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        山西省降水量變化特征分析

        2019-10-08 08:49:58
        水資源開發(fā)與管理 2019年9期
        關(guān)鍵詞:時間尺度年際小波

        程 俊

        (山西省陽泉市水文水資源勘測分局,山西 陽泉 045000)

        1 研究背景

        水資源是保證人類生存的必要條件,對農(nóng)業(yè)、工業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)都至關(guān)重要,而氣候變化對降雨產(chǎn)生的影響,進一步導(dǎo)致了水資源在時間和空間上的重新分配和水資源數(shù)量的改變[1]。大氣降水是地表水和地下水的最終補給來源,是水資源中最重要的一環(huán)。降雨的變化會導(dǎo)致徑流和可用水量發(fā)生變化,近年來,有眾多學(xué)者對全國各區(qū)域的降水特征進行了大量研究[2-4]。分析研究降水量的變化特征,對防汛減災(zāi)、水資源開發(fā)利用和水資源綜合規(guī)劃均有重要的現(xiàn)實意義[5]。

        2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

        本文所參考的降水量資料全部采用1956—2016年經(jīng)過整編的水文資料及部分氣象站同步期實測資料,精度較高,且具有一致性。

        分析站點選用的原則是:資料觀測系列較長,精度較高,面上分布均勻,且能反映地形變化影響的站點。根據(jù)資料情況,在降水量變化梯度較大的山區(qū),站點相對較密;在平原區(qū)則著重考慮站點的均勻分布;在站點較稀的地區(qū),適當(dāng)增加了一些資料系列較短的雨量站,經(jīng)過插補延長處理后作為輔助站點參考使用。

        通過選用站點降水量月平均情況分析了山西省降水量的年內(nèi)分配特征,利用線性趨勢法、滑動平均法、Mann-Kendall趨勢分析法(以下簡稱M-K檢驗法)、滑動t檢驗法、Morlet小波分析法等方法對降水量的年際變化特征進行了分析。

        3 年內(nèi)降水量分配分析

        山西屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水量年內(nèi)分配的一般特征是受季風(fēng)影響,冬季處在極地大陸氣團控制下,僅當(dāng)極地和變性極地氣團過境時,產(chǎn)生少量固體降水,且南部多于北部,山地大于川谷;春季由于冬季風(fēng)勢力的減弱和夏季風(fēng)逐漸活躍,降水量比冬季明顯增多,但就總量來說,占全年降水量的比例不足20%;夏季是山西省降水量特別集中的季節(jié),由于受季風(fēng)影響,降水量高度集中,約占全年總降水量的60%,且越往北部比例越大;秋季是夏季風(fēng)過渡到冬季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié),降水量比夏季顯著減少,且分布形式與夏季有所不同,呈現(xiàn)出由北向南增加,由高山向盆地減少的趨勢。降水量在年內(nèi)各季節(jié)分配極不均勻,山西省降水量年內(nèi)分配見圖1。

        經(jīng)分析可得出山西省降水量年內(nèi)分配特征:

        a.降水量在年內(nèi)的分配呈現(xiàn)單峰型,夏季和秋季多雨,汛期(6—9月)降水量占全年的71.3%。

        b.汛期降水主要集中于7月、8月,占年降水量的45.2%。

        c.冬季干旱,12月至次年2月的3個月是全年降水最少的時期,降水量僅占年降水量的3.2%。

        圖1 山西省降水量年內(nèi)分配

        4 年際降水量變化分析

        4.1 年降水量變化趨勢分析

        利用線性趨勢法、滑動平均法和M-K檢驗法對山西省1956—2016年平均降水量變化趨勢進行分析,見圖2。

        圖2 山西省降水量年際變化

        由圖2可看出,山西省降水量年際變化大,豐、枯懸殊。1964年和1965年分別出現(xiàn)最大和最小年降水量,降水量極值分別為721.7mm和304.2mm,最大年降水量是最小年降水量的2.4倍。年降水量極大值和極小值均出現(xiàn)在1980年之前,近年來年際最大變幅呈減小趨勢。由年降水量線性趨勢線可看出,山西省年降水量呈現(xiàn)減小趨勢,線性遞減率約為每10年5.5mm。由5年滑動平均曲線可看出,山西省降水量波動呈現(xiàn)減小趨勢,有一定的周期性。

        利用M-K檢驗法對山西省年降水量變化趨勢作顯著性分析,取顯著性水平為α=0.05,其中M-K趨勢指標(biāo)U=-0.72,|U|

        4.2 年降水量突變分析

        利用M-K檢驗和滑動t檢驗法對山西省1956—2016年降水系列進行突變分析。

        圖3 降水量M-K統(tǒng)計量曲線

        由圖3可知,在M-K曲線中,UF和UB曲線有多個交點,均出現(xiàn)在20世紀(jì)五六十年代,分別為1956年、1958年和1964年。

        圖4 降水量滑動t統(tǒng)計量曲線

        由圖4可知,由M-K檢驗識別的突變點年份,在子序列長度為10年的滑動t檢驗中均未通過α=0.05的顯著水平檢驗,因此大致判斷山西省近61年的年降水量未發(fā)生突變。

        4.3 年降水量周期分析

        利用Morlet小波分析法對山西省1956—2016年降水系列進行周期分析。將山西省1956—2016年降水系列進行Morlet小波分析后得到其小波系數(shù)實部等值線圖、模等值線圖、方差圖,見圖5、圖6、圖7。

        圖5 降水量小波系數(shù)實部等值線

        圖6 降水量小波系數(shù)模等值線

        圖7 降水量小波方差

        在圖5中,數(shù)值越大顏色越淺,表征降水量偏多期,數(shù)值越小顏色越深,表征降水量偏少期。由圖5可看出,山西省年降水量存在4個比較明顯的特征時間尺度,分別為28年、19年、10年和5年,其中19年左右的特征時間尺度主要存在于1980年之后,沒有貫穿整個研究時段。

        由圖6可看出,28年、19年、10年和5年左右的特征時間尺度對應(yīng)的小波系數(shù)模值較大,說明其周期較為顯著,其中28年左右的時間尺度震蕩能量最強,其次是10年左右的時間尺度。

        由圖7可看出,山西省年降水量的小波方差存在4個較為明顯的峰值,分別為28年、10年、6年、4年,其中28年左右的特征時間尺度對應(yīng)最大峰值,同時該尺度下周期震蕩也最強烈,因此判斷山西省年降水量有28年的第一主周期。

        5 結(jié) 論

        山西省降水量在年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在夏秋兩季,其中7月和8月的降水量占全年的近一半,在這兩個月,常有歷時短、雨強大的短時強降雨發(fā)生。

        山西省降水量年際間變化劇烈,在近年來呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢,沒有明顯的突變,有較為穩(wěn)定的周期變化,第一主周期為28年。根據(jù)降水量的變化趨勢,預(yù)計未來幾年降水量會有所減小。

        山西省地處黃土高原東端,其部分水系上游的支流流域內(nèi)植被較差,森林覆蓋率低,水土流失十分嚴(yán)重。而且由于各支流都是山區(qū)性河流,縱坡普遍較大,產(chǎn)匯流時間短,水流湍急,推移質(zhì)比重較高,在降雨集中的夏季極易發(fā)生山洪災(zāi)害和滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此,根據(jù)山西省的降水變化特性,在上游山區(qū)建立雨水收集系統(tǒng),在有條件的地區(qū)建設(shè)新型海綿城市,對緩解區(qū)域內(nèi)水資源短缺、季節(jié)性缺水和預(yù)防山洪、地質(zhì)災(zāi)害都有重要意義。

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