基于集中度和不均勻系數(shù)的昭蘇縣多年降水規(guī)律研究

王麗娜

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

降水是陸地水源補(bǔ)給的重要來源，降水量變化是影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、生態(tài)、工業(yè)、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，對降水量歷史變化特征進(jìn)行分析研究，可為當(dāng)?shù)乜购捣篮樘峁┲匾罁?jù)[1-4]。本文選取昭蘇縣1961-2014年歷年逐月降水量建立年、月降水序列，分析54年來降水的年際、年內(nèi)變化，并采用Morlet小波分析方法對多年降水量周期特征進(jìn)行研究，以期為做好氣候預(yù)測及防治水土流失提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昭蘇縣位于新疆伊犁哈薩克自治州、伊犁谷地的特克斯河上游，系高位山間盆地，本區(qū)屬溫帶山區(qū)冷涼性氣候類型，春季升溫緩慢而不穩(wěn)定，秋季降溫迅速。冷空氣活動頻繁，降水季節(jié)變化明顯，沒有明顯的四季之分，冷季長，寒冷多霧，暖季多雷和冰雹。

2 研究方法

2.1 降水不均勻系數(shù)

降水量的不均勻系數(shù)是反映年內(nèi)降水不均勻程度的指標(biāo)。不均勻系數(shù)越大，年內(nèi)分配越不均勻[5]。不均勻系數(shù)計算公式如下：

2.2 降水集中度及集中期

降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用逐月降水資料反映年內(nèi)降水集中情況和最大降水量出現(xiàn)時段的重要指標(biāo)。它將降水量當(dāng)做矢量，矢量的大小和方向是月降水量的大小和時間[5]。計算公式如下：

PCP=arctan(Rx/Ry)

式中：R為年降雨量；Rx、Ry為12個月降水量的分量之和所構(gòu)成的水平分量和垂直分量；θi為第i月降水量的矢量角度。

降水集中度(PCD)取值在0～1之間，PCD越接近1，降水越集中在某個時段內(nèi)。雨季降水分布越均勻，PCD值越接近于0[5]。集中期(PCP)則反映降水量最大值集中的年內(nèi)時段。

2.3 小波分析

小波方法具有多種模式，小波變換在時域和頻域都能很好地表征序列的局部特性，對研究降水周期變化特征非常有利[6]。本文采用小波變換分析，用MATLAB軟件編寫數(shù)據(jù)處理程序計算小波系數(shù)并繪制小波實(shí)部值圖像，由此分析降雨周期變化。

3 降水量年內(nèi)變化分析

3.1 多年降水量的年內(nèi)變化

昭蘇縣降水存在明顯的季節(jié)性差異，降水量年內(nèi)分配極不均勻。由圖1可以看出，1961-2014年間昭蘇縣1-3月份、10-12月份少雨，約占全年降水量的5.64%和9.29%，4-6月份、7-9月份降水量較大，約占全年降水量的43.53%和41.54%。降水主要集中在4-9月份，占全年降水量的85%左右。多年月最大降水量以6月份量最多，為91.66 mm；最小降水量為1月份，僅為5.97 mm。

圖1 昭蘇縣多年降水量的逐月分布特征

3.2 降水年內(nèi)分配均勻性變化

昭蘇縣降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)計算結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，昭蘇縣降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)具有年代際變化，54年不均勻系數(shù)變化范圍為0.057～1.125，最大值出現(xiàn)在1978年，最小值出現(xiàn)在2010年。54年以來降水不均勻系數(shù)呈遞減趨勢，在1961-1979年降水分布較為均勻，1980年后降水較1980年之前較不穩(wěn)定，不均勻系數(shù)出現(xiàn)較大變化，1980-2014年降水分布較為均勻。

圖2 昭蘇縣降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

3.3 降水集中度和集中期變化

昭蘇縣降水集中度及集中期計算結(jié)果見圖3和圖4。從圖3可以看出，昭蘇縣不同時期的降水集中度變化與不均勻系數(shù)變化趨勢較為一致，降水集中度變化在0.434～0.802之間，多年平均降水集中度為0.596，當(dāng)集中度大于多年平均值時，當(dāng)年雨季降水較集中；集中度小于多年平均值，當(dāng)年雨季降水年內(nèi)分配均勻。1961-1979年連續(xù)19年降水集中度都大于平均值，這19年降水連續(xù)趨于集中。而1979年以后，只有1981、1982、1991、1995和1997年5年集中度在平均值以上，其余30年降水集中度均小于平均值，1983-1990年連續(xù)8年、1992-1994年連續(xù)3年、1998-2014年連續(xù)17年這些年份降水以不集中為主，說明昭蘇縣降水集中具有一定的連續(xù)性。54年中有24年降水集中度高于多年平均，30年低于多年平均，最大值出現(xiàn)在1975年為0.802，最小值出現(xiàn)在2014年為0.434，昭蘇縣降水不穩(wěn)定。

圖3 昭蘇縣降水集中度年際變化

從圖4可以看出，54年以來昭蘇縣降水集中期波動于146.3～203.2之間，大部分在167.64附近波動。根據(jù)方位角轉(zhuǎn)換結(jié)果，昭蘇縣最大降水在6和7兩個月份，54年中29年降水集中在7月份，24年集中在6月份，1年集中在8月份。

圖4 昭蘇縣降水集中期年際變化

4 降水量年際變化

4.1 降水量年際變化趨勢分析

昭蘇縣1961-2014年平均降水量為471.46 mm，最大年降水量出現(xiàn)在1981年，為675.8 mm，為多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量為301.5 mm，出現(xiàn)在1979年，僅為多年平均降水的0.64。由昭蘇縣年降水量變化過程線與滑動平均值過程線(圖5)可知，昭蘇縣年降水量變化較大，波動明顯，總體呈上升趨勢。1981-2010年降水總量較1961-1980年增長16.6%。

圖5 年降水量5年及10年滑動平均變化

4.2 周期分析

昭蘇縣年降水量小波系列實(shí)部值圖像見圖6。由圖6可知，1961-2014年昭蘇縣降水在整個時間域上具有20～30年尺度的年代際變化周期，并且周期振蕩十分顯著。在1961-1985年時間尺度上存在7～10年左右的短周期，在1985～2014年之間還存在3～5年的短周期。因此，昭蘇縣近54年降水量變化并不是只有一個固定周期，而是大、中、小多種周期尺度相互嵌套。

圖6 昭蘇縣年降水量小波系列實(shí)部值圖像

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用不均勻系數(shù)、集中度(期)及Morlet小波變換分析等方法對昭蘇縣1961-2014年降水變化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1) 昭蘇縣1961-2014年降水量總體表現(xiàn)為緩慢增長趨勢。年平均降水量為471.46 mm，最大年降水量出現(xiàn)在1981年，為675.8 mm，為多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量為301.5 mm，出現(xiàn)在1979年，僅為多年平均降水的0.64。

2) 昭蘇縣1961-2014年月平均降水為40.51 mm，降水年內(nèi)變化規(guī)律為4-9月份降水量占全年降水量的85%左右。說明夏秋兩季降水較多，春冬兩季降水較少。

3) 昭蘇縣1961-2014年降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)呈遞減趨勢，降水不均勻性在減弱。同時54年降水集中度的年際變化較大，且具有一定的連續(xù)性，總體變化趨勢與不均勻系數(shù)一致，呈遞減趨勢。54年中24年年內(nèi)降水較集中，30年年內(nèi)降水分布較均勻。根據(jù)方位角轉(zhuǎn)換，昭蘇縣最大降水主要集中在6和7月份。

4) 昭蘇縣近54年降水序列在時間上具有多尺度特征，主要存在3個尺度的周期，分別是25、8和3年，其中25年尺度年代際周期變化最明顯且貫穿整個時間域。