基于59年同期资料的承德市降水量时空分布及变化特征研究

赵明钰

(河北省承德水文水资源勘测局，河北 承德 067000)

0 引 言

近十几年来，全球气候变化和异常作为全球十大环境问题之首，引起各国政府和科学界的广泛关注。我国是世界气候脆弱区之一。气候异常给我国带来严重的气候灾害，尤其是旱涝等重大气候灾害造成的损失占国民经济生产总值的3%～6%。由于气候灾害的严重性，我国重大气候灾害的特征、成因及预测已成为我国科学界的前沿研究课题。

作为气候变化的重要指标，降水特征也发生了变化。极端天气发生频率增加，由降水异常引起的干旱、洪涝等气象灾害对工农业生产、人民生活产生重大的影响，严重威胁到生态系统和社会经济的发展。

1 国内外研究进展

针对近年来极端天气的日趋频繁，国际上对降水的形成机制、影响因子、分布规律等开展了大量研究工作。降水日数、无降水日数、降水强度、不同日降水量对总降水的贡献率引起人们的关注和研究[1-2]。在国内，随着降水理论的形成和发展，其优势逐渐引起许多水科学工作者的重视并引入水文水资源研究中。张少文等[3]基于小波变换与李氏指数的分析方法，对水文时间序列多尺度变化的突变特征进行了探讨；张国宏[4]等利用山西省近45年降水量资料，研究全省降水变化，结果表明东亚季风对山西省年降水量空间分布的影响十分明显，年降水量的下降趋势十分显著；潘杰[5]利用线性回归、小波分析、滑动平均曲线等方法分析了常州地区降水量时空分布特征，说明近35年来常州地区降水量总体呈增加趋势。

截止目前，国内外对极端气候变化的研究已具一定水平，但是极端气候事件存在着明显的区域差异[6]。近年来，极端气候尤其是极端降水出现得愈发频繁，而相关研究还是比较薄弱。通过对降水规律的分析，不仅可提高对其变化规律的认识，而且对研究区的未来降水变化评估提供了一定的科学依据，提高灾害性天气的预测水平，增强防灾减灾的能力。

2 数据来源及研究内容

本次降水量特征分析采用1956～2014年同步期降水量系列资料。通过对单站降水量、分区降水量计算，分析承德市降水量空间分布与降水量年内分配及特征等，可以充分了解在气候变化的条件下，降水量对水资源量的变化影响，

3 研究方法

根据承德市具有代表性的气象站1956～2014年同步期降水量系列资料，计算与分析城市区域降水量特征分布，单站降水量均值统一采用算术平均值，采用适线法时不做调整。Cv值采用矩形法计算，再用适线法进行调整确定。经验频率采用数学期望公式计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线[7]。全市降水量系列是根据单站资料用网格法计算而得。对各分区面平均降水量系列进行频率计算，得出各分区面平均降水量特征值。

4 结果分析

4.1 单站降水量

承德市单站降水量经验频率采用数学期望公式P=m/(n+1)×100%进行计算；频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线。根据各选用雨量站1956～2014年系列计算结果来看，降水量均值介于329.6～803.7 mm之间，变差系数Cv值介于0.17～0.33之间。偏差系数Cs值的取值一般用Cs/Cv值来反映，Cs/Cv的选用值以最佳适线值为准，全部在2.0～5.0之间。在适线时，对系列中出现的特大值、特小值一般未做处理。

4.2 分区降水量

全市降水量系列是根据单站资料用网格法计算而得。对各分区面平均降水量系列进行频率计算，得出各分区面平均降水量特征值。

通过统计计算分析，承德市1956～2014年的59年中，全市多年平均年降水总量为205.059 4×108m3，折合降水深519.1 mm，20%、50%、75%和95%频率降水量分别为593.3、509.0、451.0和387.2 mm。从各水系来看，滦河、北三河、辽河和辽东湾水系多年平均降水量分别为521.4、541.1、465.0和483.3 mm，承德市分区各县年降水量特征值见表1，不同频率降水量变化见图1。

表1 承德市各县降水量特征值

图1 不同频率下的降水量值雷达图

4.3 降水量时空分布特征

4.3.1 降水量空间分布

承德市降水总体趋势自北向南逐渐增加，北部降水深360～480 mm，中部降水深480～600 mm，南部600～760 mm。在围场北部大光顶山、平泉东南部、兴隆地区由于地形的抬升作用，形成3个多雨区，兴隆、宽城南部沿长城一线水量最大，多年平均降水在700～760 mm左右；而丰宁小坝子、四岔口乡及坝上地区年降水量在360～400 mm左右，是承德市的少雨地区。

从计算结果可以看出，承德市县、各水系5年滑动平均和10年滑动平均变化趋势基本相同，降水量的年际变化各分区都相对比较稳定，且各分区的差别不大。丰水年份主要有1959、1964、1973、1978和1990年等，枯水年有1961、1984、2002和2009年等，且自1999年以后，降水量整体偏小。

根据承德市降水量分析，计算得到承德市各县、各水系1956～2014年、1956～1979年、1980～2014年等3个不同统计系列的特征值。结果表明，承德市24年(1956～1979年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保证率P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分别增加了5.07%、6.51%、4.79%、3.30%，说明24年中1956～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保证率为P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分别减少了3.47%、3.80%、2.56%、2.39%，说明35年(1980～2014)系列偏小，变化趋势见图2。

根据分区的各县统计结果分析，24年(1956～1979年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德县、承德市和兴隆县的95%频率的降水量略有减少外，其它区域均有不同种度的增加，增加幅度为0.57%～10.86%。其中，隆化县相差最小，年均值系列相差3.77%；兴隆县相差最大，年均值系列相差7.22%。而35年(1980～2014年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德市区和承德县95%频率略有增加外，其它区域均有不同种度的减少，减少幅度从0.75%～5.74%。其中，围场县相差最小，年均值系列相差1.78%；兴隆县相差最大，年均值系列相差4.95%。

图2 24年与59年及35年与59年在不同平率下降水量变化趋势对比图

从各流域统计成果来看，24年(1956～1979年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，除北三河水系的95%频率的降水量略有减少外，其它水系均有不同种度的增加，增加幅度为1.03%～23.31%。其中，滦河水系相差最小，年均值系列相差4.71%；辽东湾水系相差最大，年均值系列相差10.38%。35年(1980～2014年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，各水系均有不同种度的减少，减少幅度为1.89%～8.07%。其中，滦河水系相差最小，年均值系列相差3.23%；潮河干流相差最大，年均值系列相差7.12%。主要原因是1956～1959年承德市大部分区域发生了1957年来最大的一场全流域大范围降水，而1999～2014年降水量相对偏少，处于枯水期。

4.3.2 降水量年内分配

承德市降水量的年内分配多采用接近设计值选择典型年的方法。各分区代表站和典型年的选取，根据不同频率年降水量特征值，挑选若干年降水量与特征值接近的实际年份，然后从中选出资料较好、月分配不利的年份作为典型年的代表。从降水量年内分配表中可以看出，全年降水量近62.1%～86.9%集中在汛期(6～9月份)，而汛期降水量又主要集中在7、8两个月。非汛期降水量约占全年降水量的13.1%～37.9%，非汛期又以4、5、10三个月所占比重较大。

5 结 语

本文对承德市具有代表性气象站点的1956～2014年降水时间序列的变化规律进行了初步的研究探讨，同时对单站降雨量和分区降雨量进行计算。通过计算结果，分析承德市降水量时空分布特征，降水量24年(1956～1979年)与59年(1956～2014年)系列相比，说明24年中1956年～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)与59年(1956～2014年)降水量系列相比，说明35年(1980～2014年)系列偏小。降水量年内分配主要集中在汛期(6～9月份)，从流域角度分析，水系降水量均有不同种度的增加。

气候变化是当前研究的热点问题，20世纪后期人们开始关注造成气候变化的各种因素，如行星风、大气环流、洋流以及人类活动等对水资源和全球水循环在时间和空间上的影响[8-9]。本文仅以降水资料为研究对象，今后可以将降水规律与降水机制形成、各地区下垫面情况等结合起来，对分析降水异常等极端天气有重大意义。