盤山縣降水量時空變化分析

翟衛(wèi)軍

（河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德067000）

降水是生態(tài)環(huán)境發(fā)展的驅(qū)動因素，也是人類社會發(fā)展必不可少的資源支撐。在全球變化的背景下，降水時空分布模式正在潛移默化地改變［1-3］。降水是水資源基礎(chǔ)性來源之一，其時空變化對作物生產(chǎn)、居民生活、環(huán)境演變具有深刻影響，掌握降水變化規(guī)律對科學(xué)安排生產(chǎn)生活具有重要意義［3-7］。本研究主要從時間、空間兩個維度對盤山縣降水量進(jìn)行量化分析，以期為區(qū)域水資源優(yōu)化管理、氣候監(jiān)測預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

盤山縣地處遼寧省盤錦市北部，遼河下游，渤海之濱，面積1735km2。該縣屬平原地形，地勢平坦低洼，平均海拔4m，河流沼澤廣布，東南部瀕臨渤海，有廣泛灘涂。受太平洋信風(fēng)與西伯利亞高壓交替影響形成溫帶季風(fēng)性氣候，季候分明，雨熱集中，多年平均氣溫8.8℃，降水量605mm，無霜期170d。

2 盤山縣降水量時間數(shù)據(jù)

2.1 降水量空間數(shù)據(jù)

地理國情監(jiān)測云平臺提供了大量的基礎(chǔ)環(huán)境信息數(shù)據(jù)集，其應(yīng)用地面監(jiān)測站點數(shù)據(jù)采用氣象要素空間化方法生成不同尺度上降水柵格文件。該文件格式為tiff，空間分辨率500mm，如圖1。本文應(yīng)用該數(shù)據(jù)對盤山縣降水量空間細(xì)節(jié)特征進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理平臺為ArcGIS10.5軟件。

2.2 降水量時間序列數(shù)據(jù)

從國家氣象中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺提取盤山縣內(nèi)站點的降水資料，該資料為年值序列，其中建國以來的數(shù)據(jù)集質(zhì)量較好，故選擇具有現(xiàn)勢性特征的1951～2017年為研究時域。通過Excel 2016軟件進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計分析，運用Matlab2018的小波工具箱進(jìn)行小波方差分析。

圖1 降水要素柵格文件平面信息示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 盤山縣降水量時間序列變化特征

圖2為1951～2017年盤山縣降水量年值序列。該時域內(nèi)降水量呈波動變化特征，在1964，1985，2010和2012年出現(xiàn)了明顯峰值，年降水達(dá)965.9，907.2，892.2，864.2mm， 高出歷史平均水平的39%～55%； 在1958，1978，1992，2014年出現(xiàn)谷值，為390.5，335.6，302.8，353.7mm，低于平均值的37%～53%。近67年內(nèi)年降水量平均值為623.2mm，低于平均值的有32年，高于平均值的年份達(dá)35次，總體來看，盤山縣降水量異常分布相對均衡，極高極低值數(shù)列對稱分布。統(tǒng)計顯示其標(biāo)準(zhǔn)差為139.6mm，變異系數(shù)為24.6%，說明區(qū)域降水量年際變化較大。線性回歸宏觀表征了該縣降水量時間序列趨勢，其傾向斜率為-1.1914mm/a，說明近半世紀(jì)以來該地降水量呈現(xiàn)微弱減少趨勢，但并未達(dá)到5%水平的顯著性檢驗。

圖2 盤山縣降水量時間序列特征

3.2 盤山縣降水量時間周期性特征

降水是氣候系統(tǒng)重要要素之一，其年際波動性是由氣象系統(tǒng)的不確定性或外部干擾引起的［8-10］。從時間序列來看，這種波動性變化內(nèi)涵了一種周期性節(jié)律，可以概化降水年際變化。小波分析法從波動的信號中削弱噪聲影響，深刻挖掘降水量周期性規(guī)律，盤山縣降水量小波方差如圖3。方差峰值指示了降水量波動變化信號強(qiáng)弱，依圖3可知當(dāng)周期為5a時，小波方差達(dá)到極值，為1.94，說明5a的周期是區(qū)域降水量時間特征的主周期。另外，當(dāng)周期為9，3，22a時，小波方差也分布達(dá)到極值1.23，1.16，0.65，這些周期是降水變化的次周期。

圖3 盤山縣降水量小波方差

3.3 盤山縣降水量空間結(jié)構(gòu)分析

空間結(jié)構(gòu)性規(guī)律是指區(qū)域性變量空間分布的系統(tǒng)性特征，而這種特征具有穩(wěn)定的驅(qū)動機(jī)制。為定量捕捉其結(jié)構(gòu)性，基于地統(tǒng)計學(xué)框架，采用高斯、線性、球面和指數(shù)4種模型對降水量柵格像元進(jìn)行空間擬合，得到結(jié)果如圖4。不同模型的擬合的散點分布與空間結(jié)構(gòu)存在差異，依據(jù)R2接近于1、殘差RSS接近于0的原則，可知，該縣降水量最佳空間模型為高斯模型，其R2為0.762，RSS為0.124，均優(yōu)于其他模型。隨著步長的增加，像元空間離散度增大，導(dǎo)致鄰域之間的自相關(guān)性減弱。在高斯模型中，步長達(dá)到2.5km時，其基臺值趨于飽和，以此類型線性、球面、指數(shù)模型擬合的變程約為1，5，3km，雖然變程差異較大，但表明縣域尺度上降水量空間自相關(guān)性距離較小。

圖4 盤山縣降水量半方差函數(shù)特征

3.4 盤山縣降水量空間分布特征

為得到區(qū)域降水量空間分布更詳細(xì)的信息，將香元點值進(jìn)行地統(tǒng)計空間插值，插值過程參照《AicGIS空間分析教程》，得到如圖5所示結(jié)果，像素顯示區(qū)域降水量介于695～604mm之間，其中高值區(qū)集中于東南部，低值區(qū)位于西北部，表現(xiàn)出條帶狀分布格局。這種空間規(guī)律與海陸位置耦合關(guān)系密切。盤山縣屬于內(nèi)陸海岸向陸地縱深延伸地帶，東南部瀕臨海洋，大氣降水受海洋水汽活動影響較強(qiáng)烈；而西北部距離海洋較遠(yuǎn)導(dǎo)致水汽運移損失，從而降雨量較小。雖然縣域空間單元較小，但本文仍揭示了降水在小尺度上表現(xiàn)出的空間異質(zhì)性，結(jié)合圖4和圖5可知，盤山縣降水量這種分布格局體現(xiàn)了其強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)性特征。

圖5 盤山縣降水量柵格像元與空間分布

4 結(jié)語

本文運用了數(shù)理統(tǒng)計與空間分析方法揭示了區(qū)域降水量時空分布規(guī)律，結(jié)果顯示盤山縣域尺度上降水量時間序列具有明顯波動性，并具有多個潛在震蕩周期；空間水平上具有明顯的地帶性規(guī)律，這種時空規(guī)律性特征能夠幫助理解氣候系統(tǒng)過程模式，并為未來的降雨、旱澇災(zāi)害的預(yù)報提供幫助。