岔巴溝流域降雨不同時間尺度的空間變異特征

楊麗虎　劉鑫　宋獻(xiàn)方

摘要：基于黃土高原岔巴溝流域13個雨量站2004-2006年5 min降雨數(shù)據(jù)資料，分析了流域2h、6h、24 h、3d、7d、月和年（5-10月）等7個時間尺度的降雨量空間變異特征。結(jié)果表明：①以曹坪雨量站為代表的單站5-9月降雨量占全年的900/e以上，其中7-8月以中雨和大雨、暴雨為主，降雨量占年降雨量的60% - 80%。②不同時間尺度降雨量的空間變異程度不同，2、6、24 h最大降雨量的變異系數(shù)C。分別為0.27 - 0.93、0.06 - 0.81、0.06 - 0.69，呈減小趨勢;3d到7d尺度上C_v值并非一直減小;月降雨的C_v以6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v為0.05 - 0.11。③暴雨中心在2004年、2005年分布在流域上游，2006年則移至下游。降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強(qiáng)度增大及降雨量增大而減小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

關(guān)鍵詞：空間變異;時間尺度：降雨;岔巴溝流域;黃土高原

中圖分類號：TV856;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn。1000-1379.2019.03.001

黃土高原位于我國干旱半干旱地區(qū)，水資源極度匱乏[1]，其主要補(bǔ)給來源是降雨，但降雨比較集中且多為暴雨，分布極不均勻，因此研究降雨的時空變化特征，對于該地區(qū)水資源的形成具有重要意義。近年來，我國學(xué)者在降雨量時空變化方面開展了許多研究，主要以日降雨資料為基礎(chǔ)分析年內(nèi)降雨集中度及集中期[2]、侵蝕性降雨量[3]、10 a尺度的降雨量動態(tài)變化[4等，但小時尺度的分析研究較少，而黃土高原的降雨土壤人滲量與小時尺度的雨強(qiáng)有很大關(guān)系5，因此分析小時尺度降雨的變化特征就顯得特別重要。

岔巴溝流域作為黃土高原最具代表性的小流域，水文循環(huán)試驗研究的基礎(chǔ)比較好[6-9]。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所與黃委共同建立了岔巴溝流域水循環(huán)試驗基地，流域內(nèi)布設(shè)有13個雨量站。本文基于13個雨量站2004-2006年的降雨觀測數(shù)據(jù)，分析2h、6h、24 h、3d、7d、1月、年（5-10月）等7個時間尺度降雨量的空間變異特征，以期為黃土高原地區(qū)降雨人滲量、產(chǎn)流量、侵蝕量、地下水補(bǔ)給量的計算提供基本的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

岔巴溝流域位于陜西省北部子洲縣境內(nèi)，是黃河中游支流無定河的二級支流，流域面積為205 km2，曹坪雨量站以上面積為187 km2，流域中心位置為北緯37°43′、東經(jīng)109°55′，高程897 -1 302 m，西北高、東南低，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)（見圖1）。根據(jù)1959-2006年的降雨量資料可知，流域內(nèi)最大年降雨量為636 mm（1978年），最小為218 mm（1997年），多年平均降雨量為389 mm，其中1959-1970年平均降雨量為448 mm，1971-2000年每10 a的平均降雨量分別為352、389、349 mm。流域年內(nèi)降雨分配極不均勻，90%以上集中在5-9月，且以大雨強(qiáng)短歷時暴雨為主，最大雨強(qiáng)為3.5 mm/min，大雨強(qiáng)降雨過程具有很強(qiáng)的空間變異性[7]。

2 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

項目組觀測了研究區(qū)2004-2006年5-10月的降雨量，觀測儀器為南京水利水文自動化研究所研制的JDZ-I型雨量數(shù)據(jù)采集器，觀測最小時間間隔為5min，以每日早8時到次日早8時作為當(dāng)日降雨量。

本文采用5 min降雨數(shù)據(jù)分析流域內(nèi)單站各時段最大降雨量為暴雨的降雨量空間變異性。歷時2h、6h降雨的暴雨標(biāo)準(zhǔn)分別為18.7、31.6 mm[10]，24 h暴雨的等級劃分采用氣象標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)方法（如協(xié)克里格法）對黃土高原降雨進(jìn)行插值的效果更好[11-12]，但由于研究區(qū)雨量站點密集，不同插值方法的差別不大[13]，因此采用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值。空間變化指標(biāo)采用面雨量離差系數(shù)C_v、流域空間極端降雨比值系數(shù)α（最大、最小點降雨量的比值）和降雨不均勻系數(shù)η表示[14]，其公式分別為

3 結(jié)果與討論

3.1 典型站降雨基本特征

以典型雨量站——曹坪雨量站為例，分析單站的降雨基本特征。2004-2006年曹坪站降雨量分別為351.4、356.0、519.5 mm，根據(jù)多年降雨序列分析，2004年、2005年均為平水年，2006年為豐水年。這3a日降雨量大于1 mm的天數(shù)分別為47、38、49 d（見圖2），90%以上的降雨集中在5-9月，其中以7-8月最多，2004-2006年7-8月降雨量占全年的比例分別為51%、42%、57%。7-8月降雨以中雨、大雨和暴雨為主，瞬時雨強(qiáng)在60 mm/h以上甚至達(dá)到180 mm/h，20min最大降雨量為14.4 mm，th最大降雨量為27.0mm，2、6、24 h最大降雨量分別為33.0、52.8、100.2 mm（見表1），2004-2006年最大場次降雨量分別為54.4、46.4、100.8 mm，其他月份以中小雨為主。

從降雨歷時來看，2004年有4場降雨歷時為24 -40 h，2005年有3場降雨歷時為18 - 31 h，2006年降雨歷時最短，一般持續(xù)6-12 h，最長為18 h。降雨類型方面也有較大的年際變化，2004-2005年每年有6-7場中雨，降雨量占年降雨量的30%;3 -4場大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的30% - 40%。2006年中雨場次增至13場，降雨量占年降雨量的36%;4場大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的48%。整體來看，曹坪站的降雨表現(xiàn)為短歷時中到大雨。

3.2 不同時間尺度的空間變異特征

（1）2、6h及24 h最大降雨量6]。圖3-圖5分別為2、6、24 h最大降雨量的空間分布，在分組對比時綜合考慮了降雨歷時及空間變異性等因素，以便對比長歷時降雨在不同時間尺度的空間變異。2h最大降雨量的空間變異最顯著，C_v、α、η的變化范圍分別為0.24-0.93、1.90-64.75、0.30 - 0.74，大部分為a>3的局地暴雨。2h最大降雨量分別為62.2 mm（2004年8月19日）、51.4 mm（ 2005年8月2日）、40.2 mm（ 2006年7月30日）（見圖3）。6h尺度上大部分降雨的空間變異性減?。ㄒ妶D4），C_v、α變化范圍分別為0.06 -0.81、1.11- 10.54.η基本不變，局地暴雨所占比例下降。24 h最大降雨量分別為96.0、76.0、100.4 mm（見圖5），均發(fā)生在8月，C_v、α分別為0.06 - 0.69、0.47 -

4.31，η增大為0.43 -0.92。

（2）3 d和7d最大降雨量。2004-2006年3d最大降雨量的均值分別為63.1、56.7、106.5 mm，極差分別為65.8、37.2、17.2 mmn從3d到7d尺度上，C_v值并非一直減小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v.值和極差反而大于3d最大降雨量的（見圖6），7d最大降雨量分別為74.3、93.4、131.8 mm，極差都在60mm左右。

（3）月降雨量及年（5-10月）降雨量。各站月降雨量的變化大致與曹坪站相似，7-8月降雨量占年降雨量的比例平均值為58%（見表2），其中：2004年所占比重為46%（桃園山）- 73%（李家墕），平均為61%;2005年為45%- 63%，平均為55%;2006年則為50% - 65%，平均為59%。從空間分布上來看（見圖7），2004年6月空間變異最大，C_v，為0.34;2005年9月空間變異最小，C_v為0.09，空間變異性與3d和7d最大降雨量基本相當(dāng)。

2004-2006年岔巴溝流域年均降雨量分別為360.3、378.0、502.9 mm，C_v分別為0.07、0.11、0.05，α值分別為1. 34、1.46、1.22。2004年降雨量最大值為420.8 mm（馬虎墕）;2005年降雨量最大值為458.0 mm（朱家陽灣），最小值為313.6 mm（姬家鹼）;2006年最大降雨量為557.0 mm（桃園山），最小值為457.2 mm（馬虎墕）。2006年各站平均降雨量比2004年、2005年的分別大142.6、124.9 mm。岔巴溝流域各站2004-2006年總降雨量與高程之間并沒有體現(xiàn)出明顯的高程效應(yīng)。

（4）局地降雨特征分析。11場暴雨的降雨中心以及主要降雨（主雨）歷時見表3。對比不同時間尺度降雨量的空間變化可以看出，2004年的暴雨中心在李家墕、馬虎墕，2005年在朱家陽灣、王家墕，2006年則移動至曹坪、牛薛溝和桃園山三站。整體來說，2004年、2005年的降雨中心在流域上游，2006年則移至下游。

從時間上來看，暴雨主要發(fā)生在7-8月，降雨歷時短、雨強(qiáng)大，如2004年8月10日16時到18時李家墕站降雨量為51.8 mm，8月18日6時到8時降雨量為62.2一，兩次降雨占該月降雨量的57%。該類暴雨降雨中心的雨強(qiáng)很大、主雨歷時很短且籠罩面積小[10]，空間變異性很強(qiáng)。長歷時的大雨、暴雨主要發(fā)生在8月下旬及9月，這類降雨的空間不均勻性減小（η為0.43 -0.92），主雨持續(xù)14-28 h，如2006年8月29日桃園山站10 h降雨量為92.2 mm，2h降雨量超過20 mm的時段有4個，叼高達(dá)0.92。由此也可以看出，降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強(qiáng)度增大、降雨量增加而減小，水汽的運移強(qiáng)度及影響范圍對降雨的空間分布有重要影響。

為分析局地降雨所占的比例，定義α≥5的中小雨或α≥2的大雨為局地性降雨。2005年5-10月共有局地性降雨32次，累計降雨量為206.5 mm，占總降雨量的55%，5-9月每月的局地性降雨都在5次以上，其中8次局地性暴雨出現(xiàn)在7-8月，累計降雨量占總降雨量的40%。2006年有局地性降雨28次，累計降雨量占總降雨量的40%，其中局地暴雨5場（占24%）。這說明局地性強(qiáng)的對流性降雨和大尺度平流降雨是研究區(qū)的主要降雨類型12，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

豐水年的2006年降雨在各時間尺度上的C_v均最小，表明豐水年降雨的不均勻性受季風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)、水汽混合作用強(qiáng)的影響而有所減弱，而在平水年的2004年、2005年，降雨水汽在形成過程中所經(jīng)歷的混合作用較弱，局地降雨所占的比重很大。盡管如此，2006年7d最大降雨量的變異性反而大于3d最大降雨量的（見圖6），說明局地性的對流性降雨始終是研究區(qū)的一種普遍降雨類型。也可以看出，黃土高原丘陵溝壑區(qū)降雨的不均勻性非常顯著，時間尺度越小，點降雨量的代表性越弱，因此降雨的時空變異性是整個流域土壤人滲、地下水補(bǔ)給研究的前提。

根據(jù)各站的降水量進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果，可將13個站分為5組，每組的站間距一般小于5 km。位于流域西北分水嶺附近的最高點——和民墕單獨編為第①組;第②組的5個站（劉家墕、朱家陽灣、萬家墕、王家墕、牛薛溝）沿主河道走向呈條狀分布，最大間距為12.8 km;第③組包括李家墕、馬虎墕兩站：第④組包括杜家山、姬家鹼、小姬三站;第⑤組包括桃園山、曹坪兩站。降雨量相關(guān)系數(shù)與站間距的分析結(jié)果表明，站間距是影響雨量空間變異性的首要因素。同時，海拔和流域地形地貌條件影響下的水汽運移也是不可忽視的因素，研究區(qū)的點降水量代表性非常有限。此次分組結(jié)果可為雨量站的布設(shè)提供參考。

4 結(jié)論

（1） 2004-2006年，曹坪雨量站7-8月以中雨、大雨、暴雨為主，其他月份以中雨、小雨為主。每年有3-4場大雨、暴雨和6- 13場中雨，占全年降雨量的60% - 80%。

（2）在不同時間尺度上，空間變異性表現(xiàn)出不同的特征。2h尺度上降雨空間變異性顯著，2h最大降雨量的變異系數(shù)C_v為0.27 -0.93.6 h尺度上降雨空間變異性減小，24 h最大降雨量的C_v為0.06 - 0.69;從3d到7d尺度上，C_v值并非一直減小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v，值和極差反而大于3d的;月降雨量的C_v為0.09 - 0.34，其中6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v為0.05 - 0.11。

（3）2004年、2005年暴雨的降雨中心位于流域上游，2006年移動至下游。降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強(qiáng)度增大、降雨量增加而減小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

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