遼寧省降水和旱澇的特征分析

李華欣

(莊河市林業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧莊河 116400)

降水量的大小是影響區(qū)域水資源豐枯狀況的關(guān)鍵性因素，大氣降水通常是補給地表與地下水的主要來源，所以在預(yù)報分析水文水資源過程中應(yīng)先對該區(qū)域的降水量進(jìn)行預(yù)報［1］。降水過程因受復(fù)雜多樣的氣候條件影響，往往存在諸多的隨機性與不確定性，對未來某時段的降水量數(shù)值預(yù)測還未形成較為系統(tǒng)、完善的物理成因分析方法。隨著科技發(fā)展與進(jìn)步，降水量豐枯狀態(tài)預(yù)測的方法發(fā)生了很大變化，基于人工智能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVR支持向量回歸等方法在降水量預(yù)測分析中得到廣泛應(yīng)用。

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部，南臨黃海、渤海，東與朝鮮相接，面積14.8萬km2；屬于大陸性季風(fēng)氣候，冬冷干燥、夏熱多雨，年降水量為600～1100mm，由于其獨特的地理特征和環(huán)境氣候，年際水資源量呈現(xiàn)出典型的周期性豐枯變化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和強降雨的形式出現(xiàn)。水資源補給以大氣降水為主，主要包括降水入滲補給和地表徑流量兩大部分，年均水資源量約為341.79億m3。境內(nèi)主要包括大凌河、遼河、渾河、太子河、繞陽河等河流，東南部與渤海相鄰，降水量較為充足；西北區(qū)域降水較少且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。境內(nèi)約80%以上的區(qū)域處于極度或重度缺水狀態(tài)，且已經(jīng)具有較高的水資源開采程度。近年來，為滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的需求，遼寧省各行業(yè)用水量急劇增大，水資源過度開發(fā)利用致使地下水位與地表水資源量持續(xù)下降。因此，對遼寧省近50年的降水量和旱澇特征的研究分析，對于制定科學(xué)合理的水資源管理以及洪澇災(zāi)害的預(yù)警措施具有重要意義。

1 時間分布上的降水特征

1.1 年際降水分布特征

根據(jù)遼寧省53個氣象站1962—2013年的觀測數(shù)據(jù)，提取逐年降水量數(shù)據(jù)并運用算術(shù)平均法得到遼寧省年均降水量為 850.2mm，其中 1994—2013年、2009—2013年期間的平均降水量分別為826.5mm和784.0mm，呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢。年降水量最大值為1998年的 1206.5mm，最小值為 2006年的460.7mm，最大與最小極值比為2.62，最大、最小降水量與多年平均比分別為1.4倍與0.5倍。可利用5點滑動平均法消除數(shù)據(jù)的周期變化，從而更好地揭示降水量序列變化趨勢，擬合方程如下：

對遼寧省1962—2013年的5點滑動平均、多年平均以及逐年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果顯示遼寧省近50年降水量整體呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢，其中1985—1990年與2002—2007年期間的平均降水量為826.4mm、615.0mm，兩者相差211.4mm，研究期間的擬合方程為

根據(jù)降水量年際變化趨勢可知，遼寧省年際降水量在20世紀(jì)70年代正常，中期偏多；80年代前期較少，中期偏多；90年代至后期偏少。由此說明，該區(qū)域年際降水量變化較大。對比分析53個氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，各氣象站年際降水量變化整體具有一致的變化趨勢。各氣象站降水量自21世紀(jì)以來基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，未出現(xiàn)較為顯著的波動趨勢，1995—2004年降水量呈上升趨勢，2004年后呈下降趨勢。遼寧省各氣象站降水量監(jiān)測值表現(xiàn)為大連站最大，鐵嶺站變化最小，其他站變化規(guī)律不明顯［1］。

1.2 年內(nèi)降水分布特征

對區(qū)域降水量的預(yù)測分析不僅可為區(qū)域水資源供需關(guān)系與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供一定參考，而且在預(yù)警洪澇災(zāi)害方面發(fā)揮著重要作用。利用1962—2013年53個氣象站各月監(jiān)測資料對遼寧省年均降水量年內(nèi)分配狀況進(jìn)行計算，結(jié)果見圖1。

圖1 遼寧省1962—2013年降水量年內(nèi)分配值

由圖1可知，遼寧省多年平均降水量主要分布在6—9月，并具有明顯的集中降水特征，其中7月降水量最大，為237.1mm，占年降水量的28.0%以上，其次為8月，降水量為185.2mm，降水量較低的月份主要為1月、2月、12月，均低于全年降水量的1%。遼寧省夏季(6—8月)降水量為528.8mm，占年降水量的60%以上，而冬季(12月至次年 2月)降水量較低，為24.4mm；其他兩個季節(jié)降水量相差不大，占年降水量的15%左右。由此表明：在季節(jié)分配上降水量呈現(xiàn)出極不均衡的特征。每年的6—9月為遼寧省汛期，歷年60%以上的降水量分布在這個時期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大達(dá)到85%以上，而在2007年占比最低，為56.4%，由此說明汛期降水是決定遼寧省降水豐枯的主要因素［2］。

1.3 豐枯變化規(guī)律

利用距平百分率法對遼寧省1962—2013年降水量進(jìn)行分析，降水豐枯統(tǒng)計結(jié)果見表1，年降水量偏多的年份有20個，正常降水年有17個，降水偏少的年份有15個，所占比重分別為28%、33%、29%。降水量偏多在40%以上的年份為2000年，在10%～19%的共有8年。降水量偏少，在-10% ～-19%的共有8年。從以上分析可以看出，降水量高于多年降水平均值的年份有3個，低于多年降水平均值的年份有49個；由此表明干旱少雨為遼寧省降水的主要特征。

表1 遼寧省降水豐枯特征

1.4 年降水量變化趨勢

隨著科技進(jìn)步及社會發(fā)展，遼寧省工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展及城鎮(zhèn)建設(shè)對水資源的需求量迅速增加。水資源管理中的水資源供需矛盾突出、局部區(qū)域洪澇與干旱災(zāi)害嚴(yán)重、暴雨強降水等問題使城市防洪排澇壓力增大［2-4］。遼寧省降水量模比系數(shù)計算公式為

式中：Hi、H0分別為第i年和多年平均降水量，mm。

為更好地反映降水量年際豐枯變化趨勢，可根據(jù)1962—2013年降水?dāng)?shù)據(jù)計算，點繪遼寧省降水量模比系數(shù)差積曲線，公式為

式中：C為差積系數(shù)代數(shù)和。

豐水期與枯水期分別為差積曲線上升與下降區(qū)段，遼寧省1962—2013年降水量模比系數(shù)見圖2。

由圖2可知，遼寧省降水量差積曲線在1966—1978年整體呈現(xiàn)下降趨勢，由此可認(rèn)為該時期處于枯水段；隨后在1978—1986年呈現(xiàn)上升趨勢，該時期為豐水段，變化周期相對較短；在1990—2012年呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，豐水與枯水段交替出現(xiàn)；自2002年以來遼寧省已經(jīng)連續(xù)多年處于降水偏少狀態(tài)［5］。

圖2 1962—2013年降水量模比系數(shù)

1.5 最大1日面降水分析

選擇各氣象站最大降雨日期降雨量作為年最大1日面降水，然后以本年權(quán)重較大單站或較多的單站降水量為先選，統(tǒng)一對同一時段的雨量進(jìn)行計算并取均值［6］。分別將 24h降水 0～9.9mm、10.0～24.9mm、25.0～49.9mm、50.0～99.9mm和100.0～199.9mm作為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨，然后按照此標(biāo)準(zhǔn)對各氣象站降水量進(jìn)行分類。結(jié)果顯示，最大1日降水發(fā)生在7月的氣象站共有21個，發(fā)生在8月的有35個。研究期間發(fā)生大暴雨的次數(shù)共有8次，分別為7月4次、8月4次；在7月、8月、9月發(fā)生暴雨的次數(shù)分別為12次、15次、6次，遼寧省暴雨和強降雨主要發(fā)生在每年的7—9月。

2 空間分布上的降水特征

2.1 降水量頻率

通過對模型參數(shù)的求解，滿足適線準(zhǔn)則達(dá)到最優(yōu)化程度即為水文頻率分析優(yōu)化適線法的基本理論和本質(zhì)。按照從大到小的次序?qū)⑦|寧省1962—2013年降水量進(jìn)行排序，根據(jù)皮爾遜Ⅲ型最佳適線法和參數(shù)分析結(jié)果對遼寧省不同頻率下年降水量分布進(jìn)行確定［7］，其中偏差系數(shù)Cv為0.3，變差系數(shù)Cs為0.5。分析結(jié)果見表2。

表2 遼寧省不同頻率下的年降水量

由表2可知，在50%以上頻率下遼寧省降水量不能保證達(dá)到多年平均值，并且降水量在洪澇干旱時期相差較大。

2.2 空間變化特征

對多年平均降水量按照不同的氣象站進(jìn)行整理分類，結(jié)果表明：在時空分布上年均降水量相差較大，其中大連站的年均降水量最大，為1026.8mm；其次為丹東站，年均最大降水量達(dá)到935.2mm；而鐵嶺站年均降水量最低，為536.1mm。遼寧中部區(qū)域各氣象站年均降水量相差不大，在680.6～850.1mm之間。遼寧省東南部區(qū)域降水較多，西北區(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁［8］。

2.3 旱澇降水周期

對遼寧省旱澇降水是否存在低頻振蕩周期進(jìn)行研究分析，并在此基礎(chǔ)上對其差異性進(jìn)行檢驗。利用功率譜分析和Morlet小波法對遼寧省1962—2013年的降水距平合成序列進(jìn)行計算，結(jié)果表明：在30天內(nèi)降水具有顯著的譜峰，除10天振蕩外，旱期降水具有明顯的低頻振蕩。對比分析旱澇降水距平可知，10天的明顯振蕩周期主要出現(xiàn)在7月下旬以后，由此表明：降水量旱澇降水周期特征以小于10天為主。功率譜分析的14個典型年份旱澇狀況中，存在小于10天的明顯振蕩周期的共有7年，存在大于10天的顯著振蕩周期的共有4年并且主要發(fā)生在30～60天。總而言之，遼寧省旱澇降水周期除了存在低于10天周期外，低頻率振蕩也存在較為顯著的特征。小于10天的高頻振蕩是典型澇年的主要特征，30～60天的季節(jié)內(nèi)振蕩和10～20天的準(zhǔn)雙周振蕩為低頻振蕩的主要特征。隨著時間的推移降雨序列逐漸增大并具有更好的代表性資料，因此可結(jié)合定量分析方法開發(fā)1個即時系統(tǒng)，通過輸入新的數(shù)據(jù)資料開展在線預(yù)報，從而保證降水預(yù)測的有效性與實時性［9-12］。

3 結(jié)論

本文基于遼寧省53個氣象站1962—2013年降水量監(jiān)測資料，對該區(qū)域的降水變化規(guī)律和旱澇特征進(jìn)行研究分析，得出的主要結(jié)論如下：

a.遼寧省年均降水量為850.2mm，降水量具有明顯的周期性變化規(guī)律，其中年降水量最大值為1998年的1206.5mm，最小值為2006年的460.7mm，最大與最小極值比為2.62。降水量在20世紀(jì)70年代正常，中期偏多；80年代前期較少，中期偏多；90年代至后期偏少，整體呈現(xiàn)波動性下降趨勢，豐水與枯水段交替出現(xiàn)。

b.在季節(jié)分配上降水量呈現(xiàn)出極不均衡的特征。每年的6—9月為遼寧省汛期，歷年60%以上的降水量分布在汛期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大，達(dá)到85%以上，而在2007年占比最低，為56.4%，由此說明汛期降水是決定遼寧省降水豐枯的主要因素。

c.在時空分布上年均降水量相差較大，其中大連站的年均降水量最大，為1026.8mm，其次為丹東站，年均最大降水達(dá)到935.2mm，而鐵嶺站 年均降水量最低，為536.1mm。遼寧中部區(qū)域各氣象站降水量相差不大，在680.6～850.1mm之間。

d.遼寧省旱澇降水周期除了存在低于10天的周期外，低頻率振蕩也存在較為顯著的特征。小于10天的高頻振蕩是典型澇年的主要特征，30～60天的季節(jié)內(nèi)振蕩和10～20天的準(zhǔn)雙周振蕩為低頻振蕩的主要特征。