基于生長(zhǎng)季和年際兩個(gè)尺度的吉林西部平原降雨分區(qū)及時(shí)間特征分析

張欣欣

（盤錦市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 盤錦 124000）

1 前言

降雨是指在大氣中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天氣現(xiàn)象。大氣中的水汽幾乎全部集中于對(duì)流層中。在一定溫度下,當(dāng)空氣不可容納更多的水汽時(shí),稱為飽和空氣。當(dāng)飽和空氣中的水汽和溫度相匹配時(shí),不會(huì)出現(xiàn)水汽凝結(jié)現(xiàn)象,但當(dāng)空氣達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),則會(huì)產(chǎn)生多余的水汽并發(fā)生水汽凝結(jié),產(chǎn)生降雨現(xiàn)象。

在研究一個(gè)地區(qū)的干旱或洪澇程度時(shí),降雨往往是一個(gè)重要的指標(biāo)。當(dāng)降雨過少或達(dá)不到農(nóng)作物灌溉標(biāo)準(zhǔn)時(shí),常常會(huì)發(fā)生干旱現(xiàn)象,研究區(qū)氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(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),干旱天氣會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大的破壞。以白城地區(qū)為例,建國(guó)以來,該地區(qū)平均每年受旱面積約243.9 萬畝,占總耕地面積的20%,干旱最嚴(yán)重的是1972 年和1989 年,受災(zāi)面積達(dá)725.8 萬畝。全區(qū)干旱面積逐年增加,由建國(guó)初期平均每年180 萬畝,20 世紀(jì)70 年代增加到平均每年422 萬畝,增加了134%,平均每年以7.6 萬畝的速度遞增[1-2]。同時(shí),干旱經(jīng)常造成全區(qū)性的糧食減產(chǎn),平均每年減產(chǎn)29.3 萬t,減產(chǎn)率為21%[3-5]。降雨不僅僅會(huì)造成旱災(zāi),當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的降雨量過大時(shí),也會(huì)造成洪災(zāi)。研究區(qū)受季風(fēng)氣候影響,年際降水時(shí)空分布不均,夏季多雨,占全年降雨量的70%左右,年內(nèi)旱、洪災(zāi)交替發(fā)生。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的日益提高,天氣預(yù)警信息受到越來越多的人關(guān)注[6-8]。對(duì)于研究區(qū),降雨量的多少?zèng)Q定了當(dāng)?shù)氐母珊蹬c洪澇能否發(fā)生。本文在提取研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí),分析研究區(qū)的降雨規(guī)律,這對(duì)于避免和降低旱澇損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 材料與方法

2.1 平原區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原西南部,區(qū)內(nèi)轄白城、松原、長(zhǎng)春、四平,四市,交通便利,總面積18 萬km2。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,自東向西由半濕潤(rùn)地帶過渡到半干旱地帶,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)。其中,降水主要集中在夏季,以6 月～9 月為主,占全年降水量的60%～80%。

2.2 數(shù)據(jù)來源

選用研究區(qū)12 個(gè)氣象站的1975 年～2017 年氣象數(shù)據(jù)資料對(duì)降水進(jìn)行特征分析。著重分析該區(qū)43 年間的逐年降水量、生長(zhǎng)季降水總量時(shí)空分布的演變趨勢(shì)、月平均降水量及降雨量的變化周期。

2.3 數(shù)據(jù)分析

（1）研究區(qū)降雨特征空間分區(qū)：借助ArcGIS 軟件對(duì)該區(qū)降雨?duì)顩r進(jìn)行空間分區(qū)及特征分析；

（2）利用SPSS 對(duì)研究區(qū)43 年間降雨變化規(guī)律進(jìn)行分析。

3 平原區(qū)降水的時(shí)空演變特征分析

3.1 平原區(qū)DEM 提取與分析

空間分析選用ArcGIS 軟件來進(jìn)行降雨量分布變化研究。ArcGIS 的核心功能就是為解答地理空間問題而進(jìn)行空間分析,提取空間信息或者從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)派生出新的數(shù)據(jù),是將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒌倪^程[9-10]。

分析的基本步驟：首先,要確定研究的問題并且建立分析的目標(biāo)、需要得到的結(jié)果及滿足的條件。然后針對(duì)空間問題選擇合適的分析工具。接下來,準(zhǔn)備空間操作需要用到的各種數(shù)據(jù)[11-12],再定制一個(gè)分析計(jì)劃執(zhí)行分析操作。最后,顯示并評(píng)價(jià)分析結(jié)果。

圖1 DEM 提取流程圖

DEM 提取方法介紹：首先,將圖層坐標(biāo)系設(shè)置為西安1980 坐標(biāo)系,再將吉林省界和市界添加至圖層,對(duì)吉林市界進(jìn)行定義查詢,篩選出吉林西部的四個(gè)城市,并在屬性中對(duì)市的名稱要素進(jìn)行標(biāo)注；其次,將從地理空間數(shù)據(jù)云中下載的DEM 30M 分辨率的數(shù)字高程圖像添加到圖層中；選用工具箱,找到空間數(shù)據(jù)管理,再找到柵格數(shù)據(jù)集,選用其下面的鑲嵌功能,先載入合并,再轉(zhuǎn)換成tif 格式；之后使用空間工具分析箱中提取工具里的掩模提取；再將含有站點(diǎn)的信息sheet 文件添加到圖層中。見圖2、圖3。

圖2 DEM 鑲嵌合并

圖3 吉林西部平原地形圖及降雨?duì)顩r

3.2 吉林西部平原區(qū)降水時(shí)空分布特征及周期變化

3.2.1年際降雨量分區(qū)及分析

根據(jù)1975 年～2017 年12 個(gè)站點(diǎn)每月降水量資料,用Excel 對(duì)每年的降水量進(jìn)行加和,得出白城、大安、通榆等12 個(gè)站點(diǎn)近43 年來逐年降雨量。為更加直觀地展現(xiàn)分析數(shù)據(jù),站點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)見表1。然后對(duì)43 年做時(shí)間分析,對(duì)12 個(gè)站點(diǎn)求平均值,做成圖4。同時(shí),對(duì)12 個(gè)站點(diǎn)做空間分析, 對(duì)43 年各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)做平均值, 得出各站點(diǎn)43年來降雨量年際平均值,利用ArcGIS 軟件,得出空間分析圖5。

表1 各站點(diǎn)名與站點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 吉林西部平原區(qū)年際降雨量年際變化規(guī)律

圖5 吉林西部平原區(qū)年際降雨量空間變化規(guī)律

由圖4 看出降雨量最大年份為1998 年的638.1 mm；最小的年份為1982 年的296.5 mm,極值比為2.15。同時(shí),從表中可以看出,1975 年～2017 年降雨量整體呈微弱下降趨勢(shì),整體波動(dòng)也很劇烈。波峰值分別是1985 年、1990 年、1994 年、1998 年、2005 年、2008 年、2010 年、2012 年、2016 年,基本上每2 年～4 年出現(xiàn)一次波峰,這對(duì)后續(xù)研究降雨的周期性具有一定的指導(dǎo)作用。

由圖5 可以看出降雨量最大值在雙陽(yáng),為625.5 mm；最小值在通榆,為374.7 mm,極值比為1.67。同時(shí),從圖5 中可以看出,白城,通榆,乾安的降雨量相對(duì)較少；四平,雙遼,長(zhǎng)春的降雨量相對(duì)較多,所以研究區(qū)自西向東年際降雨量呈遞增的趨勢(shì)。以白城、通榆、乾安為代表,降雨量較最高水平少50%左右,這三個(gè)地區(qū)要注意防止干旱天氣造成的損失或者影響；以長(zhǎng)嶺、雙遼、農(nóng)安地區(qū)為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個(gè)降雨數(shù)量區(qū)域；以四平、雙遼為代表地區(qū)降雨量充足,應(yīng)在雨季多注意防汛工作,防止造成人民經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失。

3.2.2生長(zhǎng)季降雨量

根據(jù)1975 年～2017 年12 個(gè)站點(diǎn)月降水量資料,用Excel數(shù)據(jù)篩選出每年生長(zhǎng)季4 月～9 月的降水量進(jìn)行加和,得出白城、大安、通榆等12 個(gè)站點(diǎn)近43 年來逐年降雨量,對(duì)12 個(gè)站點(diǎn)43 年間的降雨量做時(shí)間分析,用數(shù)據(jù)透視表繪制出12 幅折線統(tǒng)計(jì)圖,得出圖6。

圖6 吉林西部平原區(qū)生長(zhǎng)季降雨量年際變化規(guī)律

（1）對(duì)白城站點(diǎn)分析,除1976 年～1980 年降雨量主要呈波動(dòng)狀外,雖然每年都會(huì)出現(xiàn)一定程度的降雨,但降雨量差值較大,干旱與洪澇容易交替出現(xiàn)。其中,生長(zhǎng)季降雨量最高的在1998 年,為705.2 mm；最少的在2001 年,為105.1 mm。

（2）大安站點(diǎn)分析,最大值出現(xiàn)在2005 年,為599 mm,最低值在1995 年,為193.7 mm。2010 年后,波動(dòng)較小,降雨量比較均勻。

（3）乾安站點(diǎn)分析,生長(zhǎng)季降雨量最大值出現(xiàn)在1998 年,為669.2 mm；最小值在2004 年,為198 mm。1982 年～1988 年相對(duì)要平穩(wěn)一些,其他年份還是波動(dòng)較為劇烈。

（4）前鄂爾羅斯的生長(zhǎng)季降雨量很平穩(wěn), 最大值在2008 年,為578.3 mm。最小值在1982 年,為203 mm,兩者差值很小。

（5）通榆地區(qū)生長(zhǎng)季降雨量最高值在1990 年, 為552.1 mm；最小值在2007 年,為175.1 mm；雖然最大值與最小值相差也較少,但出現(xiàn)多次降雨量低于200 mm 的情況,該地區(qū)應(yīng)多注意防旱。

（6）長(zhǎng)嶺生長(zhǎng)季節(jié)的降雨量最大值出現(xiàn)在1983 年,為696.7 mm,最低值在1996 年,為236.2 mm；從1975 年～1996 年間,降雨量上下波動(dòng)較大,1996 年后,相對(duì)波動(dòng)較小。

（7）三岔河的降雨量總體較前幾個(gè)偏高,1994 年降雨量最大,為812.5 mm；最小值在1982 年,為179 mm,這也是該站點(diǎn)唯一一次降雨量低于200 mm。

（8）農(nóng)安生長(zhǎng)季降雨量比較富足,超過700 mm 的出現(xiàn)過5 次,最大的一次在1983 年,為739.8 mm；最小值在1982 年,為234 mm。

（9）雙遼地區(qū)最高的降雨量是2005 年,為598.7 mm；最低值在2002 年,為189.8 mm,波動(dòng)較小。

（10）四平生長(zhǎng)季降雨量的最大值出現(xiàn)在2005 年,為738.6 mm；最小值在2009 年,為301.4 mm。

（11）長(zhǎng)春的最大降雨量出現(xiàn)在2016 年,為793.2 mm；最小值在1982 年,為255 mm；但波動(dòng)較劇烈。

（12）雙陽(yáng)的生長(zhǎng)季降雨量波動(dòng)較為劇烈,最大值在2010 年,為839.3 mm；最小值在1982 年,為314.6 mm。

綜上所述,12 個(gè)站點(diǎn)的降雨量都波動(dòng)劇烈, 尤其在2000 年左右波動(dòng)明顯, 且降雨量較少, 容易發(fā)生干旱天氣。由于生長(zhǎng)季降雨占全年降雨量比重較大, 所以研究生長(zhǎng)季降雨量對(duì)作物生長(zhǎng), 干旱洪澇等災(zāi)害具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2.3季節(jié)降雨分區(qū)及分析

用ArcGIS 對(duì)各站點(diǎn)做空間分析,得出圖7。將生長(zhǎng)季的空間降雨量分布分成三級(jí)進(jìn)行后續(xù)生長(zhǎng)季降雨量周期性的研究。白城、大安、通榆、前鄂爾羅斯、乾安、長(zhǎng)嶺是降水量少的區(qū)域；雙遼、農(nóng)安和三岔河為研究區(qū)降水量中等的三個(gè)站點(diǎn)；四平、長(zhǎng)春、雙陽(yáng)則是降雨量較多的站點(diǎn),易發(fā)生洪澇現(xiàn)象。從圖7 看出,研究區(qū)自西向東年際降雨量呈遞增趨勢(shì),以白城、通榆為代表降雨量較最高水平少36%左右；同時(shí),以長(zhǎng)嶺、雙遼、長(zhǎng)春地區(qū)為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個(gè)降雨分區(qū)。

圖7 吉林西部平原區(qū)生長(zhǎng)季降雨量空間變化規(guī)律

4 結(jié)果與結(jié)論

（1）1975 年～2017 年生長(zhǎng)季降雨量整體呈微弱下降趨勢(shì),在生長(zhǎng)季降雨量與年際降雨量的比較中,下降趨勢(shì)比年際降雨量大,整體波動(dòng)也很劇烈,說明研究區(qū)生長(zhǎng)季階段減少的降水量對(duì)年際降雨量的貢獻(xiàn)更大。同時(shí),從空間分析中可以看出,研究區(qū)自西向東年際降雨量呈遞增趨勢(shì),同時(shí),以長(zhǎng)嶺、雙遼、長(zhǎng)春地區(qū)為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個(gè)降雨分區(qū)。

（2）在對(duì)生長(zhǎng)季降雨量的分析中,研究區(qū)旱澇災(zāi)害大部分時(shí)候都是交替發(fā)生,降雨量波動(dòng)劇烈,旱災(zāi)大多發(fā)生在2000 年以后。這一點(diǎn)與生長(zhǎng)季降雨量在時(shí)間上總是劇烈波動(dòng)有很大關(guān)系。在空間上可以看出研究區(qū)自西向東干旱特征減弱,洪澇特征明顯增強(qiáng),降雨分布不均勻且大范圍的干旱發(fā)生在西部地區(qū)。

綜上所述,43 年來研究區(qū)的總降雨量呈下降趨勢(shì),波動(dòng)劇烈,旱澇災(zāi)害交替發(fā)生。降雨量呈規(guī)律性變化,季風(fēng)性氣候明顯。