遼東暴雨洪水易發(fā)區(qū)降水集中度及集中期時(shí)空變化特征分析

張欣然

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

遼東地區(qū)主要為丹東、本溪兩市，屬于遼寧省暴雨易發(fā)區(qū)，20年一遇暴雨洪水發(fā)生的頻率為45.2%[1]。流域內(nèi)水系較多，多年平均降水量為1200mm左右。遼東地區(qū)主要為山區(qū)，降雨時(shí)空分布的不均勻?qū)α饔虻漠a(chǎn)生損失較大，并且影響社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展[2]。因此對(duì)于遼東地區(qū)降水非均勻特征的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。降水年內(nèi)分配的不均勻性主要通過(guò)集中度和集中期進(jìn)行衡量，這兩個(gè)指標(biāo)可有效反映降水年內(nèi)分配的過(guò)程[3]。從2010年以來(lái)，對(duì)于降水集中度和集中期的研究逐步得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和研究[4- 8]，但是這些研究大都針對(duì)降水頻率及強(qiáng)度時(shí)空分布變化分析的研究[9- 15]，對(duì)于降雨非線性時(shí)空變化特征的研究還較少，為此本文結(jié)合遼東地區(qū)35個(gè)降雨站點(diǎn)日降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合降水集中度和集中期分析指標(biāo)對(duì)降雨非均勻時(shí)空變化的非線性特征進(jìn)行分析，對(duì)遼東地區(qū)降雨變化規(guī)律進(jìn)行探討，對(duì)于區(qū)域水旱災(zāi)害時(shí)空演變和區(qū)域水量平衡分析具有一定的參考價(jià)值，也可對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及正常生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本文選取遼東流域內(nèi)分布較為均勻且站點(diǎn)序列較為完成的35個(gè)降雨站點(diǎn)，資料系列的長(zhǎng)度為1954—2019年，資料來(lái)源于《遼寧省水文年鑒》，35個(gè)降水站點(diǎn)最大24h雨量見(jiàn)表1，具體分布如圖1所示。

表1 區(qū)域內(nèi)降水站點(diǎn)最大24h雨量

(續(xù)表)

圖1 降雨站點(diǎn)站點(diǎn)分布

1.2 降水集中度及集中期的計(jì)算方法

本文主要應(yīng)用參考文獻(xiàn)[16]中介紹的方法，該方法將一年中的不同月份組成一個(gè)圓，將不同月份的降水量組成矢量模，從而對(duì)降水年內(nèi)分配的矢量過(guò)程參數(shù)進(jìn)行分析，降水集中度(PCD)和集中期(PCP)指標(biāo)的計(jì)算方程分別為：

(1)

pcpi=art(Rxi/Ryi)

(2)

其中：

Rxi=∑rij·sinθj

(3)

Ryi=∑rij·cosθj

(4)

式中，pcdi—第i年降水集中度；pcpi—第i年降水集中期；Ri—雨量站第i年降水量，mm；rij—第i年的第j月的降水量，mm；θj—第j月份對(duì)應(yīng)的方位角。

PCD可以對(duì)降水年內(nèi)分配的集中度進(jìn)行反映，若降水主要集中在其中幾個(gè)月份內(nèi)，則向量合成值與降水量總值的比值為1，表明降水集中度的極大值。反之，若各月份降水量相同，則各降水分量累積值為0，表明降水集中度最低，PCP表示為降水矢量方向角，表征各月份降水量總體合成度，表2為不同月份方向角與降水矢量對(duì)應(yīng)的相關(guān)性，如PCP的值在135～145范圍內(nèi)，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間為6月上旬。

表2 不同月份方向角與降水矢量方向?qū)?yīng)的范圍

2 遼東區(qū)域降水集中度和集中期時(shí)空變化特征

2.1 年降水量均值及變異系數(shù)空間分布特征

結(jié)合遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)1954—2018年降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)其年降水多年均值和變異系數(shù)空間分布特征進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 遼東地區(qū)年降水均值及變異系數(shù)空間分布

從降水多年均值的分布結(jié)果可看出，遼東地區(qū)多年平均降水量在800～1200mm的區(qū)域主要集中在本溪的南部和丹東的中部，丹東地區(qū)中部降水量接近1200mm，屬于遼東地區(qū)的暴雨中心區(qū)域，而本溪的北部降水在400～600mm之間，其中賽馬站降水量最低為300mm，屬于遼東地區(qū)降水最少的站點(diǎn)。從多年降水空間分布可看出，總體表現(xiàn)為從北向南逐步遞減變化，多雨中心主要位于南部。由于變異系數(shù)可對(duì)較長(zhǎng)數(shù)據(jù)系列的穩(wěn)定度及相對(duì)變化的特征，利用遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)的變異系數(shù)，進(jìn)行空間插值得到全流域變異系數(shù)，從圖中可看出，35個(gè)降水站點(diǎn)的變異系數(shù)集中在0.13～0.24之間，空間分布總體為從北向南，從西向東對(duì)稱分布，東南區(qū)域變異系數(shù)在0.19～0.22之間，而西北大都季總在0.13～0.16之間，本溪北部及丹東西部變異系數(shù)多在0.16以下，屬于較低區(qū)域，即降水變化幅度較小的區(qū)域。

2.2 降水集中度及集中期空間分布特征

結(jié)合降水集中度和集中期的計(jì)算方法，對(duì)流域內(nèi)35個(gè)降水站點(diǎn)的降水集中度和集中期進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合空間插值方法對(duì)其空間分布進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 遼東地區(qū)降水集中度及集中期均值空間分布

從圖3可看出，從北向南降水集中度總體遞減，本溪東部和丹東南部屬于降水集中度的高值區(qū)域，降水集中度均在0.42以上，丹東南部更高，接近0.52，本溪的北部屬于降水集中度較低的區(qū)域。遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)的降水集中期在115～169之間，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為7月下旬至8月上旬，從總體空間分布可看出，丹東南部和本溪的東部降水集中期偏大，對(duì)應(yīng)的時(shí)間有所提前，本溪的北部降水集中期有所減少，降水集中期有所滯后。

2.3 降水集中度及集中期變異系數(shù)空間分布特征

在降水集中度和集中期年均值變化分析基礎(chǔ)上，對(duì)其變異系數(shù)的空間變化特征進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析其降水集中度和集中期的穩(wěn)定程度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 遼東地區(qū)降水集中度及集中期變異系數(shù)空間分布

從圖4中可看出，降水集中度的變異系數(shù)集中在0.13～0.31之間，空間上總體為從西北到東南逐步增加的空間變化分布，丹東南部及本溪的東部個(gè)別站點(diǎn)降水集中度變異系數(shù)較小，西北部的變異系數(shù)均高于0.25，從而說(shuō)明遼東地區(qū)近50年降水集中度東部和南部總體較為穩(wěn)定。從35個(gè)降水站點(diǎn)降水集中期變異系數(shù)的空間分布可看出，大都在0.16～0.25之間，東部和南部降水集中期變異系數(shù)較大，遼東地區(qū)的東南部降水集中期變化度較大，而西部和北部雖然降水集中度變化度較大，但集中期較為穩(wěn)定。

2.4 降水集中度及集中期與年降水相關(guān)性空間分布特征

降水集中度和集中期和年降水具有一定的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)分析遼東地區(qū)降水集中度和集中期與年降水的相關(guān)系數(shù)的空間分布，如圖5所示。

圖5 遼東地區(qū)降水集中度及集中期與年降水相關(guān)系數(shù)空間分布

從圖5中可看出，丹東南部和本溪東部的降水集中度和年降水總體呈現(xiàn)正相關(guān)性，其他區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)，且相關(guān)性顯著度較低，從遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)降水集中期和年降水相關(guān)性空間分布結(jié)果可分析，丹東中部和東部為正相關(guān)，而本溪北部及中部呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著降水量的增加，降水集中期均有所滯后。

2.5 降水集中度及集中期M-K空間趨勢(shì)分布特征

采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)的降水集中度和集中期空間變化趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 遼東地區(qū)降水集中度及集中期的M-K空間趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可看出，遼東地區(qū)有15個(gè)降水站點(diǎn)降水集中度不顯著上升(M-K統(tǒng)計(jì)值在0.54～1.28之間)，從空間分布可看出，降水集中度顯著下降的站點(diǎn)主要分布在本溪地區(qū)(M-K統(tǒng)計(jì)值在-1.34～-1.28之間)，顯著上升的站點(diǎn)主要分布在丹東東南部山區(qū)(M-K統(tǒng)計(jì)值在1.28～-1.39之間)。遼東地區(qū)的西部和北部區(qū)域各站點(diǎn)降水集中度變化顯著性不高.因此遼東地區(qū)降水集中度總體變現(xiàn)為顯著性有所減小，東部和南部顯著性有所上升。從降水集中期的M-K空間變化趨勢(shì)分析結(jié)果可看出，11個(gè)降水站點(diǎn)降水集中期不顯著上升(M-K統(tǒng)計(jì)值在0.54～1.28之間)，3個(gè)降水站點(diǎn)顯著上升，其余站點(diǎn)顯著下降趨勢(shì)不明顯，從空間分布總體分析，顯著上升的降水站點(diǎn)主要分布在本溪的北部和丹東的西部和中部，總體而言，遼東地區(qū)降水集中期的主要以顯著不上升的變化趨勢(shì)，即降水集中期滯后趨勢(shì)較為明顯，但顯著性較低。

2.6 豐水年和枯水年降水集中度及集中期合成分析

采用合成分析方法，對(duì)遼東地區(qū)豐水年和枯水年的降水集中度和集中期進(jìn)行合成分析，其合成值空間分布結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出，豐水年和枯水年降水集中度在空間分布總體具有一定的相似度，在空間上均為從東南向西北逐步遞減，丹東的東部和本溪的南部屬于高值區(qū)域。本溪的北部和丹東的西部均屬于低值區(qū)。豐水年和枯水年降水集中度差異較大，通過(guò)分析豐水年35個(gè)降水站點(diǎn)降水集中度均低于枯水年降水集中度，從各站點(diǎn)降水集中度均值可看出，在豐水年降水集中度為0.43，枯水年為0.46，可見(jiàn)降水較小的年份降水集中度更大。豐水年降水集中期空間變化趨勢(shì)顯著性較低，空間變化度較大，丹東的東部和本溪的南部降水集中期在137～149之間，對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月下旬—8月上旬，西部和北部的降水集中期對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月中旬—8月中旬，其余各站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為7月中旬和8月上旬。從豐水年和枯水年的降水集中期對(duì)比分析可看出，35個(gè)降水站點(diǎn)有20個(gè)站點(diǎn)的豐水年降水集中期大于枯水年，從流域平均降水集中期可分析，豐水年降水集中期為164.5，對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月20—8月15日?？菟甑慕邓衅诰禐?35.5，對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月15—8月5日，即為豐水期較枯水期平均每年滯后約為15天。

2.7 年降水集中度及集中期變化過(guò)程分析

在降水集中度和集中期空間分析基礎(chǔ)上，對(duì)遼東地區(qū)35個(gè)降水站點(diǎn)進(jìn)行面積加權(quán)，獲得面平均降水，在面平均降水?dāng)?shù)據(jù)系列基礎(chǔ)上，對(duì)其降水集中度和集中期的年變化過(guò)程進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果如圖8所示。

圖7 遼東地區(qū)豐水年、枯水年期間降水集中度和集中期合成值空間分布

圖8 遼東地區(qū)1954—2018年降水集中度及集中期年變化過(guò)程

從圖8中可看出，遼東地區(qū)降水集中度總體呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)，尤其在2000年以后，降水集中度遞增較為明顯，表明2000年以后，遼東地區(qū)降水更為集中，尤其是發(fā)生大量級(jí)暴雨頻次也有所增加，但降水集中度年變化趨勢(shì)整體性較弱，降水集中度總體變化較為穩(wěn)定。從降水集中期的年變化趨勢(shì)可看出，降水集中期的遞增趨勢(shì)明顯高于降水集中度的變化趨勢(shì)，從圖7中可看出，在2002年以后，遼東地區(qū)降水集中期呈現(xiàn)明顯的直線上升變化，表明從2002年以后，區(qū)域發(fā)生降水的時(shí)間越來(lái)越集中。

3 分析結(jié)論

(1)遼東地區(qū)降水集中度發(fā)生顯著上升的區(qū)域主要集中在丹東的東部和本溪的南部，其他區(qū)域變化不顯著，而降水集中期顯著上升的區(qū)域主要位于丹東的南部和本溪的東部，本溪北部和丹東的西部降水集中期顯著下降。

(2)遼東地區(qū)在豐水年降水集中度為0.43，枯水年為0.46，降水較小的年份降水集中度更大。豐水年降水集中期對(duì)應(yīng)的時(shí)間為7月20—8月15號(hào)，豐水期較枯水期平均每年滯后約為15天。

(3)本文未對(duì)遼東地區(qū)降水集中度和集中期變化成因進(jìn)行分析，在以后研究中還需深入分析其變化原因，尤其是氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。