近60年来长子县降水量变化特征

2021-10-22张娇娇

山西水土保持科技 2021年2期

张娇娇

（长治市水文水资源勘测站）

全球气候变化及人类活动对水资源的影响已成为世界关注的重要课题，IPCC《全球1.5℃增暖》特别评估报告中指出，2017年全球气温已比工业化前水平大约高出1℃，如果以当前的速率继续升温，全球气温将在2030-2052年比工业化前水平高出1.5℃[1]，这将导致有些地区强降水天气增加或者干旱（降水不足）的概率上升。因此，研究区域降水变化规律，对工业、农业等领域都有重要意义。

近些年来，大量学者针对降水量变化特征进行了研究分析，罗建维利用宾川县64 a 资料，采用线性趋势法、Mann-Kendall、Morlet 小波等方法分析出宾川县降水年内分配不均，呈丰枯交替出现，时间尺度变化规律[2]；王一鸣等采用线性趋势方法对良县降雨量变化特征进行了分析[3]；罗应忠等使用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall 突变检验等方法对盘州市年降水量和各季节降水量进行时了分析，得出降水量总体呈下降趋势，6、7月是夏季出现降雨最多的月份[4]；赵静敏等利用频率法对长治市的降水特性进行了分析[5]。本文基于长子县6 个雨量站（图1）近64 a 实测降雨资料，采用P-Ⅲ频率曲线法、一元线性回归、模比系数差积曲线、滑动平均、小波分析等方法进行降水特征分析，可为研究区农业生产提供可靠依据。

1 区域概况

长子县位于山西省东南部，地处黄土高原南部，上党盆地西侧。境内地势西高东低，为太岳山向长治盆地的过渡带，海拔在900～1 000 m 之间，最低处的董村一带海拔907 m。属北方暖温带半湿润半干旱大陆性气候，四季分明，季风强盛，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，全年日照充足。

长子县是山西省农业大县，是国家农业部授予的“中国青椒之乡”、“山西省粮食基地县”。农业生产条件优越，素有“米粮川”之称，主要农作物品种有玉米、谷子、小麦、高梁、薯类、烟草、蔬菜等。

2 数据来源与研究方法

研究数据选用长子县6 个雨量站1956-2019年降水量资料，分别为良坪站、马箭站、阳鲁站、长子站、西范站和东万户站（见图1），平均站网密度为177 km2/站，基础资料全部采用整编和审查后的实测降雨量资料。利用P-Ⅲ频率曲线法、一元线性回归、模比系数差积曲线、滑动5年平均、Morlet 小波分析等方法，对长子县1956-2019年系列的年、月降水量变化进行特征分析。

图1 长子县降雨量站点分布图

3 降水量变化特征分析

3.1 年际变化分析

3.1.1 丰枯特征分析

降水量的变化规律受气候、纬度等多种因素影响。长子县位于中纬度地域，处在季风气候控制范围内，季风强盛，降水量的年际变化大，并有丰水段和枯水段交替出现的规律。

通过P-Ⅲ频率曲线法对长子县降水量进行频率分析计算。经计算分析，长子县多年平均降水量1956-2019年为617.0 mm，折合水体65 402 万m3。系列中年最大降水量出现在2003年，为1 011.9 mm，年最小降水量出现在1997年，为401.3 mm，值比2.52。偏丰水年（P=20%）降水量727.0 mm，比多年平均值偏多17.8%；平水年（P=50%）降水量607.0 mm，比多年平均值偏小1.6%；偏枯水年（P=75%）降水量521.0 mm，比多年平均值偏小15.5%；枯水年（P=95%）降水量412.0 mm，比多年平均值偏小33.2%，详见表1。

表1 长子县1956-2019年降水量特征值表

按年代分析（表2）可知：1956-1960、1961-1970、1971-1980 和2001-2010年普遍偏丰，与多年平均降水量相比，分别偏丰2.8%、10.0%、2.9%和3.2%；其他各年段：1981-1990年偏枯8.9%，1991-2000年偏枯5.6%，2011-2019年偏枯3.4%。由图2可知，长子县多年平均降水量总体呈下降趋势，倾向率为-1.25 mm/a，特别是到80年代初到90年代降水量下降明显。

图2 长子县1956-2019年平均降雨量变化曲线

表2 长子县各年代平均年降雨量变化趋势表

3.1.2 周期性分析

周期性是指水文要素的历史演变经过一定时间以后再行出现的现象。通过降水量模比系数差积曲线、滑动5年过程线，可分析出降水周期性变化规律，图3 以长子站为代表站分析，该站有两个丰水段1956-1977年、1995-2005年，降水持续周期分别为22年、11年，平均降水量较多年平均分别偏多11.9%、3.2%；有两个枯水段1978-1994年、2006-2011年，降水持续周期分别为17年、6年，平均降水量较多年平均分别偏少11.9%、9.8%；有一个平水期2012-2016年，周期为5年，平均降水量较多年平均仅偏多1.1%，得出长子县降水量模比系数差积曲线有完整的丰平枯周期，其中降水尺度为22年（1956-1977年段）时降水波动较大。

图3 长子站1956-2019年降水量模比系数差积曲线及5年滑动曲线

为更具体了解长子县降水周期变化特征，采用Morlet 小波分析法，对长子县64 a 平均降雨时间序列进行小波分析。将长子县年平均降水量距平值代入Morlet 小波函数中，计算出小波变换的模平方和实部，分别得到它们的二维等值线图（图4）。

图4 长子县年平均降雨量小波变换的模平方和实部的时频分布图

通过绘制长子县平均降雨量距平序列Morlet 小波变换模平方的时频变化和实部时频变化，可以看出不同时段周期的强弱分布、周期变化等情况，降雨过程中存在几个尺度振荡周期，其中，22-28年时间尺度振荡周期最强。

通过长子县年降水小波方差（图5）可知，降雨时间序列存在7年、22年、28年左右的主要周期，其中22年周期上的峰值最大，表明该周期上的能量振动较强，对小波方差的贡献较大；7年和28年时间周期下的峰值较小，其能量振动较小，对小波方差的贡献较小。因此，以22年为一个周期演变最为明显，这一周期控制着长子县降雨在长系列内变化特征。

图5 小波方差图

3.2 年内变化分析

从长子县多年实测月降水量值来看（图6），长子县降水量年内分配呈单峰型，连续最大4 个月降水量均出现在汛期6-9月，汛期降水量占全年降水量的69%，7月降水量达到最大，为154.7mm。12月至3月，是降水量最少的时期，4 个月降水量仅占全年降水量的7%，1月降水量最小，为5.7mm，由此可见长子县降水量的年内分配不均，主要集中在汛期。