晉城市降雨量時空分布變化特征

段 州

（晉城市供水保障中心，山西 晉城 048000）

1 區(qū)域概述

在人為和自然規(guī)律雙重因素的推動下，我國出現(xiàn)了溫度升高等氣候現(xiàn)象[1-2]。已有研究表明，未來我國平均氣溫將上升2.0℃左右，而降雨將增加10%～20%[3-4]。氣候變化會影響生物的生存環(huán)境，對人類居住環(huán)境也會造成很大的影響。

降雨是描述一個地區(qū)氣候變化的關(guān)鍵指標(biāo)，為加深對某一地區(qū)氣候的全面認(rèn)識，充分了解該地區(qū)降雨的時空分布變化特征，研究氣候變化條件下降雨量時空分布的變化，已成為世界水文水資源方向的研究重點[5]。近年來，眾多國內(nèi)學(xué)者對山西省氣候變化進(jìn)行了分析研究，取得了重要的研究成果。如，趙桂香等[6]通過對山西省近46 年降雨和氣溫資料的Morlet 小波分析得出1957—2003 年山西地區(qū)氣候經(jīng)歷了“冷濕－暖干”的變化過程。李芬等[7]運用線性傾向估計、均值分布等方法研究山西省降雨的變化特征得出了降雨呈下降趨勢的結(jié)論。以上降雨量時空變化特征的研究側(cè)重點，是對當(dāng)?shù)亟涤暌氐木€性趨勢變化進(jìn)行分析，對其概率分布特征研究極少。

晉城市地處山西省東南部，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受大陸性季風(fēng)以及復(fù)雜地形地貌影響，轄區(qū)內(nèi)各地小氣候差異大，并且隨著氣候變化對水文循環(huán)過程的影響也在不斷的增大[8-9]，進(jìn)一步加劇了轄區(qū)內(nèi)降雨量分布不均，因此在氣候變化條件下，對晉城市降雨量時空分布變化特征分析具有重要意義，研究成果可為晉城市水文規(guī)律分析預(yù)測研究提供重要基礎(chǔ)，而且還在防洪減災(zāi)、趨利避害，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展等方面都具有非常重要的意義。

2 晉城市降雨資料來源及研究方法

2.1 降雨資料來源

晉城市位于太行山南端，轄區(qū)面積9 490 km2，屬大陸性季風(fēng)氣候，地理位置如圖1 所示。在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載氣象數(shù)據(jù)，選擇晉城市內(nèi)沁水、陽城、晉城、高平及陵川5 個氣象站點的2000—2019 年逐月及逐年降雨資料進(jìn)行計算（見圖2）。將整理好的各站點2000—2019 年各年降雨總和數(shù)據(jù)加載入ArcGIS 軟件中進(jìn)行泰森多邊形分析，計算各多邊形面積權(quán)重，點雨量與面積權(quán)重乘積之和即為晉城市各年面雨量。

圖1 晉城市地理位置圖

圖2 晉城市降雨量統(tǒng)計圖

2.2 研究方法

皮爾遜Ⅲ型曲線是由19 世紀(jì)英國統(tǒng)計學(xué)家卡爾·皮爾遜（Karl Pearson）提出的一種概率分布曲線，它是正態(tài)分布曲線的一種變體，也被稱為皮爾遜類型Ⅲ分布。

皮爾遜Ⅲ型曲線具有以下特點：

（1）曲線形狀：皮爾遜Ⅲ型曲線是單峰的，呈現(xiàn)出類似正態(tài)分布的鐘形曲線，但其兩側(cè)尾部較長，疑似異常值的概率較高。

（2）偏斜性：相比正態(tài)分布，皮爾遜Ⅲ型曲線具有更明顯的偏斜性。正偏斜（右偏）的曲線表示在數(shù)據(jù)分布中存在較多的較小值，負(fù)偏斜（左偏）的曲線則表示存在較多的較大值。

（3）峰度：皮爾遜Ⅲ型曲線的峰度相對正態(tài)分布較低，表明數(shù)據(jù)的分布較為平坦，不存在正態(tài)分布曲線那樣的尖峰。

皮爾遜Ⅲ型曲線在實際應(yīng)用中常用于描述一些具有非對稱形狀的數(shù)據(jù)，如降水量和河流流量的分布等。它在統(tǒng)計學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，用于模擬和分析各種隨機(jī)變量的分布情況。本研究選擇P-Ⅲ型理論頻率曲線對降雨分布進(jìn)行擬合。

克里格插值方法是一種常用的空間插值方法，主要用途是預(yù)測未知位置的數(shù)值或?qū)傩?，該方法廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。在研究降雨序列和降雨量空間分布變化時，利用空間插值方法形成降雨空間化信息是較為常用的方式。本文采用克里格插值方法進(jìn)行插值，得出降雨量空間分布變化，從而得到晉城市降雨量空間分布特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 降雨量時空分布變化特征

2000—2019年晉城市年平均降雨量為668.084mm，各地多年平均降雨量都在633～691 mm 之間（圖2），整體變化幅度不大。對2000—2019 年年平均降雨量作累計距平線圖（圖3），從累計距平百分率來看，晉城市的年平均降雨量存在一定波動狀態(tài)，距平百分比在一些年份達(dá)到-25%～30%，尤其是陽城地區(qū)2005—2008 年距平百分比持續(xù)達(dá)到20%以上，這表明晉城市陽城地區(qū)降雨量相對于其他區(qū)域波動性更強(qiáng)，且以波動性降雨量偏多為主要特征，降雨量年際分配不均，需要注意旱澇災(zāi)害的防范。

圖3 晉城市降雨量累計距平百分比圖

3.2 降雨量概率分布探討

使用皮爾遜III 型分布對2000—2019 年晉城市多年年平均降雨量進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1 及圖4 所示?？梢钥闯?，皮爾遜III 型分布在沁水地區(qū)擬合效果較好，絕對殘差及殘差標(biāo)準(zhǔn)差最低，分別為139.327 3 及283.905 8，在陽城地區(qū)擬合較差，絕對殘差及殘差標(biāo)準(zhǔn)差最高，分別為199.868 9 及307.690 7，這表明P-Ⅲ曲線的擬合優(yōu)度受到區(qū)域性影響，其結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步驗證，分析成果可作為水資源規(guī)劃的參考及后續(xù)研究的基礎(chǔ)。

表1 分布擬合度檢驗表

圖4 P-Ⅲ曲線擬合結(jié)果（以高平及晉城站為例）

對晉城市5 個氣象站及面降雨量進(jìn)行頻率分析，得到研究區(qū)各區(qū)域及整體50 年一遇、100 年一遇設(shè)計年降雨量，及研究區(qū)內(nèi)各區(qū)域年降雨量指標(biāo)大于平均值的頻率，如表2 所示?？梢钥闯?，晉城市內(nèi)各氣象站點總體表現(xiàn)為設(shè)計年降雨值大于面設(shè)計年降雨值，表明晉城市設(shè)計年降雨存在空間變化特征，在實際分析中需要考慮其區(qū)域性變化。

表2 設(shè)計年降雨值統(tǒng)計表

對表2 結(jié)果進(jìn)行空間插值，得出的研究區(qū)年降雨量概率分布的空間變化特征圖，如圖5 所示。結(jié)果表明，對于50 年及100 年一遇設(shè)計降雨，都表現(xiàn)為降水高值主要集中在晉城市中部及西南部，未來需注意相應(yīng)區(qū)域的極端降雨災(zāi)害事件。指標(biāo)大于平均值的頻率高發(fā)區(qū)，位于晉城市東部及南北向陽城區(qū)域，可達(dá)到40%以上，進(jìn)一步表明該部分區(qū)域降水量年際分配相對于其他區(qū)域不均勻。

圖5 降雨量概率分布的空間變化特征圖

4 結(jié)論

本文使用累計距平百分比、空間插值分析及P-Ⅲ分布擬合等常用的降雨量時空分布研究方法，對晉城市5 個氣象站2000—2019 年降雨量時空分布特征進(jìn)行了分析，識別了晉城市不同重現(xiàn)期年降雨量概率分布特征。結(jié)果如下：

（1）陽城地區(qū)降雨量相對于其他區(qū)域年際更為分配不均，需要注意旱澇災(zāi)害的防范。（2）晉城市50 年及100 年一遇設(shè)計降雨高值主要集中在晉城市中部及西南部；晉城市東部及南北向陽城區(qū)域降水量相對于其他區(qū)域不均勻。（3）P-Ⅲ曲線的擬合優(yōu)度受到區(qū)域性影響，其結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步驗證，分析成果可作為水資源規(guī)劃的參考及后續(xù)研究的基礎(chǔ)。