辽宁省降水和旱涝的特征分析

李华欣

(庄河市林业水利服务中心，辽宁庄河 116400)

降水量的大小是影响区域水资源丰枯状况的关键性因素，大气降水通常是补给地表与地下水的主要来源，所以在预报分析水文水资源过程中应先对该区域的降水量进行预报［1］。降水过程因受复杂多样的气候条件影响，往往存在诸多的随机性与不确定性，对未来某时段的降水量数值预测还未形成较为系统、完善的物理成因分析方法。随着科技发展与进步，降水量丰枯状态预测的方法发生了很大变化，基于人工智能的人工神经网络、SVR支持向量回归等方法在降水量预测分析中得到广泛应用。

辽宁省位于我国东北地区南部，南临黄海、渤海，东与朝鲜相接，面积14.8万km2；属于大陆性季风气候，冬冷干燥、夏热多雨，年降水量为600～1100mm，由于其独特的地理特征和环境气候，年际水资源量呈现出典型的周期性丰枯变化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和强降雨的形式出现。水资源补给以大气降水为主，主要包括降水入渗补给和地表径流量两大部分，年均水资源量约为341.79亿m3。境内主要包括大凌河、辽河、浑河、太子河、绕阳河等河流，东南部与渤海相邻，降水量较为充足；西北区域降水较少且风沙干旱现象较为频繁。境内约80%以上的区域处于极度或重度缺水状态，且已经具有较高的水资源开采程度。近年来，为满足区域经济发展的需求，辽宁省各行业用水量急剧增大，水资源过度开发利用致使地下水位与地表水资源量持续下降。因此，对辽宁省近50年的降水量和旱涝特征的研究分析，对于制定科学合理的水资源管理以及洪涝灾害的预警措施具有重要意义。

1 时间分布上的降水特征

1.1 年际降水分布特征

根据辽宁省53个气象站1962—2013年的观测数据，提取逐年降水量数据并运用算术平均法得到辽宁省年均降水量为 850.2mm，其中 1994—2013年、2009—2013年期间的平均降水量分别为826.5mm和784.0mm，呈现出缓慢的下降趋势。年降水量最大值为1998年的 1206.5mm，最小值为 2006年的460.7mm，最大与最小极值比为2.62，最大、最小降水量与多年平均比分别为1.4倍与0.5倍。可利用5点滑动平均法消除数据的周期变化，从而更好地揭示降水量序列变化趋势，拟合方程如下：

对辽宁省1962—2013年的5点滑动平均、多年平均以及逐年降水量数据进行整理分析，结果显示辽宁省近50年降水量整体呈现出缓慢的下降趋势，其中1985—1990年与2002—2007年期间的平均降水量为826.4mm、615.0mm，两者相差211.4mm，研究期间的拟合方程为

根据降水量年际变化趋势可知，辽宁省年际降水量在20世纪70年代正常，中期偏多；80年代前期较少，中期偏多；90年代至后期偏少。由此说明，该区域年际降水量变化较大。对比分析53个气象站监测数据可知，各气象站年际降水量变化整体具有一致的变化趋势。各气象站降水量自21世纪以来基本处于平稳状态，未出现较为显著的波动趋势，1995—2004年降水量呈上升趋势，2004年后呈下降趋势。辽宁省各气象站降水量监测值表现为大连站最大，铁岭站变化最小，其他站变化规律不明显［1］。

1.2 年内降水分布特征

对区域降水量的预测分析不仅可为区域水资源供需关系与工农业的发展规划提供一定参考，而且在预警洪涝灾害方面发挥着重要作用。利用1962—2013年53个气象站各月监测资料对辽宁省年均降水量年内分配状况进行计算，结果见图1。

图1 辽宁省1962—2013年降水量年内分配值

由图1可知，辽宁省多年平均降水量主要分布在6—9月，并具有明显的集中降水特征，其中7月降水量最大，为237.1mm，占年降水量的28.0%以上，其次为8月，降水量为185.2mm，降水量较低的月份主要为1月、2月、12月，均低于全年降水量的1%。辽宁省夏季(6—8月)降水量为528.8mm，占年降水量的60%以上，而冬季(12月至次年 2月)降水量较低，为24.4mm；其他两个季节降水量相差不大，占年降水量的15%左右。由此表明：在季节分配上降水量呈现出极不均衡的特征。每年的6—9月为辽宁省汛期，历年60%以上的降水量分布在这个时期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大达到85%以上，而在2007年占比最低，为56.4%，由此说明汛期降水是决定辽宁省降水丰枯的主要因素［2］。

1.3 丰枯变化规律

利用距平百分率法对辽宁省1962—2013年降水量进行分析，降水丰枯统计结果见表1，年降水量偏多的年份有20个，正常降水年有17个，降水偏少的年份有15个，所占比重分别为28%、33%、29%。降水量偏多在40%以上的年份为2000年，在10%～19%的共有8年。降水量偏少，在-10% ～-19%的共有8年。从以上分析可以看出，降水量高于多年降水平均值的年份有3个，低于多年降水平均值的年份有49个；由此表明干旱少雨为辽宁省降水的主要特征。

表1 辽宁省降水丰枯特征

1.4 年降水量变化趋势

随着科技进步及社会发展，辽宁省工农业经济发展及城镇建设对水资源的需求量迅速增加。水资源管理中的水资源供需矛盾突出、局部区域洪涝与干旱灾害严重、暴雨强降水等问题使城市防洪排涝压力增大［2-4］。辽宁省降水量模比系数计算公式为

式中：Hi、H0分别为第i年和多年平均降水量，mm。

为更好地反映降水量年际丰枯变化趋势，可根据1962—2013年降水数据计算，点绘辽宁省降水量模比系数差积曲线，公式为

式中：C为差积系数代数和。

丰水期与枯水期分别为差积曲线上升与下降区段，辽宁省1962—2013年降水量模比系数见图2。

由图2可知，辽宁省降水量差积曲线在1966—1978年整体呈现下降趋势，由此可认为该时期处于枯水段；随后在1978—1986年呈现上升趋势，该时期为丰水段，变化周期相对较短；在1990—2012年呈现先上升后下降的趋势，丰水与枯水段交替出现；自2002年以来辽宁省已经连续多年处于降水偏少状态［5］。

图2 1962—2013年降水量模比系数

1.5 最大1日面降水分析

选择各气象站最大降雨日期降雨量作为年最大1日面降水，然后以本年权重较大单站或较多的单站降水量为先选，统一对同一时段的雨量进行计算并取均值［6］。分别将 24h降水 0～9.9mm、10.0～24.9mm、25.0～49.9mm、50.0～99.9mm和100.0～199.9mm作为小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨，然后按照此标准对各气象站降水量进行分类。结果显示，最大1日降水发生在7月的气象站共有21个，发生在8月的有35个。研究期间发生大暴雨的次数共有8次，分别为7月4次、8月4次；在7月、8月、9月发生暴雨的次数分别为12次、15次、6次，辽宁省暴雨和强降雨主要发生在每年的7—9月。

2 空间分布上的降水特征

2.1 降水量频率

通过对模型参数的求解，满足适线准则达到最优化程度即为水文频率分析优化适线法的基本理论和本质。按照从大到小的次序将辽宁省1962—2013年降水量进行排序，根据皮尔逊Ⅲ型最佳适线法和参数分析结果对辽宁省不同频率下年降水量分布进行确定［7］，其中偏差系数Cv为0.3，变差系数Cs为0.5。分析结果见表2。

表2 辽宁省不同频率下的年降水量

由表2可知，在50%以上频率下辽宁省降水量不能保证达到多年平均值，并且降水量在洪涝干旱时期相差较大。

2.2 空间变化特征

对多年平均降水量按照不同的气象站进行整理分类，结果表明：在时空分布上年均降水量相差较大，其中大连站的年均降水量最大，为1026.8mm；其次为丹东站，年均最大降水量达到935.2mm；而铁岭站年均降水量最低，为536.1mm。辽宁中部区域各气象站年均降水量相差不大，在680.6～850.1mm之间。辽宁省东南部区域降水较多，西北区域降水较少并且风沙干旱现象较为频繁［8］。

2.3 旱涝降水周期

对辽宁省旱涝降水是否存在低频振荡周期进行研究分析，并在此基础上对其差异性进行检验。利用功率谱分析和Morlet小波法对辽宁省1962—2013年的降水距平合成序列进行计算，结果表明：在30天内降水具有显著的谱峰，除10天振荡外，旱期降水具有明显的低频振荡。对比分析旱涝降水距平可知，10天的明显振荡周期主要出现在7月下旬以后，由此表明：降水量旱涝降水周期特征以小于10天为主。功率谱分析的14个典型年份旱涝状况中，存在小于10天的明显振荡周期的共有7年，存在大于10天的显著振荡周期的共有4年并且主要发生在30～60天。总而言之，辽宁省旱涝降水周期除了存在低于10天周期外，低频率振荡也存在较为显著的特征。小于10天的高频振荡是典型涝年的主要特征，30～60天的季节内振荡和10～20天的准双周振荡为低频振荡的主要特征。随着时间的推移降雨序列逐渐增大并具有更好的代表性资料，因此可结合定量分析方法开发1个即时系统，通过输入新的数据资料开展在线预报，从而保证降水预测的有效性与实时性［9-12］。

3 结论

本文基于辽宁省53个气象站1962—2013年降水量监测资料，对该区域的降水变化规律和旱涝特征进行研究分析，得出的主要结论如下：

a.辽宁省年均降水量为850.2mm，降水量具有明显的周期性变化规律，其中年降水量最大值为1998年的1206.5mm，最小值为2006年的460.7mm，最大与最小极值比为2.62。降水量在20世纪70年代正常，中期偏多；80年代前期较少，中期偏多；90年代至后期偏少，整体呈现波动性下降趋势，丰水与枯水段交替出现。

b.在季节分配上降水量呈现出极不均衡的特征。每年的6—9月为辽宁省汛期，历年60%以上的降水量分布在汛期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大，达到85%以上，而在2007年占比最低，为56.4%，由此说明汛期降水是决定辽宁省降水丰枯的主要因素。

c.在时空分布上年均降水量相差较大，其中大连站的年均降水量最大，为1026.8mm，其次为丹东站，年均最大降水达到935.2mm，而铁岭站 年均降水量最低，为536.1mm。辽宁中部区域各气象站降水量相差不大，在680.6～850.1mm之间。

d.辽宁省旱涝降水周期除了存在低于10天的周期外，低频率振荡也存在较为显著的特征。小于10天的高频振荡是典型涝年的主要特征，30～60天的季节内振荡和10～20天的准双周振荡为低频振荡的主要特征。