運(yùn)城市降水集中度和集中期的時(shí)空特征分析

藏曦

（芮城縣氣象局，山西 芮城 044600）

運(yùn)城市降水集中度和集中期的時(shí)空特征分析

藏曦

（芮城縣氣象局，山西 芮城 044600）

利用運(yùn)城市9個(gè)氣象站1960—2014年逐候降水資料，運(yùn)用線性趨勢(shì)、Mann-Kendall曲線、相關(guān)系數(shù)和合成分析等方法探討了運(yùn)城市近55 a來(lái)年降水量、降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的時(shí)空特征。結(jié)果表明：時(shí)間上，年降水量呈減少趨勢(shì)，變化傾向率為-7.94 mm/ 10 a；PCD年際變化顯著，在0.30～0.72，多年平均為0.53；PCP多年平均41.63候，最早與最晚相差13候。空間上，年降水量區(qū)域差異明顯，由東南向西北遞減；PCD從西南向東北遞增，有2個(gè)大值和2個(gè)小值中心，PCP呈現(xiàn)“南早北晚”形勢(shì)。PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之間都存在正相關(guān)，表明汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水就越集中，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性就越大；降水集中期出現(xiàn)的越晚。

降水；降水集中度；降水集中期

水資源作為一種重要的自然氣候資源，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活都有著非常密切的關(guān)系。關(guān)于水資源方面的研究，廣大氣象學(xué)者從不同角度、運(yùn)用不同資料、采用不同方法進(jìn)行了大量研究，得出了很多有意義的結(jié)論。江新安等[1]利用常規(guī)地面、高空和雷達(dá)及雨滴譜資料，分析了一次大范圍暴雨過(guò)程的宏觀天氣形勢(shì)和微觀物理特征。岳江[2]用R/S等方法得出大同地區(qū)汛期降水以準(zhǔn)3 a低頻周期為主。徐祥德[3]等運(yùn)用地面、探空和網(wǎng)絡(luò)資料，得出大地形對(duì)塔里木盆地及沙漠地區(qū)特殊的水熱過(guò)程的作用。高文華等[4]指出近56 a來(lái)，山西晉南地區(qū)年降水量呈弱減少趨勢(shì)，但各季減少情況并不一致。王詠梅等[5]分析了山西省近48 a來(lái)的強(qiáng)降水極端事件，發(fā)現(xiàn)山西極端強(qiáng)降水有減少趨勢(shì)。劉蕓蕓等[6]用日降水資料分析了全球變暖背景下西北地區(qū)雨季降水的時(shí)空特征。這些研究，或關(guān)注某一次具體的重要降水過(guò)程，或關(guān)注當(dāng)?shù)靥厥獾匦斡绊懴碌奶厥饨邓蚍治鼋邓康募倦H、年際、年代際變化特征，但這種研究對(duì)一個(gè)地區(qū)某一時(shí)段降水量最大或最小的變化特征無(wú)法表征出來(lái)。實(shí)際上降水更多的是一種非均勻性，也是導(dǎo)致某一地區(qū)洪澇或干旱最重要的原因[7]，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活產(chǎn)生的影響更大，因此研究一個(gè)地區(qū)降水分布的不均勻性有著很好的實(shí)際意義。

運(yùn)城為山西省重要的產(chǎn)糧區(qū)，對(duì)氣候的依賴性很強(qiáng)，降水量的多寡程度、分布情況等很大程度地決定了農(nóng)業(yè)收成的豐欠，暴雨洪澇干旱等主要?dú)庀鬄?zāi)害更是給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)嚴(yán)重影響，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此研究這個(gè)地區(qū)水資源收支情況的變化很有意義。在本文中，引進(jìn)了能表征降水非均勻性的2個(gè)參量，即降水集中度PCD和降水集中期PCP，通過(guò)對(duì)運(yùn)城市近55 a這2個(gè)參量的時(shí)空變化特征分析，以期能找出運(yùn)城市降水非均勻性變化方面的一些特點(diǎn)，為更好地應(yīng)對(duì)局地短時(shí)強(qiáng)降水所引發(fā)的洪澇、預(yù)測(cè)干旱提供依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料選取

選取運(yùn)城市資料序列年限較長(zhǎng)、觀測(cè)數(shù)據(jù)完整且一致的9個(gè)氣象觀測(cè)站1960—2014年的候降水量序列資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，資料由山西省氣候中心提供，已經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)。平均值取1960—2014年55 a的平均。

1.2 集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）是用來(lái)表征單站降水量隨時(shí)間分配的參數(shù)，其定義和計(jì)算公式如下[8]：

其中CNi和Di分別為降水集中度PCD和集中期PCP，Ri為某測(cè)站研究時(shí)段內(nèi)總降水量，rij為研究時(shí)段內(nèi)某候降水量，θj為研究時(shí)段內(nèi)各候?qū)?yīng)的方位角（整個(gè)研究時(shí)段的方位角設(shè)為360°），i為年份（i=1960，1961，…，2014），j為研究時(shí)段內(nèi)的候序（j= 1，2，…，N=72）。

由式（1）和（2）可知：如果在研究時(shí)段中，降水量集中在某一候內(nèi)，則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，則它們各個(gè)分量累加后為0，即PCD為極小值。PCP就是合成向量的方位角，它指示出每個(gè)候降水量合成后的總體效應(yīng)，即向量合成后的最大角度，反映了一年中最大候降水量出現(xiàn)在哪一個(gè)時(shí)段內(nèi)。具體計(jì)算方法和原理見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

1.3 分析方法

采用線性趨勢(shì)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法分析了運(yùn)城市近55 a年降水量、PCD與PCP的時(shí)空分布與變化趨勢(shì)；用相關(guān)系數(shù)法分析了PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間的關(guān)系；用合成分析法探討了運(yùn)城市多水年和少水年的PCD、PCP特征。

圖1 運(yùn)城市55 a年降水量的時(shí)空變化趨勢(shì)

2 分析結(jié)果

2.1 年降水量的時(shí)空分布特征

從圖1a中可以看出，運(yùn)城市近55 a來(lái)，年降水量存在明顯的區(qū)域差異，呈現(xiàn)出從東南向西北減少的趨勢(shì)。年降水量最大值中心位于東南的垣曲縣，年減少降水量為618.2 mm，最小值中心位于西北的河津市、稷山縣一帶，年降水量不足480 mm，二者相差近150 mm。

運(yùn)城市近55 a降水量上整體表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，傾向率為-7.94 mm/10 a，55 a減少43.7 mm。這與高文華等[4]得出的結(jié)論一致，但變化趨勢(shì)比晉南地區(qū)年降水量的變化趨勢(shì)-1.61 mm/10 a明顯要大，比山西全省的年降水量變化速率（－17．3 mm/10 a）[10]要小。55 a平均年降水量為516.1 mm；最大821.7 mm值（2003年），最小272.2 mm（1997年），二者相差549.5 mm（圖1 b）。

2.2 年降水量PCD的時(shí)空變化特征

運(yùn)城多年平均PCD為0.53，年際變化大，在0.30～0.72，最小值出現(xiàn)在1997年和1994年（0.30），最大值出現(xiàn)在1982年（0.72）。如果認(rèn)定PCD值大于多年平均，則該年的降水較集中。反之，不太集中；則55 a中，有22 a的PCD比平均值小，其中1980年以前占了10 a；有30 a的PCD比平均值大，2000年以來(lái)就占了10 a。說(shuō)明在年降水量整體減少的情況下，降水卻趨于集中，出現(xiàn)極端干旱或極端洪澇災(zāi)害的可能性增大（圖2a）。

55 a來(lái)運(yùn)城PCD在空間分布上表現(xiàn)為從西南向東、向北遞增；存在2個(gè)明顯的大值中心和小值中心，大值中心位于東南的垣曲縣和西北的河津市與稷山縣，小值中心位于中部的聞喜縣和西南的臨猗、芮城一帶。PCD的空間分布與年降水量的分布不太一致，年降水量多的地區(qū)PCD值不一定大，而年降水量相對(duì)較少的稷山、河津，PCD反而較大，降水更加集中，說(shuō)明這些地方盡管年降水量不是很大也很有可能出現(xiàn)旱澇災(zāi)害（圖2b）。

圖2 運(yùn)城市55 a年降水量PCD的時(shí)空變化趨勢(shì)（PCD量綱為1）

2.3 年降水量PCP的時(shí)空變化特征

運(yùn)城PCP多年平均為41.63候（7月底）；最早是35候（6月21—25日），出現(xiàn)在1991年和1998年；最晚是2011年的48候（8月底）；二者相差13候（65 d左右）（圖3a）。空間上，PCP整體表現(xiàn)為“南早北晚”，最早中心位于平陸縣（41.1候），最晚位于臨猗、萬(wàn)榮和垣曲（41.8候），二者相差0.7氣候（約3天）（圖3b）。

圖3 運(yùn)城市55 a年降水量PCP的時(shí)空變化趨勢(shì)（PCP單位為侯）

2.4 PCD和PCP的年代際特征

通過(guò)PCD、PCP的Mann-Kendall變化曲線來(lái)分析PCD和PCP的年代際變化特征。PCD整體表現(xiàn)為“升降交替和平緩”5個(gè)階段，各階段分界點(diǎn)分別為1966年、1974年、1985年和1994年；在1980年上升超過(guò)臨界值，表明上升趨勢(shì)非常顯著，到1985年后持續(xù)下降，至1994年后升降比較平緩（圖4a）。PCP的M-K曲線在1991年以前為升降交替中下降，說(shuō)明1991年以前降水集中期偏早（1960—1991年P(guān)CP平均為41候），1992年開(kāi)始持續(xù)上升，降水集中期偏晚（1992-2014年P(guān)CP平均為42候）；PCP的M-K曲線沒(méi)有通過(guò)臨界值，表明PCP的升降變化不顯著，沒(méi)有PCD的變化明顯。

圖4 運(yùn)城市55 a年降水量集中度（a）和集中期（b）的M-K變化曲線

2.5 PCD與年降水量、汛期（6—9月）降水量、月最大降水量、候最大降水量和PCP之間的相關(guān)性分析

由表1可以清楚地看出，PCD與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間都存在明顯的正相關(guān)。與汛期降水量和月最大降水量的正相關(guān)性最好，全市各站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)；大值中心位于稷山、萬(wàn)榮和河津，這與PCD的大值中心一致，說(shuō)明汛期降水量和月最大降水量越大的地區(qū)，降水量就可能越集中。PCD與年降水量的正相關(guān)性各地差異較大，最顯著的是垣曲，通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，其次是河津、萬(wàn)榮和芮城3縣，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，最小是臨猗，僅為0.082。PCD與PCP存在弱的正相關(guān)，全市平均正相關(guān)系數(shù)為0.062，說(shuō)明降水量集中程度對(duì)降水集中期出現(xiàn)早晚影響不大。汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水量也越集中，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性越大，在日常氣象服務(wù)中，如果預(yù)測(cè)到某年某月降水量明顯偏大，就要加強(qiáng)防御出現(xiàn)洪澇災(zāi)害和滑坡、泥石流次生災(zāi)害的可能性，做好積極的應(yīng)對(duì)措施，減少災(zāi)害損失。

表1 PCD與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量、日最大降水量和PCP的相關(guān)系數(shù)

2.6 PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間的相關(guān)性分析

PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量和候最大降水量之間也存在一致的正相關(guān)（表2）。PCP與汛期降水量和候最大降水量的相關(guān)性最好，全市相關(guān)系數(shù)平均分別達(dá)到了0.253和0.228，通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明汛期降水量偏多、候最大降水量偏大的年份，PCP越晚，降水量集中期越晚。這也指導(dǎo)我們?cè)趯?shí)際的氣象服務(wù)中，如果預(yù)測(cè)到汛期降水量偏多，就要做好更長(zhǎng)時(shí)間的抗汛準(zhǔn)備。

表2 PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量的相關(guān)系數(shù)

2.7 多雨年與少雨年的合成分析

選取年降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平值＞1的年份為多雨年，年降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平＜-1的年份為少雨年。依此標(biāo)準(zhǔn)，排多雨年前5位是2003年、1964年、1983年、2011年和1961年，排少雨年前5位是1997年、1986年、2012年、2001年和1991年。合成分析運(yùn)城多雨年和少雨年的PCD與PCP特征。發(fā)現(xiàn)多雨年和少雨年的平均PCD均為0.53，PCP均為43.8候，這也說(shuō)明年降水量對(duì)PCD、PCP的影響不大。但如果在降水量異常偏多的年份,PCD也異常偏大,此時(shí)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的概率就很大；如果年降水量異常偏多,而PCD異常偏小,則很難發(fā)生洪澇災(zāi)害。如果降水量偏少，但PCD很大，則也很可能出現(xiàn)局地強(qiáng)降水和干旱；如果年降水量偏少，PCD也很小，則降水分布很均勻，也可能不會(huì)造成干旱。

3 結(jié)論

對(duì)運(yùn)城市1960—2014年降水集中度和集中期的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）時(shí)間變化。年降水量呈減少趨勢(shì)，變化傾向率為-7.94 mm/10 a，55 a年降水量減少了43.7 mm。PCD和PCP的年際變化趨勢(shì)不顯著，但年際差異很大；PCD多年平均0.53，在0.30～0.72之間變化，PCP多年平均為41.63候，最早是35候，最晚是48候，二者相差13候。

（2）空間變化。年降水量表現(xiàn)為從東南向西北方向減少，年降水量最大值中心在東南的垣曲縣，最少在西北的河津、稷山，最多與最少相差近150 mm。PCD表現(xiàn)為自西南向東北遞增，有2個(gè)大值和2個(gè)小值中心；PCP表現(xiàn)為“南早北晚”。

（3）相關(guān)性分析。PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之間都存在正相關(guān)；年降水量較大的年份，降水集中程度越高，降水集中期出現(xiàn)的越晚，但這種正相關(guān)不是很顯著；汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份和地區(qū)，PCD、PCP值越大，降水就越集中且集中期越晚。

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Spatial and Temporal Characteristics of Precipitation Concentration and Concentration Period in Yuncheng

ZANG Xi
（Ruicheng Meteorological Bureau，Ruicheng 044600，China）

Based on the pentad data of precipitation from 9 stations in Yuncheng during 1960-2014,the characteristics of spatiotemporal distributions of annual precipitation,precipitationconcentration degree（PCD）and precipitation-concentration period（PCP）in recent 55 years are studied by using linear-trend，Mann-Kendall curve,correlation and synthetic analysis methods.The results show that annual precipitation is in a decreasing trend in the past 55 years，and the climatic tendency rate is-7.94 mm/decade.The variability of PCD is between 0.30 and 0.72，the average is 0.53.The average of PCP is 41.63 pentad，the difference between the latest and the earliest is 13 pentad.The regional difference of annual precipitation decreased significantly from southeast to northerwest.The PCD has 2 large and 2 small centers and increases from the southest to the northeast.The PCP in the south area is earlier than that in the northern area.There is a positive relationship between PCD,PCP and annual precipitation,flood season precipitation,mothly precipitation,pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation.The year with large flood season precipitation,mothly maximum precipitation pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation,is also the year with larger PCD,which indicate the high possibility of flood disaster and latter PCP.

precipitation；precipitation-concentration degree；period of precipitation-concentration

P426.61

B

1002-0799（2017）01-0076-05

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.010

2016-07-09

山西省氣象局項(xiàng)目（SXKYBTQ201510079）。

藏曦（1975-），女，工程師，從事公共氣象服務(wù)研究。E-mail：765534030@qq.com

藏曦.運(yùn)城市降水集中度和集中期的時(shí)空特征分析[J] .沙漠與綠洲氣象，2017，11（1）：76-80.