岔巴沟流域降雨不同时间尺度的空间变异特征

杨丽虎　刘鑫　宋献方

摘要：基于黄土高原岔巴沟流域13个雨量站2004-2006年5 min降雨数据资料，分析了流域2h、6h、24 h、3d、7d、月和年（5-10月）等7个时间尺度的降雨量空间变异特征。结果表明：①以曹坪雨量站为代表的单站5-9月降雨量占全年的900/e以上，其中7-8月以中雨和大雨、暴雨为主，降雨量占年降雨量的60% - 80%。②不同时间尺度降雨量的空间变异程度不同，2、6、24 h最大降雨量的变异系数C。分别为0.27 - 0.93、0.06 - 0.81、0.06 - 0.69，呈减小趋势;3d到7d尺度上C_v值并非一直减小;月降雨的C_v以6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v为0.05 - 0.11。③暴雨中心在2004年、2005年分布在流域上游，2006年则移至下游。降雨量的空间变异性随着丰水年水汽运移强度增大及降雨量增大而减小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空间不均匀性的主要原因。

关键词：空间变异;时间尺度：降雨;岔巴沟流域;黄土高原

中图分类号：TV856;TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn。1000-1379.2019.03.001

黄土高原位于我国干旱半干旱地区，水资源极度匮乏[1]，其主要补给来源是降雨，但降雨比较集中且多为暴雨，分布极不均匀，因此研究降雨的时空变化特征，对于该地区水资源的形成具有重要意义。近年来，我国学者在降雨量时空变化方面开展了许多研究，主要以日降雨资料为基础分析年内降雨集中度及集中期[2]、侵蚀性降雨量[3]、10 a尺度的降雨量动态变化[4等，但小时尺度的分析研究较少，而黄土高原的降雨土壤人渗量与小时尺度的雨强有很大关系5，因此分析小时尺度降雨的变化特征就顯得特别重要。

岔巴沟流域作为黄土高原最具代表性的小流域，水文循环试验研究的基础比较好[6-9]。中国科学院地理科学与资源研究所与黄委共同建立了岔巴沟流域水循环试验基地，流域内布设有13个雨量站。本文基于13个雨量站2004-2006年的降雨观测数据，分析2h、6h、24 h、3d、7d、1月、年（5-10月）等7个时间尺度降雨量的空间变异特征，以期为黄土高原地区降雨人渗量、产流量、侵蚀量、地下水补给量的计算提供基本的理论依据。

1 研究区概况

岔巴沟流域位于陕西省北部子洲县境内，是黄河中游支流无定河的二级支流，流域面积为205 km2，曹坪雨量站以上面积为187 km2，流域中心位置为北纬37°43′、东经109°55′，高程897 -1 302 m，西北高、东南低，属典型的黄土丘陵沟壑区（见图1）。根据1959-2006年的降雨量资料可知，流域内最大年降雨量为636 mm（1978年），最小为218 mm（1997年），多年平均降雨量为389 mm，其中1959-1970年平均降雨量为448 mm，1971-2000年每10 a的平均降雨量分别为352、389、349 mm。流域年内降雨分配极不均匀，90%以上集中在5-9月，且以大雨强短历时暴雨为主，最大雨强为3.5 mm/min，大雨强降雨过程具有很强的空间变异性[7]。

2 数据获取与分析方法

项目组观测了研究区2004-2006年5-10月的降雨量，观测仪器为南京水利水文自动化研究所研制的JDZ-I型雨量数据采集器，观测最小时间间隔为5min，以每日早8时到次日早8时作为当日降雨量。

本文采用5 min降雨数据分析流域内单站各时段最大降雨量为暴雨的降雨量空间变异性。历时2h、6h降雨的暴雨标准分别为18.7、31.6 mm[10]，24 h暴雨的等级划分采用气象标准。有学者认为应用地统计学方法（如协克里格法）对黄土高原降雨进行插值的效果更好[11-12]，但由于研究区雨量站点密集，不同插值方法的差别不大[13]，因此采用反距离权重法进行空间插值。空间变化指标采用面雨量离差系数C_v、流域空间极端降雨比值系数α（最大、最小点降雨量的比值）和降雨不均匀系数η表示[14]，其公式分别为

3 结果与讨论

3.1 典型站降雨基本特征

以典型雨量站——曹坪雨量站为例，分析单站的降雨基本特征。2004-2006年曹坪站降雨量分别为351.4、356.0、519.5 mm，根据多年降雨序列分析，2004年、2005年均为平水年，2006年为丰水年。这3a日降雨量大于1 mm的天数分别为47、38、49 d（见图2），90%以上的降雨集中在5-9月，其中以7-8月最多，2004-2006年7-8月降雨量占全年的比例分别为51%、42%、57%。7-8月降雨以中雨、大雨和暴雨为主，瞬时雨强在60 mm/h以上甚至达到180 mm/h，20min最大降雨量为14.4 mm，th最大降雨量为27.0mm，2、6、24 h最大降雨量分别为33.0、52.8、100.2 mm（见表1），2004-2006年最大场次降雨量分别为54.4、46.4、100.8 mm，其他月份以中小雨为主。

从降雨历时来看，2004年有4场降雨历时为24 -40 h，2005年有3场降雨历时为18 - 31 h，2006年降雨历时最短，一般持续6-12 h，最长为18 h。降雨类型方面也有较大的年际变化，2004-2005年每年有6-7场中雨，降雨量占年降雨量的30%;3 -4场大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的30% - 40%。2006年中雨场次增至13场，降雨量占年降雨量的36%;4场大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的48%。整体来看，曹坪站的降雨表现为短历时中到大雨。

3.2 不同时间尺度的空间变异特征

（1）2、6h及24 h最大降雨量6]。图3-图5分别为2、6、24 h最大降雨量的空间分布，在分组对比时综合考虑了降雨历时及空间变异性等因素，以便对比长历时降雨在不同时间尺度的空间变异。2h最大降雨量的空间变异最显著，C_v、α、η的变化范围分别为0.24-0.93、1.90-64.75、0.30 - 0.74，大部分为a>3的局地暴雨。2h最大降雨量分别为62.2 mm（2004年8月19日）、51.4 mm（ 2005年8月2日）、40.2 mm（ 2006年7月30日）（见图3）。6h尺度上大部分降雨的空间变异性减小（见图4），C_v、α变化范围分别为0.06 -0.81、1.11- 10.54.η基本不变，局地暴雨所占比例下降。24 h最大降雨量分别为96.0、76.0、100.4 mm（见图5），均发生在8月，C_v、α分别为0.06 - 0.69、0.47 -

4.31，η增大为0.43 -0.92。

（2）3 d和7d最大降雨量。2004-2006年3d最大降雨量的均值分别为63.1、56.7、106.5 mm，极差分别为65.8、37.2、17.2 mmn从3d到7d尺度上，C_v值并非一直减小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v.值和极差反而大于3d最大降雨量的（见图6），7d最大降雨量分别为74.3、93.4、131.8 mm，极差都在60mm左右。

（3）月降雨量及年（5-10月）降雨量。各站月降雨量的变化大致与曹坪站相似，7-8月降雨量占年降雨量的比例平均值为58%（见表2），其中：2004年所占比重为46%（桃园山）- 73%（李家墕），平均为61%;2005年为45%- 63%，平均为55%;2006年则为50% - 65%，平均为59%。从空间分布上来看（见图7），2004年6月空间变异最大，C_v，为0.34;2005年9月空间变异最小，C_v为0.09，空间变异性与3d和7d最大降雨量基本相当。

2004-2006年岔巴沟流域年均降雨量分别为360.3、378.0、502.9 mm，C_v分别为0.07、0.11、0.05，α值分别为1. 34、1.46、1.22。2004年降雨量最大值为420.8 mm（马虎墕）;2005年降雨量最大值为458.0 mm（朱家阳湾），最小值为313.6 mm（姬家硷）;2006年最大降雨量为557.0 mm（桃園山），最小值为457.2 mm（马虎墕）。2006年各站平均降雨量比2004年、2005年的分别大142.6、124.9 mm。岔巴沟流域各站2004-2006年总降雨量与高程之间并没有体现出明显的高程效应。

（4）局地降雨特征分析。11场暴雨的降雨中心以及主要降雨（主雨）历时见表3。对比不同时间尺度降雨量的空间变化可以看出，2004年的暴雨中心在李家墕、马虎墕，2005年在朱家阳湾、王家墕，2006年则移动至曹坪、牛薛沟和桃园山三站。整体来说，2004年、2005年的降雨中心在流域上游，2006年则移至下游。

从时间上来看，暴雨主要发生在7-8月，降雨历时短、雨强大，如2004年8月10日16时到18时李家墕站降雨量为51.8 mm，8月18日6时到8时降雨量为62.2一，两次降雨占该月降雨量的57%。该类暴雨降雨中心的雨强很大、主雨历时很短且笼罩面积小[10]，空间变异性很强。长历时的大雨、暴雨主要发生在8月下旬及9月，这类降雨的空间不均匀性减小（η为0.43 -0.92），主雨持续14-28 h，如2006年8月29日桃园山站10 h降雨量为92.2 mm，2h降雨量超过20 mm的时段有4个，叼高达0.92。由此也可以看出，降雨量的空间变异性随着丰水年水汽运移强度增大、降雨量增加而减小，水汽的运移强度及影响范围对降雨的空间分布有重要影响。

为分析局地降雨所占的比例，定义α≥5的中小雨或α≥2的大雨为局地性降雨。2005年5-10月共有局地性降雨32次，累计降雨量为206.5 mm，占总降雨量的55%，5-9月每月的局地性降雨都在5次以上，其中8次局地性暴雨出现在7-8月，累计降雨量占总降雨量的40%。2006年有局地性降雨28次，累计降雨量占总降雨量的40%，其中局地暴雨5场（占24%）。这说明局地性强的对流性降雨和大尺度平流降雨是研究区的主要降雨类型12，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空间不均匀性的主要原因。

丰水年的2006年降雨在各时间尺度上的C_v均最小，表明丰水年降雨的不均匀性受季风强度增强、水汽混合作用强的影响而有所减弱，而在平水年的2004年、2005年，降雨水汽在形成过程中所经历的混合作用较弱，局地降雨所占的比重很大。尽管如此，2006年7d最大降雨量的变异性反而大于3d最大降雨量的（见图6），说明局地性的对流性降雨始终是研究区的一种普遍降雨类型。也可以看出，黄土高原丘陵沟壑区降雨的不均匀性非常显著，时间尺度越小，点降雨量的代表性越弱，因此降雨的时空变异性是整个流域土壤人渗、地下水补给研究的前提。

根据各站的降水量进行相关性分析结果，可将13个站分为5组，每组的站间距一般小于5 km。位于流域西北分水岭附近的最高点——和民墕单独编为第①组;第②组的5个站（刘家墕、朱家阳湾、万家墕、王家墕、牛薛沟）沿主河道走向呈条状分布，最大间距为12.8 km;第③组包括李家墕、马虎墕两站：第④组包括杜家山、姬家硷、小姬三站;第⑤组包括桃园山、曹坪两站。降雨量相关系数与站间距的分析结果表明，站间距是影响雨量空间变异性的首要因素。同时，海拔和流域地形地貌条件影响下的水汽运移也是不可忽视的因素，研究区的点降水量代表性非常有限。此次分组结果可为雨量站的布设提供参考。

4 结论

（1） 2004-2006年，曹坪雨量站7-8月以中雨、大雨、暴雨为主，其他月份以中雨、小雨为主。每年有3-4场大雨、暴雨和6- 13场中雨，占全年降雨量的60% - 80%。

（2）在不同时间尺度上，空间变异性表现出不同的特征。2h尺度上降雨空间变异性显著，2h最大降雨量的变异系数C_v为0.27 -0.93.6 h尺度上降雨空间变异性减小，24 h最大降雨量的C_v为0.06 - 0.69;从3d到7d尺度上，C_v值并非一直减小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v，值和极差反而大于3d的;月降雨量的C_v为0.09 - 0.34，其中6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v为0.05 - 0.11。

（3）2004年、2005年暴雨的降雨中心位于流域上游，2006年移动至下游。降雨量的空间变异性随着丰水年水汽运移强度增大、降雨量增加而减小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空间不均匀性的主要原因。

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