馬正耀
(甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)
流域降水量的變化通常包含“量”和“結(jié)構(gòu)”的變化。前者通常是指降水總量數(shù)值上的變化,而后者則注重從降水過程的“形狀”上進行分析。本文著重分析探討黑河流域降水量不同區(qū)域年內(nèi)分配布局形態(tài)。
黑河流域位于祁連山和河西走廊的中段,在東徑96°42'~ 102°04',北緯 39°45'~ 42°40'之間。東起山丹縣境內(nèi)的大黃山與石羊河流域接壤,西部以嘉峪關(guān)境內(nèi)的黑山為界與疏勒河相鄰,南起青海祁連縣境內(nèi)的祁連山南北分水嶺,北至中蒙邊境,流域總面積12.8×104km2。流域地勢西高東低,南高北低,流域南部為青藏高原北部邊緣的祁連山地,流域面積 1.001×104km2,海拔 2 000~5 000m,山高坡陡,溝壑縱橫,森林密布,灌木、喬木茂盛,在4 000m以上發(fā)育有現(xiàn)代冰川,最高峰團結(jié)峰5 826.8m,是黑河流域的主產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū);流域中部地處河西走廊,為綠洲農(nóng)業(yè)灌溉區(qū),流域面積2.56×104km2,是黑河流域的耗水區(qū)和徑流利用區(qū);流域北部屬阿拉善高原區(qū),除黑河河流兩岸和居延三角綠洲外,大部分為荒漠、沙漠和戈壁,屬極度干旱區(qū),為徑流消失區(qū)。黑河流域從南到北包含了高山冰雪帶、森林草原帶、平原綠洲帶及戈壁荒漠帶等不同的水文地貌單元。
本區(qū)位于歐亞大陸腹地,遠離海洋,為典型的大陸性季風氣候。夏季,東南太平洋曖濕氣流途經(jīng)我國大陸,翻越秦嶺和黃土高原影響本區(qū);西南氣流可翻越青藏高原,把印度洋和孟加拉灣等南亞洋面的水汽輸入本區(qū)。本區(qū)氣候特征具有明顯的空間分異性:南部祁連山區(qū)氣溫低,中部走廊區(qū)氣候相對干燥,下游額濟納旗盆地極度干燥[1,2]。區(qū)域內(nèi)一年四季氣候的變化特點是:冬季雨雪少,寒冷時間長;春季升溫快,冷暖變化大;夏季氣溫高,降水多且集中;秋季降溫快,初霜來臨早[3]。
本次對黑河流域降水量年內(nèi)分配格局的研究,是根據(jù)流域內(nèi)地形特點和水文特性,把黑河流域分為深山區(qū),淺山區(qū),綠洲灌溉區(qū)和荒漠區(qū)四個地質(zhì)單元進行統(tǒng)計分析。根據(jù)流域自然地理概況和流域內(nèi)降水量觀測站點的分布情況,選用能代表流域分區(qū)特性,同步有完整、連續(xù)系列資料的札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽4個水文站點1964-2010年共計188站年的降水量資料進行統(tǒng)計分析。所選用的資料,均是經(jīng)過相關(guān)部門審核整編的成果數(shù)據(jù),資料可靠合理。參加分析計算的資料其中有部分觀測站點曾因各方面原因有過遷移,但先后觀測場地相距較近,下墊面條件基本沒有變化,可以認為其系列具有一致性。
統(tǒng)計計算黑河流域各分區(qū)代表站的多年平均降水量和離差系數(shù)Cv值如表1。
表1 黑河流域分區(qū)代表站降水量參數(shù)統(tǒng)計表
從黑河流域各分區(qū)代表站降水量參數(shù)統(tǒng)計表中反映出,黑河流域多年平均降水量深山區(qū)和淺山區(qū)接近,綠洲灌溉區(qū)年降水量占深山區(qū)降水量的41%,北部荒漠區(qū)降水量僅是深山區(qū)降水量的15%。流域降水量從高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)遞減,相應(yīng)的離差系數(shù)逐步遞增,年降水量的離散程度逐步增大。
黑河流域內(nèi)降水量受水汽來源和下墊面因素的影響,年內(nèi)分配極不均勻[1,4]。本文用札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽四個水文站的月年降水量實測資料,分別采用各月(或階段)占年降水量的百分比、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度(期)及絕對變幅,對黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配格局進行統(tǒng)計分析,以期為黑河流域水資源的研究、開發(fā)利用與合理配置提供參考依據(jù)。
受東亞大陸季風氣候的影響,流域內(nèi)降水量年內(nèi)分配極不均勻,其特點是汛期降水量大而集中,春季雨水少而不穩(wěn),冬季雨雪稀少[1,4,5]。選取各分區(qū)月、年降水量觀測資料齊全,且系列較長能反映區(qū)域降不特性的站點作為分區(qū)代表站,分別計算多年平均各月降水量占年降水量的百分率及連續(xù)最大四個月占全年降水量的百分率見表2。
表2 黑河流域各分區(qū)代表站降水量年內(nèi)分配表
黑河流域各分區(qū)代表站降水量月分配統(tǒng)計表中顯示,流域內(nèi)各分區(qū)降水量年內(nèi)分配情況大體一致,多年平均連續(xù)最大四個月降水量占全年降水量的70%左右,發(fā)生在6-9月份,深山區(qū)最大,到76.6%,其它分區(qū)較為接近,在69% ~70%之間;年內(nèi)降水量最大的月份是7月份,占年總數(shù)的21%~24%,也數(shù)深山區(qū)最大;多年平均連續(xù)最小四個月降水量發(fā)生在11月至次年的2月份,降水量占年總量的5%左右,祁連山區(qū)最小,僅1.7%,綠洲灌溉區(qū)最大也只有5.3%;4、5月份是黑河中游地區(qū)農(nóng)田灌溉的用水高峰期,降水量較少,4月份只有4% ~6%,5月份也只12%,因此,形成了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中幾乎年年都有的“卡脖子旱”的灌溉格局。
用降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv來衡量黑河流域降水量年內(nèi)分配的不均勻性[6]。
降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)的計算公式如下:
式中:R(t)為年內(nèi)各月降水量;R為年內(nèi)月平均降水量。
由式(1)中可以看出,Cv值越大即表明年內(nèi)各月降水量相差越懸殊,降水量年內(nèi)分配越不均勻。
計算各分區(qū)代表站多年平均降水量不均勻系數(shù)見表3。
從表中反應(yīng)出,黑河流域年內(nèi)分配不均勻系數(shù)在不同區(qū)域也存在一定的差異,深山區(qū)最大,綠洲灌溉區(qū)又大于北部荒漠區(qū),淺山區(qū)最小。
集中度和集中期的計算,是將一年內(nèi)各月的降水量作為向量看待,月降水量的大小為向量的長度,所處的月份為向量的方向[7]。從1月到12月每月的方位角 θ分別為30°,60°,90°…,360°(把圓周的度數(shù) 360°作為一年天數(shù) 365 日,一日相當于0.9863°),并把每個月的降水量分解為x和y兩個方向上的分量,則x和y方向上的向量合成分別為:
于是降水量的合成為:
定義集中度Cd和集中期D如下式:
由(4)式可以看出,合成向量的方位,即集中期D指示了月降水量合成后的總效應(yīng),也就是向量合成后重心所指的角度,即表示一年中最大降水量出現(xiàn)的時間。而集中度則反映了集中期降水量值占年總降水量的比例。從降水量年內(nèi)集中度Cd、集中期D計算原理可以看出,集中度很好地表達了降水量年內(nèi)的非均勻分布特性,當降水量集中在某一月內(nèi)時,則它們合成向量的模與年降水總量之比為1,即集中度Cd為極大值,如果每個月的降水量都相等,則它們各個分量累加后為0,即集中度為最小極限值,表明全年的降水量均勻地分配在l2個月中,集中度越大年內(nèi)分配越不均勻。集中期則客觀地反映了一年中最大降水量出現(xiàn)的時間。
黑河流域各分區(qū)代表站多年平均降水量年內(nèi)分配、集中度、集中期計算成果見表3。
表3 黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配特征值統(tǒng)計表
表中反映出,黑河流域各分區(qū)降水量的集中度分布格局和不均勻系數(shù)一致,深山區(qū)最大,集中期出現(xiàn)在7月18日,綠洲灌溉區(qū)大于北部荒漠區(qū),集中期滯后深山區(qū)一天,出現(xiàn)在在7月17日,淺山區(qū)最小,集中期和北部荒漠區(qū)相一致,出現(xiàn)在7月16日。
降水量的絕對變化幅度是指最大最小月降水量之差,如下式:
由于流域所處地理位置的特點和受東亞大陸季風氣候的影響,黑河流域各分區(qū)冬春季部分月份降水量為零的情況時有發(fā)生[8],因此,區(qū)域降水量年內(nèi)分配的絕對變幅就是區(qū)域內(nèi)代表雨量站年內(nèi)最大月降水量。見表3,降水量變幅從深山區(qū)由東南向西北遞減。
黑河流域深處內(nèi)陸腹地,遠離海洋,降水量主要受季風氣候影響。夏秋季,東南太平洋和西南印度洋曖濕氣流途經(jīng)本區(qū)。由于南部祁連山深山區(qū)海拔高,氣溫低,森林密布,灌木茂盛,空氣濕度大,淺山區(qū)植被低矮稀疏,山石裸露,氣候干燥寒冷,中部走廊區(qū)渠網(wǎng)密布,農(nóng)田林地遍布,氣候較淺山區(qū)濕潤,下游除黑河沿岸間或有零星林草地外,多呈荒漠戈壁景觀,氣候極度干燥,曖濕氣流在運行的過程中,場降水量由東南向西北部遞減[1,4]。此外,在氣溫、風速、氣壓等自然條件適宜的情況下,無流域外部水汽來源,深山區(qū)森林植被吸收深層土壤水分供樹木蒸騰,水蒸氣隨大氣運動出森林之外,其中相當大一部分在林區(qū)附近凝結(jié)成雨,形成降水。冬春季,流域內(nèi)西北風盛行,水汽來源稀少,干燥寒冷,各區(qū)域降水量大小基本一致。流域各分區(qū)特殊的地理位置及地形地貌特點,形成了黑河流域不同區(qū)域特殊的降水量年內(nèi)分配格局。
本文通過黑河流域不同分區(qū)四個代表雨量站從1964到2010年間的降水量實測資料,用降水量年內(nèi)各月、汛期非汛期占年總降水量的百分比、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度(期)、及變化幅度等不同指標,具體分析了黑河流域降水量年內(nèi)分配在不同區(qū)域的分布規(guī)律及成因。研究表明:
(1)黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配情況大體一致,多年平均連續(xù)最大四個月降水量占全年降水量的70%左右,發(fā)生在6-9月份,深山區(qū)最大,到76.6%,其它分區(qū)較為接近,在69%~70%之間;連續(xù)最小四個月降水量發(fā)生在11月至次年的2月份,降水量占年總量的5%左右,其余各月降水量分配較為均勻。
(2)黑河流域年內(nèi)分配不均勻系數(shù)和集中度在不同區(qū)域存在一定的差異,二要素在大小趨勢分布上一致,深山區(qū)最大,綠洲灌溉區(qū)又大于北部荒漠區(qū),淺山區(qū)最小;集中期出現(xiàn)在7月17日前后,深山區(qū)最早,淺山區(qū)和北部荒漠區(qū)一致,出現(xiàn)時間最遲;年內(nèi)變幅由東南向西北、高海拔區(qū)向低海拔區(qū)遞減。
(3)所處地理位置、地形,地貌和季節(jié)性氣候特點是形成黑河流域不同區(qū)域年內(nèi)分配格局特征的主要原因。
本文僅從面上分析研究了黑河流域不同區(qū)域降水量的年內(nèi)分配格局,流域降水量年內(nèi)分配沿時程演變規(guī)律有待進一步探討。
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