平凉市泾、渭河流域降水量时空分布与短历时雨强特征分析

李 荣，雒 仪

（甘肃省平凉水文站，甘肃 平凉 744000）

1 问题的提出

随着人类工业的快速发展和对矿物燃料的依赖，全球气温变暖，气候变化引起水循环发生改变，从而导致区域内山火、高温、暴雨、洪水等极端水文气象灾害频发[1]。水循环对于地球环境和人类生存有着极其重要的意义，有利于各区域的湿度、气温得到不断调节，能切实预防异常气候现象的突发。降水是水循环的一部分，深入研究降水量的时空分布特征有利于分析区域内水循环的变化规律[2]。近年来，有许多学者对泾、渭河流域降雨结构以及短历时暴雨分布进行研究。如蔡新玲、蔡依晅等利用线性倾向率和非参数Mann-Kendall检验法探讨渭河流域降水结构的变化趋势及不同降水等级的空间变化特征，得出渭河流域暴雨及以上级别降水时间呈增加趋势[3]。

2 资料与研究方法

2.1 平凉市流域概况

平凉市位于甘肃省东部，陕甘宁三省交汇处。市境西连定西市，东抵陕西省咸阳市，东北临庆阳市，北通宁夏回族自治区固原市。地处陇东黄土高原，地势中部高，东西两侧低。以六盘山山脉为分水岭，西部2县属渭河水系，市内流域面积3 785 km2，主要河流为渭河一级支流葫芦河；东部5县区属泾河水系，市内流域面积7 411 km2，泾河自西向东横贯中部，主要河流有泾河及其支流汭河、黑河、达溪河。平凉市属陆地季风性气候，降水区域分布特征明显，总体由西南向西北递减。降水年际变化大，年内各季节分布不均匀，夏季多为突发性强降雨，春秋季节多为梅雨气候[4]。受此影响，区域内极易发生洪涝与干旱灾害，局部易出现山体滑坡等地质灾害，损失程度高，危害范围广。因此，研究平凉市泾、渭河流域降水量的时空分布变化特征，对于流域防洪减灾、环境保护、农业经济发展等具有现实意义。

2.2 资料来源

本次研究的降水量资料由平凉市气象局和平凉水文局提供，涉及平凉市泾、渭河流域45个气象站的逐时降水量资料。受站点建设年份影响，其中2008—2019年13站、2010—2019年8站、2012—2019年6站、2014—2019年18站；2014—2019年度无降水量记录的站点，选择附近具有代表性的站点雨量进行插补。对于年降水量小于100.0 mm的站点，经综合分析判断为自动式雨量设备故障，其当年资料降水量选取附近具有代表性的站点进行插补。各气象站点资料完整度较高，站点分布合理，具有较强的代表性，平凉市泾、渭河流域气象站点分布见图1。

图1 平凉市泾、渭河流域气象站点分布图

2.3 研究方法

依据水文学中降水量资料整编规范，主要从降水强度、降水历时、降水分布3个方面分析平凉市泾、渭河流域降水量时空分布变化特征。降水资料以每日8时为界，分别统计逐日、逐月、逐年降水量资料，并计算1 h、6 h、24 h最大降水量。利用指数分布、频率重现期等数理方法对资料进行分析，面雨量计算采用泰森多边形法或算数平均法，对于降水系列的变化采用世界气象组织的Mann-Kendall非参数分析方法，并利用ARCGIS10.0地理信息系统完成各类成果数据图。

3 降水量时空分布变化特征

3.1 年平均降水量时空分布

根据平凉市泾、渭河流域水系特征、气象站点和乡镇行政分区，将平凉市划分为若干区块。平凉市近10 a的年平均降水量的空间分布见图2。通过分析可知，平凉市年平均降水量为514.7 mm，市内泾河流域年平均降水量为446.1～703.6 mm，渭河流域年平均降水量为378.3～590.5 mm。受暖湿气流交汇影响，关山山脉是降水量高值区域，华亭年平均降水量可达600.0 mm以上；以关山山脉为中心，周边地区随距离增大逐步减少；泾河流域多于渭河流域，东部地区多于西部地区[5]。

图2 平凉市泾、渭河流域年平均降水量空间分布图

通过绘制平凉市泾、渭河流域逐年平均降水量过程线（见图3）可知，泾河流域与渭河流域逐年平均降水量过程线趋势基本一致，流域年降水量呈现微量增加趋势。2013年的年降水量达到峰值668.7 mm，随后逐步减少，于2016年回归枯水年份。采用线性回归方程分析发现10 a内降水量增加16.0 mm，平均增加1.6 mm/a。采用Mann-Kendall方法对年降水量均值进行分析，结果表明泾、渭河流域逐年降水量未发生突变趋势[6]。

图3 平凉市泾、渭河流域逐年平均降水量过程线图

3.2 年内季节降水量变化

由图3可知，2014年的年降水量位于逐年平均降水量线性趋势上，具有较好的年际代表性。故以2014年为例，选取华亭、平凉、灵台、静宁、安口、崆峒、仁大共7处具有区域代表性的站点绘制出1—12月降水量分布图（见图4）。

图4 平凉市泾、渭河流域2014年1—12月降水量分布图

由图4可知，平凉市泾、渭河流域年内各季降水量分布很不均匀。冬季降雪较少，1月、12月平均降水量小于5.0 mm，个别站点全月几乎无降雪，处于深度干旱；进入春季4月初，会迎来降水小高峰，对旱情有较好的缓和作用；主要降水时间开始于6月初，至10月初结束，7—9月为降水量高发期，降水量峰值出现于9月，表现时间较长且呈现为单峰型[7]。

3.3 降水量强度分析

平凉市泾、渭河流域1 h雨强累计最大值为97.5 mm，历年均值为22.0 mm；6 h雨强累计最大值为185.8 mm，历年均值为43.8 mm；24 h雨强累计最大值为284.0 mm，历年均值为58.6 mm（见表1）。在空间分布上，强降雨主要集中于泾河流域的泾川、华亭、灵台等中东部地区，6 h最大降水量可达100.0 mm，24 h最大降水量突破200.0 mm；渭河流域降雨强度相对较低，24 h降水量达到100.0 mm已较为罕见，但庄浪县柳梁、岳堡2站于2018年出现200.0 mm以上的24 h强降雨。由此可见，强降雨在空间上主要分布于汭河、黑河、达溪河上游区域，具有随机性和突发性等特点[8]。

表1 平凉市泾、渭河流域2010—2019年累计小时最大雨强表 mm

1 h与24 h雨强占比分布情况见图5。1 h雨强分布图中，31.0%以上年最大1 h雨强介于10.0～30.0 mm，达到短历时强降雨级别，其中超过50.0 mm只占2.6%；24 h雨强分布图中，最大24 h雨强介于0.0～100.0 mm，其中大于100.0 mm的雨强只占5.6%。

图5 平凉市泾、渭河流域1 h与24 h雨强占比分布图

3.4 降水发生率与贡献率特征

为研究流域降水量变化趋势的差异，通过线性过程线方法对1 h降水量的发生率和贡献率进行统计分析（见图6）。分析可知：在发生率方面，当1 h雨强小于1.0 mm时，发生率最高占全年总降雨发生次数的45.0%，之后随着1 h降水量强度增加，发生率呈指数下降；当1 h雨强大于25.0 mm时，发生率已不足全年总降雨发生次数的1.0%，并随雨强增大继续下降。在贡献率方面，当1 h雨强小于1.0 mm时，降水量占年降水量的3.3%；介于5.0～10.0 mm时，降水量贡献率最高，占年降水量的25.0%；介于25.0～30.0 mm时，降水量贡献率最低，只占年降水量的3.7%；之后随着1 h雨强的增加，贡献率呈缓慢上升趋势，当1 h雨强达到50.0 mm时，降水量占年降水量的6.0%。

图6 平凉市泾、渭河流域1 h降水量发生率和贡献率分布图

将降水量按照不同等级分为5类：小雨为0.1～10.0 mm，中雨为10.0～25.0 mm，大雨为25.0～50.0 mm，暴雨为50.0 mm以上。据此统计分析平凉市泾、渭河流域1次降水过程中不同等级降水的发生率和贡献率（见图7）。经综合分析，在发生率方面，不同等级降水发生率曲线波动较大，小雨发生率最高，平均占比为74.3%；随着降水等级增加，降水发生率呈下降趋势，暴雨发生率达到最低，仅占1.9%。在贡献率方面，由于受不同等级降水发生率的影响，不同等级降水贡献率曲线波动反而较小，其中中雨与大雨贡献率相对较高，占比分别为32.1%与28.6%。由此可以得出，平凉市泾、渭河流域降水次数以弱降水为主，同时年降水量多取决于强降水贡献。

图7 平凉市泾、渭河流域不同等级降水发生率和贡献率分布图

3.5 暴雨强度公式与频率分析

选取2008—2019年气象站点1 h最大雨强，采用皮尔逊-Ⅲ型频率曲线分析不同重现期下1 h最大雨强，并与平凉市暴雨强度公式（公式1）进行比对分析[9]（见表2）。分析可知：1～100 a重现期下两者误差介于0.030～0.187 mm/min，平均误差为0.090 mm/min，其中重现期小于10 a时误差较小，可见平凉市暴雨强度公式对于重现期小于10 a的1 h最大雨强拟合较好，而皮尔逊-Ⅲ型频率曲线适应于更久的重现期雨强模拟[10]。同时，皮尔逊-Ⅲ频率曲线各级重现期下降水强度均不同程度大于暴雨强度公式拟合值，符合流域年降水量呈微量增加的趋势。

表2 平凉市泾、渭河流域1 h最大雨强皮尔逊-Ⅲ型分布与暴雨强度公式对比表

式中：i为暴雨强度，mm · min-1；TE为重现期，a；t为降水历时，min。

选择10 a重现期下1 h最大雨强衰减指数进行分析，并绘制指数图（见图8）。分析可知，平凉市24 h暴雨衰减指数呈有变率的折线，分别在3 h、12 h出现转折点。当历时t≤3 h时，衰减指数均值为0.51；当3 h＜t≤12 h 时，衰减指数均值为0.43；当12 h＜t≤24 h，衰减指数均值为0.37。由此可见，平凉市雨强衰减程度较快，一般高强度降水集中在3 h以内[11-12]。

图8 平凉市泾、渭河流域10 a重现期下1 h最大雨强 衰减指数图

4 结论

平凉市年平均降水量在空间上以关山山脉为中心，周边地区随距离增大逐步减少，泾河流域多于渭河流域，东部地区多于西部地区；泾河流域与渭河流域逐年平均降水量过程趋势基本一致，流域年降水量呈现微量增加趋势。

平凉市年内降雨分布极为不均，1月、12月平均降水量小于5.0 mm，个别站点全月无降雨；强降水开始于7月初，至9月底结束，降水量峰值出现于9月，表现时间较长且呈现为单峰型，使得流域内更容易发生干旱和洪涝灾害；流域1 h、6 h、24 h雨强累计最大值为别为69.6，185.8，284.0 mm，强降雨在空间上主要分布于汭河、黑河、达溪河上游区域，降雨强度相对较为缓和，但应注意突发性短历时强降雨，极易导致山洪暴发。

在短历时雨强分析中，流域降雨发生率随降水量增加呈指数下降。1 h降水量小于1.0 mm时发生率最高；1h雨强介于5.0～10.0 mm时，降水量贡献率最高。在年度不同等级降水量分析中，小雨发生率最高，平均占比为74.3%，暴雨发生率仅占1.9%；不同等级降水量在贡献率方面变化较小，占比在17.9%～32.1%。故平凉市泾、渭河流域小雨发生率较大，而中雨及以上等级的降雨发生率较低，降水次数以弱降水为主，同时强降水贡献率最高。

采用皮尔逊-Ⅲ型频率曲线分析不同重现期下1 h最大雨强，与平凉市暴雨强度公式比对分析可知，平凉市暴雨强度公式对于重现期小于10 a的1 h最大雨强拟合较好，而皮尔逊-Ⅲ型频率曲线适应于更久重现期下的雨强模拟。24 h暴雨衰减指数呈有变率的折线，较为明显的转折点出现在历时3 h处，当历时t≤3 h时，衰减指数均值为0.51。