山西省近61年降雨时空变化分析

2021-09-26张乾回晓莹张永杰

水利水电工程设计 2021年2期

张乾回晓莹张永杰

近年来，气候变化和人类活动对水文循环产生了深远的影响[1]，洪涝、干旱等灾害发生的频率有所增加。降雨是水文循环的基本组成部分，也是水文研究最重要的输入变量之一。降雨量的时空分布及变化决定了区域水资源量在时间和空间的分配。

山西省地处华北地区西部，黄土高原东部，北跨长城与内蒙古自治区相邻，南隔黄河与河南省相望，独特的地理位置和地貌格局使其气候规律更加复杂。省内降雨季节性强，时间和空间分布不均，洪涝发生频繁。客观的分析山西省降雨时空分布特点及变化趋势，对山西省防汛抗旱及水资源合理开发利用和管理具有重要的意义[2]。

1 资料选取及研究方法

以山西省为研究对象，在全省11个地市中选取太原、阳曲、大同、左云、河津等22处资料较为完整的雨量站1956—2016年逐月降雨量资料，采用线性回归法、滑动平均法、模比系数差积曲线法和克里金插值法等，对山西省年降雨量、汛期降雨量和非汛期降雨量的空间分布和趋势变化进行分析。山西省地形地貌及雨量站分布如图1所示。

2 降雨时间变化特征分析

2.1 年际变化

采用算术平均法和泰森多边形（如图2所示）法计算山西省多年平均降雨量，两者结果接近，分别为503 mm和502.7 mm。利用线性回归、滑动平均和模比系数差积曲线法分析表明，山西省近61年的降雨量呈下降趋势，下降速度为12.2 mm/10a。从5年滑动平均来看，年降雨量在1980年前后开始平稳下降，1995年之后明显减少，但在2010之后有所回升。年降雨量极大值为721.2 mm，出现在1964年；年降雨量极小值为310.5 mm，出现在1965年；极值比为2.32，如图3所示。

图2 山西省雨量站泰森多边形

图3 山西省1956—2016年年均降雨量

近61年降雨量模比系数差积曲线（如图4所示）显示，山西省1956—1964年总体处于丰水段，其平均值比多年平均值大16%；1965—1979年和2010—2016年总体为平水段；1980—2010年为连续枯水段，其平均值比多年平均小5%。

图4 山西省年降雨量模比系数差积曲线

2.2 年内分配

山西省降雨量年内分配极不均匀且十分集中，全年降雨量主要集中在汛期（6—9月）。通过对选取的22个雨量站1956—2016年逐月降雨量进行统计分析，其汛期降雨量占全年降雨量的62.9%～76.6%，平均为72.4%；其中主汛期（7—8月）占全年降雨量的36.3%～50.4%，平均为46.6%；7月份降雨量平均占全年的24.7%。山西省近61年的汛期降雨量和非汛期降雨量都呈下降趋势（如图5、6所示），下降速度分别为10 mm/10a和2.2 mm/10a，汛期降雨量较非汛期降雨量下降明显。汛期降雨量极大值为502.1 mm，非汛期降雨量极小值为77.0 mm。

图5 山西省1956—2016年汛期平均降雨量

3 降雨空间变化特征分析

3.1 年降雨量空间分布特征

图6 山西省1956—2016年非汛期平均降雨量

受地形、气候、地理位置等多重因素的影响，山西省多年平均降雨量在空间分布上很不均匀[3]。采用克里金插值法绘制山西省1956—2016年多年平均降雨量等值线图，如图7所示。

图7 山西省多年平均降雨量等值线图

山西省降雨量在空间上具有明显的经向性[4]，由东南至西北逐渐递减，东南部的太行山区和中条山区及东部的五台山区为全省降雨高值区，太行山区及中条山区降雨量在500～600 mm，五台山区降雨量在600 mm以上。降雨量受地形影响大[5]，盆地少，山区多，大同盆地、忻州盆地和太原盆地为全省降雨低值区，其中大同盆地降雨量最少，年降雨量在400 mm左右。

3.2 分期降雨量空间分布特征

汛期等值线（如图8所示）分布和主汛期降雨等值线（如图9所示）与全年降雨等值线分布情况类似，呈经向分布，运城盆地汛期降雨量较周围高。汛期平均降雨量为281.3～549.2 mm，主汛期平均降雨量为178.8～352.9 mm。非汛期降雨介于95.7～228.6 mm之间，除五台山区海拔较高为降雨高值区外，非汛期降雨分布由南至北递减，且东西部基本对称（如图10所示）。