降雨矢量化對(duì)評(píng)估干旱時(shí)空演變規(guī)律的探討

延瑋辰，姜 熙

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，沈陽 110003)

0 前 言

判斷一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱或洪澇程度時(shí)，降雨因素是非常重要的指標(biāo)。當(dāng)降雨量達(dá)不到農(nóng)作物最低需水要求時(shí)，會(huì)對(duì)作物生長造成威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成糧食減產(chǎn)甚至絕收。文章研究的吉林西部地區(qū)屬于平原區(qū)溫帶大陸性季風(fēng)氣候，蒸發(fā)大于降水，是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，干旱會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大的破壞。在實(shí)際工作中，國內(nèi)多采用年或月平均降水量討論降水的長期變化趨勢(shì)，分析降水時(shí)空分布特征。然而每年降雨量時(shí)空分布不均勻，傳統(tǒng)方法雖在一定程度上可以表示降水的基本狀態(tài)，但無法突出某時(shí)期內(nèi)的變化特征，該特征在研究某區(qū)域干旱或者暴雨洪澇等氣候?yàn)?zāi)害中是非常重要的。

文章通過對(duì)平原區(qū)生長季降雨集中程度和集中期的分析，對(duì)降雨這一定量的指標(biāo)賦予方向角(以月份為轉(zhuǎn)換角)，可以突出時(shí)期內(nèi)變化特征及趨勢(shì)，該研究對(duì)于指導(dǎo)灌區(qū)灌溉和防洪防澇過程中具有極大的意義。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究內(nèi)容

文章研究內(nèi)容主要包括2個(gè)方面：

1)平原區(qū)長季降雨集中程度分析。以平原區(qū)12個(gè)氣象站的降水量數(shù)據(jù)分析了降水在生長季不同月份的分散程度。

2)平原區(qū)生長季降雨集中期分析。文章借助ArcGIS軟件使用集中期指標(biāo)對(duì)平原區(qū)降雨?duì)顩r進(jìn)行時(shí)空演變分析，并對(duì)降雨的變化趨勢(shì)進(jìn)行集中期分析。

1.2 研究方法

降雨集中度和降雨集中期即降雨矢量化的2個(gè)指標(biāo)，它是基于月降雨量的矢量化過程。假想月降雨量的降雨為向量的值，而每個(gè)月份為向量的方位。因此，1a的降雨量的角度可看做360°，每個(gè)月為30°。計(jì)算公式為：

(1)

PCPi=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

(3)

式中：公式1為集中度公式，公式2為集中期公式。Ri為年際降雨量，rij為月降雨量的值，θj為當(dāng)前月的向量角。i為年(i = 1961, 1962,…,2014);j為具體月份(j = 1, 2,…… , 12)。

PCD反映降水總量在研究時(shí)段內(nèi)各個(gè)候的集中程度。如果在研究時(shí)段中，PCD在某一候內(nèi)，它們合成向量的模與降水總量之比為1，即PCD為極大值；如果每個(gè)候的降水量都相等，它們各個(gè)分量累加后為零，即PCD為極小值。所謂PCP就是合成向量的方位角，指示出每個(gè)候降水量合成后的總體效應(yīng)，即向量合成后峰值期所指示的角度，反映1a中最大候降水量出現(xiàn)在那1h段內(nèi)。

2 研究結(jié)果

2.1 集中度分析

平原區(qū)集中度年紀(jì)變化，見圖1。由圖1可知：集中度最大值發(fā)生在1985年，為0.56，集中度最小值發(fā)生在1983年，為0.224，比值為2.5。趨勢(shì)線可以看出35a來降雨集中度整體呈微弱下降趨勢(shì)，這表示降雨從80年代到現(xiàn)今越來越均勻。并且，由圖中可以看出降雨集中度的波動(dòng)越來越小，降雨在生長季中的平均分配程度趨于平穩(wěn)。由圖2所示，集中度最大值在乾安站點(diǎn)，為0.471，集中度最小值出現(xiàn)在三岔河站點(diǎn)，為0.408，比值為1.15。自西北向東南降雨集中度呈減少趨勢(shì)，但是由于最大值最小值相差不大，所以變化并不是很劇烈。整體上看，平原區(qū)西部集中值偏高(接近0.5)，說明該區(qū)域降雨規(guī)律性很差且降雨不穩(wěn)定，這容易導(dǎo)致部分年份的突發(fā)性干旱，因此利用集中度分期分析地區(qū)降雨或者ET的需水演變，并及時(shí)制定相應(yīng)的防汛抗旱措施具有可行性[1]。

圖1 平原區(qū)集中度年紀(jì)變化圖

圖2 平原區(qū)集中度空間變化規(guī)律圖

2.2 集中期分析

平原區(qū)集中期年紀(jì)變化圖，見圖3。由圖3可知：其中集中期如果為0-60，則1a中最大降水量為4月，同理60-120為5月；120-180為6月；180-240為7月；240-300為8月；300-360為9月。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，1a中最大降水量月份分別為：4月份共計(jì)8a，占總年數(shù)的22%；5月份共計(jì)5a，占總年數(shù)的14%；6月份共計(jì)5a，占總年數(shù)的14%；7月份共計(jì)9a，占總年數(shù)的25%；8月份共計(jì)4a，占總年數(shù)的11%；9月份共計(jì)4a，占總年數(shù)的11%。可以看出最大降雨量出現(xiàn)的最大概率月份是7月，同時(shí)，圖3的趨勢(shì)線(K=2.6374)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，表明隨著時(shí)間的推移，最大降雨量有向8月份轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，吉林西部平原區(qū)集中期空間變化規(guī)律，見圖4。如圖4所示，集中期為7月的只有白城一個(gè)站點(diǎn)，其他11個(gè)站點(diǎn)都在6月份為平均生長季降雨量最大月份。自南到北除白城外，生長季最大降雨時(shí)間在6月中旬越來越往后推延，如雙遼、四平在6月上旬，長嶺、長春、雙陽、農(nóng)安就在6月中旬，而剩下的站點(diǎn)就在6月下旬。因此，該地區(qū)防汛抗旱的重點(diǎn)分布在6月中下旬—7月上旬，集中期可以用于評(píng)估降雨或ET的轉(zhuǎn)化方位并指導(dǎo)地區(qū)階段性的防汛抗旱或者灌溉策略。

圖3 平原區(qū)集中期年紀(jì)變化圖

圖4 吉林西部平原區(qū)集中期空間變化規(guī)律

2.3 集中程度的演變趨勢(shì)和空間分布特征

對(duì)作物生長季集中度(PCD)進(jìn)行了分析，可以看出在白城、大安、乾安、前郭爾羅斯、通榆、長嶺、三岔河、長春站點(diǎn)集中度都是下降趨勢(shì)，說明這些站點(diǎn)的降雨在生長季中越來越分散，但是只有通榆站點(diǎn)是顯著下降趨勢(shì)，其他的都是不顯著下降趨勢(shì)；同時(shí)，農(nóng)安、雙陽則是屬于平穩(wěn)趨勢(shì)，有一些波動(dòng)；而雙遼則是屬于上升趨勢(shì)，說明雙遼站點(diǎn)在生長季中降雨越來越集中。集中度空間變化表。見表1，集中度空間變化趨勢(shì)圖，見圖5。

圖5 集中度空間變化趨勢(shì)圖

表1 集中度空間變化表

對(duì)生長季集中期(PCP)進(jìn)行了分析，可以看出在白城、大安、乾安、前郭爾羅斯、通榆、長嶺、三岔河、農(nóng)安、雙遼、四平集中期都是上升趨勢(shì)，說明這些站點(diǎn)降雨的集中期有往后移動(dòng)的趨勢(shì)。其中，白城、大安、長嶺、三岔河為顯著上升趨勢(shì)；同時(shí)，長春為平穩(wěn)趨勢(shì)；雙陽不顯著下降趨勢(shì)。降雨期后移如果發(fā)生在作物非需水關(guān)鍵期，在一定程度上可能有利于作物的產(chǎn)出。因此，相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)降雨集中期變化規(guī)律，靈活指導(dǎo)農(nóng)民抗旱增收[2]。集中期空間變化表，見表2；集中期空間變化趨勢(shì)圖，見圖6。

圖6 集中期空間變化趨勢(shì)圖

表2 集中期空間變化表

4 結(jié) 語

以降雨為例，分析了將灌溉參數(shù)矢量化表征的方法對(duì)于評(píng)估降雨或ET演變趨勢(shì)的可能性，從結(jié)果看，集中度最大值在乾安站點(diǎn)，為0.471，集中度最小值出現(xiàn)在三岔河站點(diǎn)，為0.408[3]。吉林平原區(qū)自西北向東南降雨集中度呈減少趨勢(shì)，但是由于最大值最小值相差不大，所以變化并不是很劇烈。整體上看，該區(qū)域降雨規(guī)律性很差且降雨不穩(wěn)定，這容易導(dǎo)致部分年份的突發(fā)性干旱。集中期為7月的只有白城一個(gè)站點(diǎn)。自南到北除白城外，生長季最大降雨時(shí)間在6月中旬越來越往后推延，如雙遼、四平在6月上旬左右，長嶺、長春、雙陽、農(nóng)安就在6月中旬左右，而剩下的站點(diǎn)就在6月下旬左右。因此，該地區(qū)防汛抗旱的重點(diǎn)分布在6月中下旬—7月上旬。在白城、大安、乾安、前郭爾羅斯、通榆、長嶺、三岔河、長春站點(diǎn)集中度都是下降趨勢(shì)，說明這些站點(diǎn)的降雨在生長季中越來越分散，但是只有通榆站點(diǎn)是顯著下降趨勢(shì)，其他的都是不顯著下降趨勢(shì)；同時(shí)，農(nóng)安、雙陽則是屬于平穩(wěn)趨勢(shì)，有一些波動(dòng)；而雙遼則是屬于上升趨勢(shì)，說明雙遼站點(diǎn)在生長季中降雨越來越集中。在白城、大安、乾安、前郭爾羅斯、通榆、長嶺、三岔河、農(nóng)安、雙遼、四平集中期都是上升趨勢(shì)，說明這些站點(diǎn)降雨的集中期有往后移動(dòng)的趨勢(shì)。其中，白城、大安、長嶺、三岔河為顯著上升趨勢(shì)；同時(shí)，長春為平穩(wěn)趨勢(shì)；雙陽不顯著下降趨勢(shì)。降雨期后移如果發(fā)生在作物非需水關(guān)鍵期，在一定程度上可能有利于作物的產(chǎn)出[4]。