黑河流域降水量年内分配格局研究

2012-06-07马正耀

地下水 2012年1期

关键词：黑河集中度降水量

马正耀

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 730000)

流域降水量的变化通常包含“量”和“结构”的变化。前者通常是指降水总量数值上的变化，而后者则注重从降水过程的“形状”上进行分析。本文着重分析探讨黑河流域降水量不同区域年内分配布局形态。

1 流域自然概况

1.1 自然地理

黑河流域位于祁连山和河西走廊的中段，在东径96°42'～ 102°04'，北纬 39°45'～ 42°40'之间。东起山丹县境内的大黄山与石羊河流域接壤，西部以嘉峪关境内的黑山为界与疏勒河相邻，南起青海祁连县境内的祁连山南北分水岭，北至中蒙边境，流域总面积12.8×104km2。流域地势西高东低，南高北低，流域南部为青藏高原北部边缘的祁连山地，流域面积 1.001×104km2，海拔 2 000～5 000m，山高坡陡，沟壑纵横，森林密布，灌木、乔木茂盛，在4 000m以上发育有现代冰川，最高峰团结峰5 826.8m，是黑河流域的主产流区和水源涵养区;流域中部地处河西走廊，为绿洲农业灌溉区，流域面积2.56×104km2，是黑河流域的耗水区和径流利用区;流域北部属阿拉善高原区，除黑河河流两岸和居延三角绿洲外，大部分为荒漠、沙漠和戈壁，属极度干旱区，为径流消失区。黑河流域从南到北包含了高山冰雪带、森林草原带、平原绿洲带及戈壁荒漠带等不同的水文地貌单元。

1.2 水汽来源及气候特点

本区位于欧亚大陆腹地，远离海洋，为典型的大陆性季风气候。夏季，东南太平洋暧湿气流途经我国大陆，翻越秦岭和黄土高原影响本区;西南气流可翻越青藏高原，把印度洋和孟加拉湾等南亚洋面的水汽输入本区。本区气候特征具有明显的空间分异性:南部祁连山区气温低，中部走廊区气候相对干燥，下游额济纳旗盆地极度干燥［1，2］。区域内一年四季气候的变化特点是:冬季雨雪少，寒冷时间长;春季升温快，冷暖变化大;夏季气温高，降水多且集中;秋季降温快，初霜来临早［3］。

2 降水资料情况

本次对黑河流域降水量年内分配格局的研究，是根据流域内地形特点和水文特性，把黑河流域分为深山区，浅山区，绿洲灌溉区和荒漠区四个地质单元进行统计分析。根据流域自然地理概况和流域内降水量观测站点的分布情况，选用能代表流域分区特性，同步有完整、连续系列资料的札马什克、双树寺水库、莺落峡、正义峡4个水文站点1964－2010年共计188站年的降水量资料进行统计分析。所选用的资料，均是经过相关部门审核整编的成果数据，资料可靠合理。参加分析计算的资料其中有部分观测站点曾因各方面原因有过迁移，但先后观测场地相距较近，下垫面条件基本没有变化，可以认为其系列具有一致性。

3 降水量的区域性分布特点

统计计算黑河流域各分区代表站的多年平均降水量和离差系数Cv值如表1。

表1 黑河流域分区代表站降水量参数统计表

从黑河流域各分区代表站降水量参数统计表中反映出，黑河流域多年平均降水量深山区和浅山区接近，绿洲灌溉区年降水量占深山区降水量的41%，北部荒漠区降水量仅是深山区降水量的15%。流域降水量从高海拔地区向低海拔地区递减，相应的离差系数逐步递增，年降水量的离散程度逐步增大。

4 黑河流域降水量的的年内分配

黑河流域内降水量受水汽来源和下垫面因素的影响，年内分配极不均匀［1，4］。本文用札马什克、双树寺水库、莺落峡、正义峡四个水文站的月年降水量实测资料，分别采用各月(或阶段)占年降水量的百分比、年内不均匀系数、集中度(期)及绝对变幅，对黑河流域各分区降水量年内分配格局进行统计分析，以期为黑河流域水资源的研究、开发利用与合理配置提供参考依据。

4.1 黑河流域各月、汛期及非汛期降水量占年降水量的百分比

受东亚大陆季风气候的影响，流域内降水量年内分配极不均匀，其特点是汛期降水量大而集中，春季雨水少而不稳，冬季雨雪稀少［1，4，5］。选取各分区月、年降水量观测资料齐全，且系列较长能反映区域降不特性的站点作为分区代表站，分别计算多年平均各月降水量占年降水量的百分率及连续最大四个月占全年降水量的百分率见表2。

表2 黑河流域各分区代表站降水量年内分配表

黑河流域各分区代表站降水量月分配统计表中显示，流域内各分区降水量年内分配情况大体一致，多年平均连续最大四个月降水量占全年降水量的70%左右，发生在6－9月份，深山区最大，到76.6%，其它分区较为接近，在69% ～70%之间;年内降水量最大的月份是7月份，占年总数的21%～24%，也数深山区最大;多年平均连续最小四个月降水量发生在11月至次年的2月份，降水量占年总量的5%左右，祁连山区最小，仅1.7%，绿洲灌溉区最大也只有5.3%;4、5月份是黑河中游地区农田灌溉的用水高峰期，降水量较少，4月份只有4% ～6%，5月份也只12%，因此，形成了该地区农业生产中几乎年年都有的“卡脖子旱”的灌溉格局。

4.2 黑河流域降水量的年内分配不均匀性

用降水量年内分配不均匀系数Cv来衡量黑河流域降水量年内分配的不均匀性［6］。

降水量年内分配不均匀系数的计算公式如下:

式中:R(t)为年内各月降水量;R为年内月平均降水量。

由式(1)中可以看出，Cv值越大即表明年内各月降水量相差越悬殊，降水量年内分配越不均匀。

计算各分区代表站多年平均降水量不均匀系数见表3。

从表中反应出，黑河流域年内分配不均匀系数在不同区域也存在一定的差异，深山区最大，绿洲灌溉区又大于北部荒漠区，浅山区最小。

4.3 黑河流域降水量的年内分配集中度、集中期

集中度和集中期的计算，是将一年内各月的降水量作为向量看待，月降水量的大小为向量的长度，所处的月份为向量的方向［7］。从1月到12月每月的方位角 θ分别为30°，60°，90°…，360°(把圆周的度数 360°作为一年天数 365 日，一日相当于0.9863°)，并把每个月的降水量分解为x和y两个方向上的分量，则x和y方向上的向量合成分别为:

于是降水量的合成为:

定义集中度Cd和集中期D如下式:

由(4)式可以看出，合成向量的方位，即集中期D指示了月降水量合成后的总效应，也就是向量合成后重心所指的角度，即表示一年中最大降水量出现的时间。而集中度则反映了集中期降水量值占年总降水量的比例。从降水量年内集中度Cd、集中期D计算原理可以看出，集中度很好地表达了降水量年内的非均匀分布特性，当降水量集中在某一月内时，则它们合成向量的模与年降水总量之比为1，即集中度Cd为极大值，如果每个月的降水量都相等，则它们各个分量累加后为0，即集中度为最小极限值，表明全年的降水量均匀地分配在l2个月中，集中度越大年内分配越不均匀。集中期则客观地反映了一年中最大降水量出现的时间。

黑河流域各分区代表站多年平均降水量年内分配、集中度、集中期计算成果见表3。

表3 黑河流域各分区降水量年内分配特征值统计表

表中反映出，黑河流域各分区降水量的集中度分布格局和不均匀系数一致，深山区最大，集中期出现在7月18日，绿洲灌溉区大于北部荒漠区，集中期滞后深山区一天，出现在在7月17日，浅山区最小，集中期和北部荒漠区相一致，出现在7月16日。

4.4 黑河流域降水量年内分配的绝对变化幅度

降水量的绝对变化幅度是指最大最小月降水量之差，如下式:

由于流域所处地理位置的特点和受东亚大陆季风气候的影响，黑河流域各分区冬春季部分月份降水量为零的情况时有发生［8］，因此，区域降水量年内分配的绝对变幅就是区域内代表雨量站年内最大月降水量。见表3，降水量变幅从深山区由东南向西北递减。

4.5 形成黑河流域降水量的年内分配格局的成因

黑河流域深处内陆腹地，远离海洋，降水量主要受季风气候影响。夏秋季，东南太平洋和西南印度洋暧湿气流途经本区。由于南部祁连山深山区海拔高，气温低，森林密布，灌木茂盛，空气湿度大，浅山区植被低矮稀疏，山石裸露，气候干燥寒冷，中部走廊区渠网密布，农田林地遍布，气候较浅山区湿润，下游除黑河沿岸间或有零星林草地外，多呈荒漠戈壁景观，气候极度干燥，暧湿气流在运行的过程中，场降水量由东南向西北部递减［1，4］。此外，在气温、风速、气压等自然条件适宜的情况下，无流域外部水汽来源，深山区森林植被吸收深层土壤水分供树木蒸腾，水蒸气随大气运动出森林之外，其中相当大一部分在林区附近凝结成雨，形成降水。冬春季，流域内西北风盛行，水汽来源稀少，干燥寒冷，各区域降水量大小基本一致。流域各分区特殊的地理位置及地形地貌特点，形成了黑河流域不同区域特殊的降水量年内分配格局。