湖南省可利用降水量时空分布特征

罗伯良,张 超

(湖南省气象科学研究所，中国 长沙 410007)

随着 “一化三基”战略的推进，湖南的社会经济快速发展，城市人口不断增长，人们对水的需求量越来越大．尽管相对全国来说，湖南的水资源比较丰沛，年水资源总量为1 689 km3，居全国第6位，堪称水资源大省，但人均水资源量在2 500 m3左右，仅略高于全国平均水平，在缺水线(1 000～3 000 m3)的上限．加上湖南属亚热带季风气候区，降水的季节性强，降雨多集中在春夏两季，尤其是汛期集中了全年70%以上的雨量，全省大部分地区4月至7月径流量占全年的65%，部分地方达到70%[1]．此外，湖南境内水利工程调控水资源能力不强，特别是湘、资、沅、澧四水干流尚缺乏关键的控制性工程，还不能完全充分地调控洪水，绝大部分降水以径流的形式通江达海．由于湖南水资源主要靠大气降水补给，受天气气候变化的影响极大，气候异常引起大范围的持续性干旱时有发生，如1998年夏季到1999年春季湘南持续性干旱和2007年夏秋连旱给湖南经济发展和生态环境造成严重影响[2]．加之人们对有限的水资源不能合理有效利用，浪费和水体污染使湖南水资源供需矛盾在冬半年更显突出，现已成为制约湖南经济持续发展的重要因素之一[3-4]．另外，根据IPCC研究报告[5]，近百年全球平均温度已经升高了(0.6 ±0.2)℃，这种温度的上升趋势还在持续，气候变暖加剧了极端天气气候事件的频繁出现，对水资源的影响也不可忽视[6-7]．

降水虽然是水资源的主要补给来源，但并不等于是可利用的水资源，它的相当一部分要以蒸发的形式回到大气中，其余部分才能形成地面径流．可利用降水量是大气降水各分量中(降水量、蒸发量和可利用降水量)可被人们实际利用的降水资源，湖南大部分地区的水需求(特别是作物生长)主要靠大气降水补给．因此，本文将对湖南可利用降水量空间分布和变化趋势进行分析，为湖南经济发展规划和可持续发展以及保护水资源提供科学依据．

1 资料和方法

本文所用资料为湖南省内长沙、岳阳、常德、怀化、邵阳、衡阳、永州、郴州等89个气象台站逐月平均气温和降水量资料，时间从1959年到2008年共50 年．

一般地，某地水资源的多少取决于降水、蒸发和径流量等要素，从气象角度来考虑，降水量与蒸发量之差基本能表征可利用降水资源的多寡，降水量反映了一个地方水分收入状况，而蒸发量则是表示一个地方水分消耗程度的指标．目前，关于蒸发量的计算方法较多，一般根据空气饱和差、气温及积温、辐射平衡等来确定，具体的经验公式主要有彭曼公式、桑斯威特公式、哈格里韦斯公式以及高桥浩一郎公式等[8]，其中高桥浩一郎经验公式仅用了月平均降水和气温两个要素即可估算月平均地面蒸发，方法比较简便，近年来被用于我国华北、西北及西南地区水资源问题的研究[9-13]，得到不少有意义的结果，并被证明是合理的．考虑到湖南地区的气候特点及气象要素资料的收集难易程度，本文采取高桥公式估算湖南全省89个测站逐月的蒸发量(E)，进而讨论湖南省水资源各分量(R，E，R-E)时空变化的特征以及它们的变化趋势．

高桥浩一郎的陆面蒸发经验公式为

(1)

式中，E、R、T分别为月地面蒸发量(mm ) 、月降水量(mm )和月平均气温( ℃) ．降水与蒸发量之差称为可利用降水，可以将其作为衡量水资源丰枯的指标．可利用降水资源F(mm)可定义为

F=R-E.

(2)

利用(1) 、(2)式可以计算出1～12月各月的可利用降水资源量，将各站各月相加即得年可利用降水量．

采用趋势系数法结合显著性检验，揭示可利用降水量变化趋势，正为增加趋势，负为减少趋势．

2 湖南省区域平均水资源时空分布特征

2.1 湖南省水资源的空间分布特征

湖南年降水量(图略)有自东南向西北逐渐减小的分布趋势，在1 160～2 041 mm之间，年降水量大值区主要集中于资江中下游和衡阳的南岳以及湘东山区．另外，湖南年降水的梯度也不均匀，呈中部和东部边缘大、南北小的特征．年可利用降水量的分布(图1a)与年降水十分相似，其大、小值中心与降水一致，只是数值要小很多．全省可利用降水量(R-E)在586～1 601 mm之间，资江中下游、衡阳南岳和湘东、湘南边缘山区在900 mm以上，这些地区的水资源较为丰富，湘西北及西部边缘山区在700 mm以下，这些地区水资源相对较少．

图1 1960～2008年湖南平均年可利用降水量(a)(单位：mm)和年蒸发率(b)(单位：%)

2.2 湖南省平均可利用降水量的时间变化

图2 1960～2008年湖南省年(a)和春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)季可利用降水量及年蒸发量距平(f)

从湖南省平均可利用降水量距平演变趋势(图2a)可见，1960～2008年湖南省年及四季可利用降水量具有明显的年际及年代际变化特征．全省平均年可利用降水量2002年最大，为1 223.2 mm，比多年平均多420.9 mm；1985年最小，为578.5 mm，较多年平均少224.0 mm．从年代际变化特征来看，20世纪六七十年代呈准两年周期变化，20世纪80年代湖南可利用降水量偏少，20世纪90年代则偏多，但进入21世纪后，湖南可利用降水量又趋偏少．尽管湖南省年平均可利用降水量变化趋势不显著，但冬、夏季和春、秋季可利用降水量变化趋势显著且呈现相反变化趋势，下面我们将分析讨论．

春季可利用降水量总体呈明显减少的趋势(图2b)，平均每年减少1.8 mm，通过了95%的置信度检验．最多的年份出现在1975年，为617.3 mm，比多年平均多260.1 mm；最少的年份是2007年，为182.3 mm，较多年平均偏少173.3 mm．春季可利用降水量也存在明显的年代际变化，20世纪六七十年代以年际变化为主，年代际变化特征表现为偏多，20世纪80年代以后，进入一个相对偏少期，其减少趋势非常明显．

夏季可利用降水量总体呈上升趋势(图2c)，平均每年增加1.7 mm，通过了90%的置信度检验．最多的年份为2002年，为422.1 mm，比多年平均偏多204.9 mm；最少年份为62.1 mm，较多年平均偏少155 mm．夏季可利用降水量在20世纪60～80年代以偏少为主，90年代初开始增加．夏季可利用降水量的变化与降水量基本一致．

秋季可利用降水量总体变化与春季一样为下降(图2d)趋势，但减少幅度小于春季，平均每年减少约0.8 mm．最多的年份出现在1972年，为275.7 mm，比多年平均偏多151 mm；最少的年份是1991年，为11.4 mm，较多年平均偏少113.3 mm．秋季可利用降水量年代际变化特征不明显，主要表现为年际变化，只是20世纪80年代以前偏多频率较大，之后则以偏少频率较大，秋季缺水趋势加剧．因此，有效地利用秋季降水相对于其它季节更为重要．

冬季可利用降水量总体变化与夏季一样为上升(图2e)，平均每年增加1.1 mm，通过了90%的置信度检验．最多的年份出现在1997年，为241.7 mm，比多年平均多136.8 mm；最少的年份是1998年，为20.9 mm，较多年平均少84 mm．冬季可利用降水量20世纪80年代以前主要表现为年际变化，之后则表现为年代际变化，即20世纪80年代偏少，90年代偏多，进入21世纪又趋偏少．

3 湖南省可利用降水量变化的空间分布

从回归系数看，春、秋季全省大部以减少为主，夏、冬季全省大部则以增加为主．

春季可利用降水量变化的空间分布特征(图3a)：全省除攸县、炎陵、资兴为弱增加外，长沙、岳阳、益阳、常德、邵阳等其余86站呈减少趋势，其中有40个站减少幅度在2.0～4.05 mm/a之间，其他46站减少幅度<2.0 mm/a．湘中大部减少幅度最为明显，岳阳的平江减少幅度最大，平均每年减少4.05 mm．

夏季可利用降水的变化趋势几乎与春季相反(图3b)：除南县、沅江等8站为减少的趋势外，其余大部分地区为增加的趋势，全省有33站增加幅度在2.0～3.9 mm/a之间，有35站增加幅度在1.0～2.0 mm/a之间，其余13站可利用降水增加幅度<1.0 mm/a．其中衡阳的南岳增加幅度最大，平均每年增加约3.9 mm．

秋季可利用降水的变化趋势与春季相似(图3c)，全省大部分地区为减少的趋势，只是减少的幅度小于春季．全省减少幅度在1.0～2.0 mm/a之间的有39站，南岳减少幅度最大，平均每年减少约2.3 mm；44站可利用降水减少幅度<1.0 mm/a；其余5站为弱的增加趋势．

冬季可利用降水的变化趋势与夏季相似(图3d)，全省大部分地区呈增加的趋势，但增加幅度小于夏季，所有站的变化幅度<2.0 mm/a，其中有47站增加幅度在1.0～2.0 mm/a之间，其余各站可利用降水增加幅度<1.0 mm/a．增加幅度比较明显的地方在洞庭湖区和郴州及株洲南部，平均每年增加约1.5 mm．

图3 1960～2008年湖南省春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季可利用降水量变化趋势空间分布(单位：mm/a)

为分析不同季节不同测站可利用降水变化趋势系数空间差异，对各季可利用降水变化趋势系数( 可利用降水量序列与对应的时间自然序列之间的相关系数 )空间分布也进行了分析．结果表明：不同季节可利用降水变化趋势系数表现不同，春季(图4a)西部大部及长沙和岳阳部分地区可利用降水下降趋势显著，通过了0.10和0.05信度检验，表明上述地区春季可利用降水量在减少．而夏季(图4b)邵阳、娄底、怀化中部及郴州部分地区可利用降水增加趋势显著，通过了0.05信度检验，这些地区可利用降水量的增加可弥补春季水资源的持续减少．秋季(图4c)可利用降水量的下降趋势较小，其中西部边缘山区和邵阳与永州部分地区通过了0.10信度检验，结果导致上述地区原已短缺的水资源继续减少，使其秋旱气候特征进一步加强．冬季(图4d)湘北大部和湘西南及湘东南部分地区可利用降水增加趋势显著，通过了0.10和0.05信度检验，表明上述地区冬季可利用降水在增多．

图4 湖南省春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季可利用降水量变化趋势系数通过0.1(0.05) (浅(深)阴影区)显著性检验站点空间分布

4 结论

根据以上分析，可得到以下主要结论：

(1)湖南年可利用降水量的分布与年降水十分相似，其大、小值中心与降水一致，资江中下游、衡阳南岳和湘东、湘南边缘山区为大值区，湘西北及西部边缘山区为小值区．

(2)从年代际变化特征来看，湖南年可利用降水量在20世纪60～70年代呈准两年周期变化，80年代偏少，90年代偏多，进入21世纪后，湖南可利用降水量又趋偏少．春季可利用降水量20世纪60～70年代以偏多为主，80年代以后，进入一个相对偏少期；夏季可利用降水量在20世纪60～80年代以偏少为主，90年代初开始增加；秋季可利用降水量年代际变化特征不明显，只是20世纪80年代以前偏多频率较大，之后则以偏少为主；冬季可利用降水量20世纪80年代80年代偏少，90年代偏多，进入21世纪又趋偏少．

(3)湖南可利用降水量冬、夏季增加，春、秋季减少，导致湖南省可利用降水量季节变化特点明显，秋季缺水更为显著．

(4)从可利用降水量趋势变化的空间分布看，春季西部大部及长沙和岳阳部分地区可利用降水下降趋势显著，夏季邵阳、娄底、怀化中部及郴州部分地区可利用降水增加趋势显著，秋季可利用降水量以减少为主，冬季湘北大部和湘西南及湘东南部分地区增加显著．

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