近60年來長子縣降水量變化特征

張嬌嬌

（長治市水文水資源勘測站）

全球氣候變化及人類活動對水資源的影響已成為世界關注的重要課題，IPCC《全球1.5℃增暖》特別評估報告中指出，2017年全球氣溫已比工業(yè)化前水平大約高出1℃，如果以當前的速率繼續(xù)升溫，全球氣溫將在2030-2052年比工業(yè)化前水平高出1.5℃[1]，這將導致有些地區(qū)強降水天氣增加或者干旱（降水不足）的概率上升。因此，研究區(qū)域降水變化規(guī)律，對工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域都有重要意義。

近些年來，大量學者針對降水量變化特征進行了研究分析，羅建維利用賓川縣64 a 資料，采用線性趨勢法、Mann-Kendall、Morlet 小波等方法分析出賓川縣降水年內(nèi)分配不均，呈豐枯交替出現(xiàn)，時間尺度變化規(guī)律[2]；王一鳴等采用線性趨勢方法對良縣降雨量變化特征進行了分析[3]；羅應忠等使用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall 突變檢驗等方法對盤州市年降水量和各季節(jié)降水量進行時了分析，得出降水量總體呈下降趨勢，6、7月是夏季出現(xiàn)降雨最多的月份[4]；趙靜敏等利用頻率法對長治市的降水特性進行了分析[5]。本文基于長子縣6 個雨量站（圖1）近64 a 實測降雨資料，采用P-Ⅲ頻率曲線法、一元線性回歸、模比系數(shù)差積曲線、滑動平均、小波分析等方法進行降水特征分析，可為研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)域概況

長子縣位于山西省東南部，地處黃土高原南部，上黨盆地西側。境內(nèi)地勢西高東低，為太岳山向長治盆地的過渡帶，海拔在900～1 000 m 之間，最低處的董村一帶海拔907 m。屬北方暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，四季分明，季風強盛，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，全年日照充足。

長子縣是山西省農(nóng)業(yè)大縣，是國家農(nóng)業(yè)部授予的“中國青椒之鄉(xiāng)”、“山西省糧食基地縣”。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，素有“米糧川”之稱，主要農(nóng)作物品種有玉米、谷子、小麥、高梁、薯類、煙草、蔬菜等。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究數(shù)據(jù)選用長子縣6 個雨量站1956-2019年降水量資料，分別為良坪站、馬箭站、陽魯站、長子站、西范站和東萬戶站（見圖1），平均站網(wǎng)密度為177 km2/站，基礎資料全部采用整編和審查后的實測降雨量資料。利用P-Ⅲ頻率曲線法、一元線性回歸、模比系數(shù)差積曲線、滑動5年平均、Morlet 小波分析等方法，對長子縣1956-2019年系列的年、月降水量變化進行特征分析。

圖1 長子縣降雨量站點分布圖

3 降水量變化特征分析

3.1 年際變化分析

3.1.1 豐枯特征分析

降水量的變化規(guī)律受氣候、緯度等多種因素影響。長子縣位于中緯度地域，處在季風氣候控制范圍內(nèi)，季風強盛，降水量的年際變化大，并有豐水段和枯水段交替出現(xiàn)的規(guī)律。

通過P-Ⅲ頻率曲線法對長子縣降水量進行頻率分析計算。經(jīng)計算分析，長子縣多年平均降水量1956-2019年為617.0 mm，折合水體65 402 萬m3。系列中年最大降水量出現(xiàn)在2003年，為1 011.9 mm，年最小降水量出現(xiàn)在1997年，為401.3 mm，值比2.52。偏豐水年（P=20%）降水量727.0 mm，比多年平均值偏多17.8%；平水年（P=50%）降水量607.0 mm，比多年平均值偏小1.6%；偏枯水年（P=75%）降水量521.0 mm，比多年平均值偏小15.5%；枯水年（P=95%）降水量412.0 mm，比多年平均值偏小33.2%，詳見表1。

表1 長子縣1956-2019年降水量特征值表

按年代分析（表2）可知：1956-1960、1961-1970、1971-1980 和2001-2010年普遍偏豐，與多年平均降水量相比，分別偏豐2.8%、10.0%、2.9%和3.2%；其他各年段：1981-1990年偏枯8.9%，1991-2000年偏枯5.6%，2011-2019年偏枯3.4%。由圖2可知，長子縣多年平均降水量總體呈下降趨勢，傾向率為-1.25 mm/a，特別是到80年代初到90年代降水量下降明顯。

圖2 長子縣1956-2019年平均降雨量變化曲線

表2 長子縣各年代平均年降雨量變化趨勢表

3.1.2 周期性分析

周期性是指水文要素的歷史演變經(jīng)過一定時間以后再行出現(xiàn)的現(xiàn)象。通過降水量模比系數(shù)差積曲線、滑動5年過程線，可分析出降水周期性變化規(guī)律，圖3 以長子站為代表站分析，該站有兩個豐水段1956-1977年、1995-2005年，降水持續(xù)周期分別為22年、11年，平均降水量較多年平均分別偏多11.9%、3.2%；有兩個枯水段1978-1994年、2006-2011年，降水持續(xù)周期分別為17年、6年，平均降水量較多年平均分別偏少11.9%、9.8%；有一個平水期2012-2016年，周期為5年，平均降水量較多年平均僅偏多1.1%，得出長子縣降水量模比系數(shù)差積曲線有完整的豐平枯周期，其中降水尺度為22年（1956-1977年段）時降水波動較大。

圖3 長子站1956-2019年降水量模比系數(shù)差積曲線及5年滑動曲線

為更具體了解長子縣降水周期變化特征，采用Morlet 小波分析法，對長子縣64 a 平均降雨時間序列進行小波分析。將長子縣年平均降水量距平值代入Morlet 小波函數(shù)中，計算出小波變換的模平方和實部，分別得到它們的二維等值線圖（圖4）。

圖4 長子縣年平均降雨量小波變換的模平方和實部的時頻分布圖

通過繪制長子縣平均降雨量距平序列Morlet 小波變換模平方的時頻變化和實部時頻變化，可以看出不同時段周期的強弱分布、周期變化等情況，降雨過程中存在幾個尺度振蕩周期，其中，22-28年時間尺度振蕩周期最強。

通過長子縣年降水小波方差（圖5）可知，降雨時間序列存在7年、22年、28年左右的主要周期，其中22年周期上的峰值最大，表明該周期上的能量振動較強，對小波方差的貢獻較大；7年和28年時間周期下的峰值較小，其能量振動較小，對小波方差的貢獻較小。因此，以22年為一個周期演變最為明顯，這一周期控制著長子縣降雨在長系列內(nèi)變化特征。

圖5 小波方差圖

3.2 年內(nèi)變化分析

從長子縣多年實測月降水量值來看（圖6），長子縣降水量年內(nèi)分配呈單峰型，連續(xù)最大4 個月降水量均出現(xiàn)在汛期6-9月，汛期降水量占全年降水量的69%，7月降水量達到最大，為154.7mm。12月至3月，是降水量最少的時期，4 個月降水量僅占全年降水量的7%，1月降水量最小，為5.7mm，由此可見長子縣降水量的年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期。

圖6 長子縣1956—2019月降雨量變化曲線

4 結論

（1）研究區(qū)1956-2019年平均降水量為617 mm，年最大降水量1 011.9 mm，年最小降水量401.3 mm，極值比2.52。降水量總體呈下降趨勢，傾向率為-1.25 mm/a。

（2）研究區(qū)降水序列有完整的豐平枯周期，通過小波分析得出，降雨序列在22年尺度上峰值最大，對小波方差的貢獻最大，為主周期。

（3）研究區(qū)年內(nèi)月平均降水量分配呈單峰型，連續(xù)最大4 個月降水量出現(xiàn)在6-9月，占全年降水量的69%。