阮翠冰，林 忠，林兆華

(福建省寧德市氣象局，寧德 352100)

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·資源區(qū)劃·

閩東地區(qū)年可利用降水資源時空特征分析

阮翠冰，林 忠，林兆華

(福建省寧德市氣象局，寧德 352100)

文章利用閩東地區(qū)9縣市區(qū)1969～2014年月平均氣溫和月降水資料，應用桑斯維特法計算年蒸散量，從而求出年可利用降水量。利用線性傾向估計法分析年降水量和年蒸散量的變化趨勢，結果表明： 46年來閩東地區(qū)年降水量呈不顯著的增多趨勢，西北部山區(qū)降水多于東南部沿海； 而年蒸散量呈顯著的增大趨勢，東南部沿海蒸散能力大于西北部山區(qū)。對近46年閩東9縣市區(qū)年可利用降水量場進行經(jīng)驗正交分解(EOF)，通過顯著性檢驗的3個主要特征向量和所對應的時間系數(shù)代表了閩東地區(qū)年可利用降水資源的時空變化特征，結果表明，第一模態(tài)(占總方差貢獻的97.61%)顯示閩東地區(qū)年可利用降水資源最主要的分布特征，呈現(xiàn)西北部山區(qū)向東南部沿海遞減的空間特點，即內陸山區(qū)可利用降水資源比沿海更為充沛，在時間上呈略增變化趨勢； 第二模態(tài)(占總方差的0.96%)反映出閩東東部與西部縣市呈現(xiàn)反相變化的分布特征，近46年發(fā)生東多西少的頻率略高于東少西多，但不顯著； 第三模態(tài)(占總方差的0.58%)反映出北部與南部縣市呈反相變化的分布特征，近46年發(fā)生北多南少的頻率較高于北少南多。閩東地區(qū)年可利用降水資源具有典型的西北向東南遞減的全區(qū)域型分布加上東西型、南北型兩種擾動分布的空間特點。

閩東 桑斯維特法 蒸散量 可利用降水量 經(jīng)驗正交分解(EOF)

圖1 閩東地區(qū)(寧德市)地理位置及地形

0 引言

隨著人口的增長，經(jīng)濟的發(fā)展，人們對水的需求量越來越大。降雨資源是水資源的主要來源，在全球變暖的大背景下，水循環(huán)加速，蒸散量增加，對可利用降水資源的影響不可忽視。近年來，區(qū)域可利用降水資源的研究已成為各地的研究熱點[1-6]，可利用降水量與蒸散量有直接的關系，蒸散量估算的方法有多種，其中高橋浩一郎公式應用較為廣泛，但主要適用于我國北方地區(qū)蒸散量的計算[5]，文章選用的桑斯維特法是國際糧農組織推薦的計算蒸散量的通用方法之一，適用于大部分地區(qū)，且計算蒸散量年值具有較高的精確度[8]。

閩東通常指位于福建省東北部的寧德市，轄有4個沿海縣市區(qū)和5個山區(qū)縣市，地形以丘陵山地兼沿海小平原相結合為特點(圖1)，屬明顯的中亞熱帶海洋性季風氣候[12]。閩東地區(qū)雨水充沛，常年平均降水量1811.1mm； 熱量豐富，常年平均氣溫17.4℃。雖然閩東降水資源豐富，但由于山區(qū)與沿海的降雨和蒸散能力存在差異而造成可利用降水資源時空分布不均，氣候變化正加劇這種不均衡，給農業(yè)生產(chǎn)和城市雨水利用帶來一定的困擾，因此科學客觀地分析可利用降水資源時空分布特征，有利于因地制宜地開展雨水利用，為當?shù)厮Y源合理配置提供理論基礎，促進社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1969～2014年閩東9縣市區(qū)氣溫、降水等氣象資料取自寧德市氣象局氣象資料數(shù)據(jù)庫，所有資料序列完整連續(xù)均一。

1.2 方法

該文采用線性傾向估計法[7]，對閩東9縣市區(qū)年降水量、年蒸散量和可利用降水量進行趨勢分析，研究其變化特征。其中年蒸散量應用桑斯維特法計算，并求得可利用降水量，而后對9縣市區(qū)46年可利用降水量場(矩陣)進行經(jīng)驗正交分解(EOF)，分析其時空變化特征，利用地理信息軟件(Arcgis)顯示其空間分布特征。

1.2.1 線性傾向估計法

線性傾向估計法是氣候統(tǒng)計學上常見的氣候序列變化趨勢診斷法，表達式如下：

xi=a+bti(i=1， 2，…，n)

(1)

式中，xi是樣本為n的氣候變量； ti是xi所對應的時間； a是回歸常數(shù)； b是回歸系數(shù)，也叫趨勢傾向值。a、b用最小二乘法求得，b>0，說明xi隨ti呈上升趨勢； b<0，說明xi隨ti呈下降趨勢。并利用xi與ti線性相關系數(shù)r來判斷變化趨勢的顯著性，確定顯著性水平α，根據(jù)樣本數(shù)n查找相關系數(shù)臨界值表得到rα，若|r|>rα，則xi隨ti的變化趨勢在α水平上是顯著的，否則變化趨勢不顯著[7]。

1.2.2 可利用降水資源計算

一般來說，某地水資源的多少取決于降水、蒸散和徑流量等的變化，但僅從氣象角度來考慮，降水量與蒸散量之差基本能表征可利用降水資源的多寡[1]，因此年可利用降水量F代表可利用降水資源，其計算公式如下：

F=P-PE

(2)

式中，P是年降水量(mm)；PE是年蒸散量(mm)。

1.2.3 桑斯維特法計算年蒸散量(PE)

彭曼、桑斯維特和布德科是國際上權威的3種計算蒸散量的方法。彭曼和布德科法計算過程較復雜，需要較多物理量，數(shù)據(jù)不易得到。桑斯維特法計算相對簡單，需要氣象要素少。3種方法在計算旬、月蒸散量時誤差相差較大，而年蒸散量用3種方法的計算結果是接近的[8]。因此該文選用計算簡單、數(shù)據(jù)易得的桑斯維特法來計算年蒸散量，其公式如下：

(3)

式中，PEi是月蒸散量(mm/月),其中：

(4)

Ti是月平均氣溫(℃)； H是年熱量指數(shù)； A是常數(shù)。

各月熱量指數(shù)Hi計算公式如下：

(5)

(6)

常數(shù)A的計算公式：

A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49

(7)

1.2.4 經(jīng)驗正交函數(shù)分析法(EOF)

EOF是分析矩陣數(shù)據(jù)結構、提取主要數(shù)據(jù)特征的一種方法[7]。通過對年可利用降水量場進行EOF分解，分別得到空間和時間矩陣，得出特征向量(eof)、特征值(λ)和每組特征向量表征的方差貢獻(exp)，再通過計算特征值誤差范圍來進行顯著性檢驗，特征值誤差范圍計算公式：

(8)

n 為樣本數(shù)，當相鄰的特征值λi+1滿足

λi-λi+1≥ei

(9)

就認為這2個特征值所對應的自然正交函數(shù)是有價值的信號[1]。然后利用特征向量(eof)的轉置與原數(shù)據(jù)矩陣的乘積得到所有空間向量所對應的時間系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 年降水量特征分析

1969～2014年閩東9站年平均降水量在1148.8mm(2003年)～2345.6mm(2006年)之間，線性傾向方程為x=1760.8+1.93t(圖2)，趨勢傾向值b=1.93，相關系數(shù)|r|=0.096

圖2 1969～2014年閩東地區(qū)年平均降水量趨勢(a)和沿海與山區(qū)年平均降水量對比(b)

2.2 年蒸散量特征分析

利用公式(3)和(4)計算1969～2014年閩東9站的蒸散量，年平均蒸散量在791.6mm(1976年)～902.7mm(1998年)之間，線性傾向方程為x=808.12+1.33t(圖3)，趨勢傾向值b=1.33，相關系數(shù)|r|=0.72>r0.001/n=46的臨界值0.4648，所以在0.001水平上呈顯著的上升線性趨勢?？梢娫跉夂蜃兣内厔菹?，蒸散量也明顯增大。

由于蒸散量與氣溫關系密切，氣溫越高，蒸散量越大，所以年平均氣溫較高的沿?？h市蒸散量大于年平均氣溫較低的山區(qū)縣市(圖4)，其中沿海4縣市區(qū)平均每年有56.6%的雨水被蒸發(fā)掉，而山區(qū)5縣只有40.6%。

圖3 1969～2014年閩東地區(qū)年平均蒸散量趨勢

圖4 近46年閩東9縣市區(qū)平均蒸散量

2.3 年可利用降水資源時空特征分析

利用公式(2)計算可利用降水量，對近46年閩東9站可利用降水量場進行 EOF分解，并根據(jù)公式(8)和公式(9)進行特征根顯著性檢驗，表1是得到的前4個特征向量的方差貢獻值、特征值以及特征值誤差范圍?？梢钥闯銮?個特征向量是特征值在誤差范圍內的有價值信號，前3個特征向量占了總方差貢獻的99.15%，幾乎完全概括了閩東地區(qū)年可利用降水資源的分布特征。

表1 近46年閩東9站可利用降水量場EOF分解結果

2.3.1 第一模態(tài)

EOF1占總方差的97.61%，各分量的符號一致，說明空間特征呈一致的全區(qū)域分布型(圖5a)，數(shù)值大體從西北向東南遞減，即可利用降水資源西北山區(qū)多東南沿海少的分布特征，高值區(qū)在周寧、柘榮、壽寧等高海拔的山區(qū)縣市，低值區(qū)在霞浦、福安等較低海拔的沿?？h市和位置偏西南的古田縣。這個特征場占有很大的權重，實際上反映的是近46年閩東地區(qū)可利用降水量的平均狀態(tài)。對應EOF1的時間系數(shù)也均為正值(圖5b)，反映閩東地區(qū)可利用降水量年際趨勢變化，數(shù)值大的年份表示這一年可利用降水量偏多，反之則偏少，可以看出可利用降水量最少的年份出現(xiàn)在2003年，其次是和1971和1991年，這幾年恰好是年降水量偏少的干旱年； 可利用降水量最多的年份出現(xiàn)在1973年，其次是2006年和2005年，這幾年恰好是年降水量偏多的洪澇年。從線性趨勢線可以看出，有很不明顯的正趨勢變化，表明46年來閩東地區(qū)可利用降水量有著微弱的增多趨勢。EOF1的時空分布與年降水量的分布基本一致，因為山區(qū)降水多而蒸散少，而沿海降水少而蒸散多，使得可利用降水資源呈西北山區(qū)多東南沿海少的分布更加明顯。

圖5 EOF1的空間分布與時間系數(shù)

2.3.2 第二模態(tài)

EOF2占總方差的0.96%，它是東正(負)西負(正)的分布，反映的是東部縣市與西部縣市年可利用降水資源呈相反的特征(圖6a)，即東部縣市多(少)時，西部縣市則少(多)。EOF2對應的時間系數(shù)(圖6b)反映的是東西分布型的年際變化，線性傾向呈不明顯的正趨勢變化，說明近46年閩東可利用降水量出現(xiàn)東多西少的概率略多些，但不明顯。正值代表的是東多西少的年份，負值代表的是東少西多的年份，可以看出1990年可利用降水東多西少的分布較為明顯，而2003年東少西多的分布較為明顯。

圖6 EOF2的空間分布與時間系數(shù)

2.3.3 第三模態(tài)

EOF3占總方差的0.58%，它是北正(負)南負(正)的分布，反映的是北部縣市與南部縣市年可利用降水資源呈相反的特征(圖7a)，即北部縣市多(少)時，南部縣市則少(多)。EOF3對應的時間系數(shù)(圖7b)反映的是南北分布型的年際變化，線性傾向呈較顯著的正趨勢變化，說明近46年閩東地區(qū)可利用降水量出現(xiàn)北多南少的概率較多些。正值代表的是北多南少的年份，負值代表的是北少南多的年份，可以看出2009年可利用降水北多南少的分布較為明顯，而1997年北少南多的分布較明顯。

圖7 EOF3的空間分布與時間系數(shù)

因此，閩東地區(qū)可利用降水資源可分為：全區(qū)域型、東西型和南北型等3種趨勢分布特征，其中全區(qū)域型分布占絕對主導地位，雖然東西型和南北型的權重小，但也是實際存在的兩種擾動分布。

3 結論與討論

閩東地區(qū)雨水豐富，年平均降水量呈不顯著的正趨勢變化，年際間存在不同程度的降水豐寡，西北部山區(qū)的年平均雨量多于東南部沿海； 閩東地區(qū)年平均蒸散量呈明顯的線性上升趨勢，東南部沿海蒸散能力大于西北部山區(qū)。

閩東地區(qū)年可利用降水資源時空分布特征占主導地位的第一模態(tài)方差貢獻高達97.61%，呈典型的西北山區(qū)向東南沿海遞減的全區(qū)域型空間分布，這個分布充分說明可利用降水量受地形影響非常明顯： (1)受地形抬升影響，西北山區(qū)易形成地形雨，雨量明顯大于東南沿海區(qū)域。(2)海拔高的西北部山區(qū)年平均氣溫低，蒸散能力明顯弱于海拔低的東南部沿海。由于蒸散量地域分布恰好與降水量相反，多雨區(qū)域是蒸散量較少的地方，少雨區(qū)域是蒸散量較多的地方，這樣造成可利用降水資源的西北多東南少的分布愈發(fā)突出； 時間上呈不顯著的線性上升趨勢，近46年發(fā)生多次不同程度的洪澇和干旱災害。第一模態(tài)的時空特征與年降水量基本一致，說明可利用降水與自然降水的關系密切。另外還存在東西型和南北型兩種權重極小的擾動分布，分別僅占總方差的0.96%和0.58%，出現(xiàn)概率也很小。

以上結論主要表明閩東地區(qū)年可利用降水資源時空分布不均的特點，而且在氣候變暖大背景下，水分蒸散量增大，水循環(huán)加速，降雨規(guī)律趨于復雜，將導致這種不均衡的加劇。水資源時空分布不均的加劇極易引發(fā)局地性的干旱、洪澇等氣象災害，給區(qū)域生產(chǎn)生活帶來弊害。水資源管理決策者可根據(jù)閩東年可利用降水量的時空差異采取不同的應對措施，如可利用降水資源富余的西北部山區(qū)，可大力發(fā)展水力發(fā)電和農業(yè)生產(chǎn)，同時加強防洪排澇設施等的建設； 可利用降水資源相對貧乏的沿海區(qū)域，可構建配套的蓄、引、提、排等水工程，對局地缺水嚴重的推行跨區(qū)域調水，在空間上重新分配水資源，同時實行節(jié)水灌溉，提高水的利用率等措施?？傊?，通過閩東地區(qū)年可利用降水資源的時空特征，對水資源開發(fā)利用和保護進行科學治理，以達到防災減災和保障水源的目的，實現(xiàn)閩東地區(qū)水資源的可持續(xù)利用。

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SPATIAL-TEMPORAL CHARACTERISTICS OF ANNUAL UTILIZABLE PRECIPITATION RESOURCE IN EAST FUJIAN

Ruan Cuibing，Lin Zhong，Lin Zhaohua

(Ningde Municipal Meteorological Bureau of Fujian，Ningde 352100, China)

On the basis of monthly average temperature and precipitation data of 9 counties in east Fujian from 1969-2014, this paper calculated the annual evapotranspiration rate and the annual utilizable precipitation using the Thornthwaite method. And then, it analyzed changing trend of the annual precipitation and evapotranspiration using the linear trend estimation. Finally, it assessed the spatial-temporal change characteristics of utilizable precipitation in east Fujian using the empirical orthogonal function (EOF) analysis. The results showed that there was an insignificant increase of annual precipitation in east Fujian for the past 46 years, which was more in northwest mountainous area than that in the southeast coast; however, annual evapotranspiration in southeast coast was more than that in northwest mountainous area. Mode-1 ( accounting for 97.61% of total variance contribution) which represented the most dominant distribution characteristics of utilizable precipitation, demonstrated the spatial featuresdecreasing from northwest mountainous area to southeast coast. It meant the mountainous area had more abundant utilizable precipitation than coast; Mode-2(accounting for 0.96% of total variation) presented the reversed phase change distribution characteristics between east and west , the frequency of higher east / lower westpatternwas slightly more than higher west / lower east pattern for the past 46 years; Mode-3 (accounting for 0.58% of total variation) represented the reversed phase change distribution characteristics between north and south, the frequency of higher north / lower south pattern was comparatively more common than lower north/higher south pattern. The utilizable precipitation in east Fujian had three main distribution features: the typical decreasing spatial feature from northwest to southeast, two disturbance distribution patterns from the east to west and the north to south.

east Fujian; Thornthwaite method; evapotranspiration; utilizable precipitation; empirical orthogonal function (EOF)

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161031

2016-03-28

阮翠冰(1972—)，女，福建霞浦人，工程師。研究方向：氣象服務。Email：ndrcb@163.com

S16; F323.213

A

1005-9121[2016]10-0181-07