值線圖內插等方法進行延長或插補。

3 降水系列代表性分析

評價一個系列是否具有代表性，主要看兩方面：1)資料系列的長短；2)系列本身的豐枯結構以及統(tǒng)計參數的相對穩(wěn)定程度。一般而言，一個隨機系列中，有一個或幾個完整的豐枯周期，并且能夠將長系列中的最大值和最小值包含于其中，重要的是其統(tǒng)計參數、Cv、Cs/Cv相對穩(wěn)定，則認為這個系列具有一定的代表性。

3.1 系列統(tǒng)計參數比較分析

滄州區(qū)域內降水資料系列較長，資料完整，并有較好代表性的就是滄縣捷地雨量站，自1930年設站至2015年共有86 a資料。本次研究為說明短系列資料的代表性，對捷地雨量站短系列( 1956-2012年) 和長系列(1930-2012年) 資料的進行了對比分析，同時增加了1981-2015年降水系列，以突出上世紀80年代以后區(qū)域內降水偏枯的現象。分析這三個系列的降水參數采用水文頻率分析法，用以判斷不同系列的代表性，結果見表1、表2。

表1 捷地站長短系列參數對比表

表2 代表站長短系列特征值分析表 mm

從計算結果可以看出，1981-2015年系列均值與長系列均值比為0.95，變差系數Cv比0.94，相對誤差絕對值4.6%，1956-2015年系列均值與長系列均值比為1.00，相對誤差絕對值為0.11%，遠小于2%，變差系數Cv比0.97； 1956-2015包括了長系列最大值和最小值，且極差變化不大，兩系列均值誤差為0.32%小于2%。1981～2015年系列不包括長系列的最大值和最小值，極值比變小。由此可見，1956-2015年系列各項參數和長系列基本一致，代表性較好，采用該系列進行統(tǒng)計參數計算是可行的。

3.2 降水系列豐平枯分析

按照任丘市地域特點，選擇資料較完整的棗林莊、任丘、劉莊、呂公堡4處雨量站進行豐、平、枯水年份統(tǒng)計分析。本文主要采用以下標準進行統(tǒng)計分析：豐水年的頻率小于37.5%，平水年的頻率為37.5%～62.5%之間，枯水年的頻率大于62.5%。統(tǒng)計結果如表3所列。

表3 豐、平、枯分析成果表

在1956-2015年系列中，共計240站年資料，其中豐水年出現88次，占36.7%，枯水年出現91次，占37.9%，平水年出現61次，占25.4%。分析得出，1956-2015年系列中豐、枯年份出現次數相差無幾。因此，可以認為該系列具有較好的代表性。

3.3 降水量累計年平均值分析

選用資料系列較長的任丘站和棗林莊站為代表站，自2015年依次向前，求出1 a、2 a……的平均值，當累積平均到一定長度時，累積平均值過程線趨于穩(wěn)定，這時的系列長度相當于降水量變化接近于一個周期，具有代表性，然后計算1956-2015年系列累積年平均值。計算公式：

(1)

(2)

(3)

圖2 任丘站累計年平均值過程線圖

圖3 棗林莊站累積年平均值過程線圖

由圖2、圖3可知，系列長度達40 a后累積平均過程線趨于穩(wěn)定，即為降水量變化的一個周期。1956-2015年系列包括降水量變化的一個周期，因此該系列有較好的代表性。

3.4 降水量模比系數差積曲線分析

選用任丘、棗林莊、北漢和汜水站為代表站，分別將各站逐年年降水量與多年平均降水量進行對比，比值即為模比系數，再求其差值，然后從本次研究所選取序列的終止年份，即2015年開始向前逐年依次累加，最終得到C～t累計曲線，此曲線即為模比系數差積曲線。計算公式如下：

(4)

(5)

年降水量模比系數差積曲線能較好地反映年降水量的豐枯變化情況。若一段時間內差積曲線呈下降趨勢，說明這一時期內多年降水量的平均值大于逐年降水量，那么這段時期定為枯水期；若一段時間內差積曲線總體呈上升趨勢，說明在此期間多年降水量平均值小于逐年降水量，則這段時期定為豐水期。差積曲線的形狀不同，反映的降水周期亦不相同。各站年降水量模比系數差積曲線如圖4～圖7所示。

圖4 任丘站年降水模比系數差積曲線圖

圖5 棗林莊站年降水模比系數差積曲線圖

圖6 北漢站年降水模比系數差積曲線圖

圖7 汜水站年降水模比系數差積曲線圖

由圖4～圖7可以看出，任丘站2015-1997年為下降段枯水期(19年)，1996-1988年為上升段豐水期(9年)，1987-1980年為下降的枯水階段(8a)，1979-1956為上升的豐水階段(24年)；棗林莊站2015-1997年為下降段枯水期，1996-1987年為上升段豐水期，1986-1980為下降的枯水階段，1979-1956年為上升的豐水階段。北漢和汜水情況和上述兩站情況基本接近。通過對以上四個代表站年降水的豐枯變化分析發(fā)現，四個站的豐枯變化周期大約都在36 a左右。由此可以看出，本次研究所選取的1956-2015年的年降水量系列，基本包含一個豐枯變化周期，且期間有些浮動的小周期變化，因此認為該系列具有較好的代表性。

4 年降水量系列參數分析及年降水量計算

4.1 年降水量系列參數分析

任丘市共有國家雨量站6處，采用1956-2015年共60 a系列，本文選用矩法進行統(tǒng)計參數計算，采用數字期望公式進行經驗頻率計算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線對頻率曲線進行適線調整。矩法計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

在適線過程中，未對最大、最小極值作處理，取算術平均值作為適線的均值，且適線時固定均值不變，只對Cv、Cs作適當微調，其最后成果見表4。

表4 任丘市降雨量代表站1956-2015年系列特征值統(tǒng)計表

表5 各地年降水量特征值統(tǒng)計表(1956-2015年)

由表4可以看出，幾個代表站的 Cv 值相差不大，一般在0. 30 ～ 0. 35 之間，其主要原因在于年降水量的相對穩(wěn)定。偏差系數Cs 的取值一般用Cs /Cv 值來反映。Cs /Cv 的選用以最佳適線值為準，取值一般在2.0 ～ 2.5之間，本文取用固定值2.5。

4.2 年降水量計算成果

根據1956-2015年降水量同步系列資料統(tǒng)計分析，任丘市多年平均降水量497.0 mm，年均降水總量5.08億 m3。保證率20%、50%、75%、95%的降水量分別為623.6 mm、475.0 mm、378.9 mm和272.5 mm。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，平均降水量最大的是長豐鎮(zhèn)，年平均降水量為523.5 mm，出岸鎮(zhèn)平均降水量最小，為487.9 mm，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量計算成果見表5。

由表5可以看出1956-2015年系列中，任丘市降雨量分布不均，東部、北部降水較大，其中高屯站多年平均降水量523.4 mm，西部降水較小，呈現自東向西逐漸減少的趨勢，但由于區(qū)域較小變化趨勢不很明顯。中東部多年平均降水量在500 mm以上，而西部、南部多年平均降水量一般小于500 mm，其中最小值是出岸為487.9 mm。

4.3 降水量的年內分配與年際變化

4.3.1 降水量的年內分配

任丘市降水量年內分配較為不均，降水主要集中在汛期(6-9月)。汛期降水量占全年降水量的80%左右，個別年份可達90%以上，而其它月份總和還不到10%，降水集中程度較高。而汛期內的降水又主要集中在7、8兩個月，豐水年份雨量集中程度更高。例如棗林莊站1994年年降水量為908.8 mm，汛期降水量822.7 mm，占年降水量的91%，而七八月降水量為678.1 mm，占年降水量的75%。代表站多年平均降水量年內分配見表6及圖8。

表6 代表站多年平均降水量年內分配表(1956-2015年)

圖8 1956-2015年代表站多年平均各月降水量圖

4.3.2 降水量的年際變化

受氣候、地理等因素的影響，任丘市降水量年際變化較大。變差系數CV或極值比(最大值與最小值之比)可反映降水量年際變化的程度。年降水量系列的CV值越大，極值比越大，降水量的年際變化越大。

1956-2015年共60 a降水量中，任丘市年降水量變差系數CV值的范圍為0.30～0.36。在任丘市9個雨量站540站年資料中，最大年降水量為北漢1964年1 268.3 mm，最小年降水量為陵城1997年178.3 mm，相差7.1倍。各雨量站年際變化最大值與最小值之比為3.6～6.1，其中比值最小的是棗林莊站為3.6，CV值也為0.30，比值最大的是汜水站為6.1，CV值為0.36。任丘市降水量年際變化見圖9。

圖9 任丘市多年平均降水量年際變化圖

5 結語

本文采用任丘市1956 —2015 年的降水量資料，分析了該區(qū)域60 a來降水的年代和年際變化的一些特征：

(1)任丘市60 a來降水量的空間分布呈現自東向西逐漸減少的格局，降水主要集中在東部和北部，西部降水較小。

(2)任丘市60 a來降水量年內分配較為不均，降水主要集中在6-9月份，約占總降水量的70%～80%以上。

(3)任丘市60 a來降水量的年際分布呈現豐枯交替現象，其中1956-1964 年為豐水期，1964年為極值年份，出現近60 a來最大值1 268.3 mm，之后降水量呈遞減趨勢。

(4)近年來，任丘市的地表和地下徑流量呈現減少趨勢，對當地可利用水資源量減少，居民的日常生活飲用水都受到了一定的影響。對該市降水特性的研究，為當地防汛抗旱決策工作提供可靠的依據。