闽东地区年可利用降水资源时空特征分析

阮翠冰，林 忠，林兆华

(福建省宁德市气象局，宁德 352100)



·资源区划·

闽东地区年可利用降水资源时空特征分析

阮翠冰，林 忠，林兆华

(福建省宁德市气象局，宁德 352100)

文章利用闽东地区9县市区1969～2014年月平均气温和月降水资料，应用桑斯维特法计算年蒸散量，从而求出年可利用降水量。利用线性倾向估计法分析年降水量和年蒸散量的变化趋势，结果表明： 46年来闽东地区年降水量呈不显著的增多趋势，西北部山区降水多于东南部沿海； 而年蒸散量呈显著的增大趋势，东南部沿海蒸散能力大于西北部山区。对近46年闽东9县市区年可利用降水量场进行经验正交分解(EOF)，通过显著性检验的3个主要特征向量和所对应的时间系数代表了闽东地区年可利用降水资源的时空变化特征，结果表明，第一模态(占总方差贡献的97.61%)显示闽东地区年可利用降水资源最主要的分布特征，呈现西北部山区向东南部沿海递减的空间特点，即内陆山区可利用降水资源比沿海更为充沛，在时间上呈略增变化趋势； 第二模态(占总方差的0.96%)反映出闽东东部与西部县市呈现反相变化的分布特征，近46年发生东多西少的频率略高于东少西多，但不显著； 第三模态(占总方差的0.58%)反映出北部与南部县市呈反相变化的分布特征，近46年发生北多南少的频率较高于北少南多。闽东地区年可利用降水资源具有典型的西北向东南递减的全区域型分布加上东西型、南北型两种扰动分布的空间特点。

闽东 桑斯维特法 蒸散量 可利用降水量 经验正交分解(EOF)

图1 闽东地区(宁德市)地理位置及地形

0 引言

随着人口的增长，经济的发展，人们对水的需求量越来越大。降雨资源是水资源的主要来源，在全球变暖的大背景下，水循环加速，蒸散量增加，对可利用降水资源的影响不可忽视。近年来，区域可利用降水资源的研究已成为各地的研究热点[1-6]，可利用降水量与蒸散量有直接的关系，蒸散量估算的方法有多种，其中高桥浩一郎公式应用较为广泛，但主要适用于我国北方地区蒸散量的计算[5]，文章选用的桑斯维特法是国际粮农组织推荐的计算蒸散量的通用方法之一，适用于大部分地区，且计算蒸散量年值具有较高的精确度[8]。

闽东通常指位于福建省东北部的宁德市，辖有4个沿海县市区和5个山区县市，地形以丘陵山地兼沿海小平原相结合为特点(图1)，属明显的中亚热带海洋性季风气候[12]。闽东地区雨水充沛，常年平均降水量1811.1mm； 热量丰富，常年平均气温17.4℃。虽然闽东降水资源丰富，但由于山区与沿海的降雨和蒸散能力存在差异而造成可利用降水资源时空分布不均，气候变化正加剧这种不均衡，给农业生产和城市雨水利用带来一定的困扰，因此科学客观地分析可利用降水资源时空分布特征，有利于因地制宜地开展雨水利用，为当地水资源合理配置提供理论基础，促进社会的可持续发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1969～2014年闽东9县市区气温、降水等气象资料取自宁德市气象局气象资料数据库，所有资料序列完整连续均一。

1.2 方法

该文采用线性倾向估计法[7]，对闽东9县市区年降水量、年蒸散量和可利用降水量进行趋势分析，研究其变化特征。其中年蒸散量应用桑斯维特法计算，并求得可利用降水量，而后对9县市区46年可利用降水量场(矩阵)进行经验正交分解(EOF)，分析其时空变化特征，利用地理信息软件(Arcgis)显示其空间分布特征。

1.2.1 线性倾向估计法

线性倾向估计法是气候统计学上常见的气候序列变化趋势诊断法，表达式如下：

xi=a+bti(i=1， 2，…，n)

(1)

式中，xi是样本为n的气候变量； ti是xi所对应的时间； a是回归常数； b是回归系数，也叫趋势倾向值。a、b用最小二乘法求得，b>0，说明xi随ti呈上升趋势； b<0，说明xi随ti呈下降趋势。并利用xi与ti线性相关系数r来判断变化趋势的显著性，确定显著性水平α，根据样本数n查找相关系数临界值表得到rα，若|r|>rα，则xi随ti的变化趋势在α水平上是显著的，否则变化趋势不显著[7]。

1.2.2 可利用降水资源计算

一般来说，某地水资源的多少取决于降水、蒸散和径流量等的变化，但仅从气象角度来考虑，降水量与蒸散量之差基本能表征可利用降水资源的多寡[1]，因此年可利用降水量F代表可利用降水资源，其计算公式如下：

F=P-PE

(2)

式中，P是年降水量(mm)；PE是年蒸散量(mm)。

1.2.3 桑斯维特法计算年蒸散量(PE)

彭曼、桑斯维特和布德科是国际上权威的3种计算蒸散量的方法。彭曼和布德科法计算过程较复杂，需要较多物理量，数据不易得到。桑斯维特法计算相对简单，需要气象要素少。3种方法在计算旬、月蒸散量时误差相差较大，而年蒸散量用3种方法的计算结果是接近的[8]。因此该文选用计算简单、数据易得的桑斯维特法来计算年蒸散量，其公式如下：

(3)

式中，PEi是月蒸散量(mm/月),其中：

(4)

Ti是月平均气温(℃)； H是年热量指数； A是常数。

各月热量指数Hi计算公式如下：

(5)

(6)

常数A的计算公式：

A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49

(7)

1.2.4 经验正交函数分析法(EOF)

EOF是分析矩阵数据结构、提取主要数据特征的一种方法[7]。通过对年可利用降水量场进行EOF分解，分别得到空间和时间矩阵，得出特征向量(eof)、特征值(λ)和每组特征向量表征的方差贡献(exp)，再通过计算特征值误差范围来进行显著性检验，特征值误差范围计算公式：

(8)

n 为样本数，当相邻的特征值λi+1满足

λi-λi+1≥ei

(9)

就认为这2个特征值所对应的自然正交函数是有价值的信号[1]。然后利用特征向量(eof)的转置与原数据矩阵的乘积得到所有空间向量所对应的时间系数。

2 结果与分析

2.1 年降水量特征分析

1969～2014年闽东9站年平均降水量在1148.8mm(2003年)～2345.6mm(2006年)之间，线性倾向方程为x=1760.8+1.93t(图2)，趋势倾向值b=1.93，相关系数|r|=0.096

图2 1969～2014年闽东地区年平均降水量趋势(a)和沿海与山区年平均降水量对比(b)

2.2 年蒸散量特征分析

利用公式(3)和(4)计算1969～2014年闽东9站的蒸散量，年平均蒸散量在791.6mm(1976年)～902.7mm(1998年)之间，线性倾向方程为x=808.12+1.33t(图3)，趋势倾向值b=1.33，相关系数|r|=0.72>r0.001/n=46的临界值0.4648，所以在0.001水平上呈显著的上升线性趋势。可见在气候变暖的趋势下，蒸散量也明显增大。

由于蒸散量与气温关系密切，气温越高，蒸散量越大，所以年平均气温较高的沿海县市蒸散量大于年平均气温较低的山区县市(图4)，其中沿海4县市区平均每年有56.6%的雨水被蒸发掉，而山区5县只有40.6%。

图3 1969～2014年闽东地区年平均蒸散量趋势

图4 近46年闽东9县市区平均蒸散量

2.3 年可利用降水资源时空特征分析

利用公式(2)计算可利用降水量，对近46年闽东9站可利用降水量场进行 EOF分解，并根据公式(8)和公式(9)进行特征根显著性检验，表1是得到的前4个特征向量的方差贡献值、特征值以及特征值误差范围。可以看出前3个特征向量是特征值在误差范围内的有价值信号，前3个特征向量占了总方差贡献的99.15%，几乎完全概括了闽东地区年可利用降水资源的分布特征。

表1 近46年闽东9站可利用降水量场EOF分解结果

2.3.1 第一模态

EOF1占总方差的97.61%，各分量的符号一致，说明空间特征呈一致的全区域分布型(图5a)，数值大体从西北向东南递减，即可利用降水资源西北山区多东南沿海少的分布特征，高值区在周宁、柘荣、寿宁等高海拔的山区县市，低值区在霞浦、福安等较低海拔的沿海县市和位置偏西南的古田县。这个特征场占有很大的权重，实际上反映的是近46年闽东地区可利用降水量的平均状态。对应EOF1的时间系数也均为正值(图5b)，反映闽东地区可利用降水量年际趋势变化，数值大的年份表示这一年可利用降水量偏多，反之则偏少，可以看出可利用降水量最少的年份出现在2003年，其次是和1971和1991年，这几年恰好是年降水量偏少的干旱年； 可利用降水量最多的年份出现在1973年，其次是2006年和2005年，这几年恰好是年降水量偏多的洪涝年。从线性趋势线可以看出，有很不明显的正趋势变化，表明46年来闽东地区可利用降水量有着微弱的增多趋势。EOF1的时空分布与年降水量的分布基本一致，因为山区降水多而蒸散少，而沿海降水少而蒸散多，使得可利用降水资源呈西北山区多东南沿海少的分布更加明显。

图5 EOF1的空间分布与时间系数

2.3.2 第二模态

EOF2占总方差的0.96%，它是东正(负)西负(正)的分布，反映的是东部县市与西部县市年可利用降水资源呈相反的特征(图6a)，即东部县市多(少)时，西部县市则少(多)。EOF2对应的时间系数(图6b)反映的是东西分布型的年际变化，线性倾向呈不明显的正趋势变化，说明近46年闽东可利用降水量出现东多西少的概率略多些，但不明显。正值代表的是东多西少的年份，负值代表的是东少西多的年份，可以看出1990年可利用降水东多西少的分布较为明显，而2003年东少西多的分布较为明显。

图6 EOF2的空间分布与时间系数

2.3.3 第三模态

EOF3占总方差的0.58%，它是北正(负)南负(正)的分布，反映的是北部县市与南部县市年可利用降水资源呈相反的特征(图7a)，即北部县市多(少)时，南部县市则少(多)。EOF3对应的时间系数(图7b)反映的是南北分布型的年际变化，线性倾向呈较显著的正趋势变化，说明近46年闽东地区可利用降水量出现北多南少的概率较多些。正值代表的是北多南少的年份，负值代表的是北少南多的年份，可以看出2009年可利用降水北多南少的分布较为明显，而1997年北少南多的分布较明显。

图7 EOF3的空间分布与时间系数

因此，闽东地区可利用降水资源可分为：全区域型、东西型和南北型等3种趋势分布特征，其中全区域型分布占绝对主导地位，虽然东西型和南北型的权重小，但也是实际存在的两种扰动分布。

3 结论与讨论

闽东地区雨水丰富，年平均降水量呈不显著的正趋势变化，年际间存在不同程度的降水丰寡，西北部山区的年平均雨量多于东南部沿海； 闽东地区年平均蒸散量呈明显的线性上升趋势，东南部沿海蒸散能力大于西北部山区。

闽东地区年可利用降水资源时空分布特征占主导地位的第一模态方差贡献高达97.61%，呈典型的西北山区向东南沿海递减的全区域型空间分布，这个分布充分说明可利用降水量受地形影响非常明显： (1)受地形抬升影响，西北山区易形成地形雨，雨量明显大于东南沿海区域。(2)海拔高的西北部山区年平均气温低，蒸散能力明显弱于海拔低的东南部沿海。由于蒸散量地域分布恰好与降水量相反，多雨区域是蒸散量较少的地方，少雨区域是蒸散量较多的地方，这样造成可利用降水资源的西北多东南少的分布愈发突出； 时间上呈不显著的线性上升趋势，近46年发生多次不同程度的洪涝和干旱灾害。第一模态的时空特征与年降水量基本一致，说明可利用降水与自然降水的关系密切。另外还存在东西型和南北型两种权重极小的扰动分布，分别仅占总方差的0.96%和0.58%，出现概率也很小。

以上结论主要表明闽东地区年可利用降水资源时空分布不均的特点，而且在气候变暖大背景下，水分蒸散量增大，水循环加速，降雨规律趋于复杂，将导致这种不均衡的加剧。水资源时空分布不均的加剧极易引发局地性的干旱、洪涝等气象灾害，给区域生产生活带来弊害。水资源管理决策者可根据闽东年可利用降水量的时空差异采取不同的应对措施，如可利用降水资源富余的西北部山区，可大力发展水力发电和农业生产，同时加强防洪排涝设施等的建设； 可利用降水资源相对贫乏的沿海区域，可构建配套的蓄、引、提、排等水工程，对局地缺水严重的推行跨区域调水，在空间上重新分配水资源，同时实行节水灌溉，提高水的利用率等措施。总之，通过闽东地区年可利用降水资源的时空特征，对水资源开发利用和保护进行科学治理，以达到防灾减灾和保障水源的目的，实现闽东地区水资源的可持续利用。

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SPATIAL-TEMPORAL CHARACTERISTICS OF ANNUAL UTILIZABLE PRECIPITATION RESOURCE IN EAST FUJIAN

Ruan Cuibing，Lin Zhong，Lin Zhaohua

(Ningde Municipal Meteorological Bureau of Fujian，Ningde 352100, China)

On the basis of monthly average temperature and precipitation data of 9 counties in east Fujian from 1969-2014, this paper calculated the annual evapotranspiration rate and the annual utilizable precipitation using the Thornthwaite method. And then, it analyzed changing trend of the annual precipitation and evapotranspiration using the linear trend estimation. Finally, it assessed the spatial-temporal change characteristics of utilizable precipitation in east Fujian using the empirical orthogonal function (EOF) analysis. The results showed that there was an insignificant increase of annual precipitation in east Fujian for the past 46 years, which was more in northwest mountainous area than that in the southeast coast; however, annual evapotranspiration in southeast coast was more than that in northwest mountainous area. Mode-1 ( accounting for 97.61% of total variance contribution) which represented the most dominant distribution characteristics of utilizable precipitation, demonstrated the spatial featuresdecreasing from northwest mountainous area to southeast coast. It meant the mountainous area had more abundant utilizable precipitation than coast; Mode-2(accounting for 0.96% of total variation) presented the reversed phase change distribution characteristics between east and west , the frequency of higher east / lower westpatternwas slightly more than higher west / lower east pattern for the past 46 years; Mode-3 (accounting for 0.58% of total variation) represented the reversed phase change distribution characteristics between north and south, the frequency of higher north / lower south pattern was comparatively more common than lower north/higher south pattern. The utilizable precipitation in east Fujian had three main distribution features: the typical decreasing spatial feature from northwest to southeast, two disturbance distribution patterns from the east to west and the north to south.

east Fujian; Thornthwaite method; evapotranspiration; utilizable precipitation; empirical orthogonal function (EOF)

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161031

2016-03-28

阮翠冰(1972—)，女，福建霞浦人，工程师。研究方向：气象服务。Email：ndrcb@163.com

S16; F323.213

A

1005-9121[2016]10-0181-07