楊麗虎　劉鑫　宋獻方

摘要：基于黃土高原岔巴溝流域13個雨量站2004-2006年5 min降雨數(shù)據(jù)資料，分析了流域2h、6h、24 h、3d、7d、月和年（5-10月）等7個時間尺度的降雨量空間變異特征。結果表明：①以曹坪雨量站為代表的單站5-9月降雨量占全年的900/e以上，其中7-8月以中雨和大雨、暴雨為主，降雨量占年降雨量的60% - 80%。②不同時間尺度降雨量的空間變異程度不同，2、6、24 h最大降雨量的變異系數(shù)C。分別為0.27 - 0.93、0.06 - 0.81、0.06 - 0.69，呈減小趨勢;3d到7d尺度上C_v值并非一直減小;月降雨的C_v以6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v為0.05 - 0.11。③暴雨中心在2004年、2005年分布在流域上游，2006年則移至下游。降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強度增大及降雨量增大而減小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

關鍵詞：空間變異;時間尺度：降雨;岔巴溝流域;黃土高原

中圖分類號：TV856;TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn。1000-1379.2019.03.001

黃土高原位于我國干旱半干旱地區(qū)，水資源極度匱乏[1]，其主要補給來源是降雨，但降雨比較集中且多為暴雨，分布極不均勻，因此研究降雨的時空變化特征，對于該地區(qū)水資源的形成具有重要意義。近年來，我國學者在降雨量時空變化方面開展了許多研究，主要以日降雨資料為基礎分析年內降雨集中度及集中期[2]、侵蝕性降雨量[3]、10 a尺度的降雨量動態(tài)變化[4等，但小時尺度的分析研究較少，而黃土高原的降雨土壤人滲量與小時尺度的雨強有很大關系5，因此分析小時尺度降雨的變化特征就顯得特別重要。

岔巴溝流域作為黃土高原最具代表性的小流域，水文循環(huán)試驗研究的基礎比較好[6-9]。中國科學院地理科學與資源研究所與黃委共同建立了岔巴溝流域水循環(huán)試驗基地，流域內布設有13個雨量站。本文基于13個雨量站2004-2006年的降雨觀測數(shù)據(jù)，分析2h、6h、24 h、3d、7d、1月、年（5-10月）等7個時間尺度降雨量的空間變異特征，以期為黃土高原地區(qū)降雨人滲量、產流量、侵蝕量、地下水補給量的計算提供基本的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

岔巴溝流域位于陜西省北部子洲縣境內，是黃河中游支流無定河的二級支流，流域面積為205 km2，曹坪雨量站以上面積為187 km2，流域中心位置為北緯37°43′、東經109°55′，高程897 -1 302 m，西北高、東南低，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)（見圖1）。根據(jù)1959-2006年的降雨量資料可知，流域內最大年降雨量為636 mm（1978年），最小為218 mm（1997年），多年平均降雨量為389 mm，其中1959-1970年平均降雨量為448 mm，1971-2000年每10 a的平均降雨量分別為352、389、349 mm。流域年內降雨分配極不均勻，90%以上集中在5-9月，且以大雨強短歷時暴雨為主，最大雨強為3.5 mm/min，大雨強降雨過程具有很強的空間變異性[7]。

2 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

項目組觀測了研究區(qū)2004-2006年5-10月的降雨量，觀測儀器為南京水利水文自動化研究所研制的JDZ-I型雨量數(shù)據(jù)采集器，觀測最小時間間隔為5min，以每日早8時到次日早8時作為當日降雨量。

本文采用5 min降雨數(shù)據(jù)分析流域內單站各時段最大降雨量為暴雨的降雨量空間變異性。歷時2h、6h降雨的暴雨標準分別為18.7、31.6 mm[10]，24 h暴雨的等級劃分采用氣象標準。有學者認為應用地統(tǒng)計學方法（如協(xié)克里格法）對黃土高原降雨進行插值的效果更好[11-12]，但由于研究區(qū)雨量站點密集，不同插值方法的差別不大[13]，因此采用反距離權重法進行空間插值?？臻g變化指標采用面雨量離差系數(shù)C_v、流域空間極端降雨比值系數(shù)α（最大、最小點降雨量的比值）和降雨不均勻系數(shù)η表示[14]，其公式分別為

3 結果與討論

3.1 典型站降雨基本特征

以典型雨量站——曹坪雨量站為例，分析單站的降雨基本特征。2004-2006年曹坪站降雨量分別為351.4、356.0、519.5 mm，根據(jù)多年降雨序列分析，2004年、2005年均為平水年，2006年為豐水年。這3a日降雨量大于1 mm的天數(shù)分別為47、38、49 d（見圖2），90%以上的降雨集中在5-9月，其中以7-8月最多，2004-2006年7-8月降雨量占全年的比例分別為51%、42%、57%。7-8月降雨以中雨、大雨和暴雨為主，瞬時雨強在60 mm/h以上甚至達到180 mm/h，20min最大降雨量為14.4 mm，th最大降雨量為27.0mm，2、6、24 h最大降雨量分別為33.0、52.8、100.2 mm（見表1），2004-2006年最大場次降雨量分別為54.4、46.4、100.8 mm，其他月份以中小雨為主。

從降雨歷時來看，2004年有4場降雨歷時為24 -40 h，2005年有3場降雨歷時為18 - 31 h，2006年降雨歷時最短，一般持續(xù)6-12 h，最長為18 h。降雨類型方面也有較大的年際變化，2004-2005年每年有6-7場中雨，降雨量占年降雨量的30%;3 -4場大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的30% - 40%。2006年中雨場次增至13場，降雨量占年降雨量的36%;4場大雨、暴雨，降雨量占年降雨量的48%。整體來看，曹坪站的降雨表現(xiàn)為短歷時中到大雨。

3.2 不同時間尺度的空間變異特征

（1）2、6h及24 h最大降雨量6]。圖3-圖5分別為2、6、24 h最大降雨量的空間分布，在分組對比時綜合考慮了降雨歷時及空間變異性等因素，以便對比長歷時降雨在不同時間尺度的空間變異。2h最大降雨量的空間變異最顯著，C_v、α、η的變化范圍分別為0.24-0.93、1.90-64.75、0.30 - 0.74，大部分為a>3的局地暴雨。2h最大降雨量分別為62.2 mm（2004年8月19日）、51.4 mm（ 2005年8月2日）、40.2 mm（ 2006年7月30日）（見圖3）。6h尺度上大部分降雨的空間變異性減?。ㄒ妶D4），C_v、α變化范圍分別為0.06 -0.81、1.11- 10.54.η基本不變，局地暴雨所占比例下降。24 h最大降雨量分別為96.0、76.0、100.4 mm（見圖5），均發(fā)生在8月，C_v、α分別為0.06 - 0.69、0.47 -

4.31，η增大為0.43 -0.92。

（2）3 d和7d最大降雨量。2004-2006年3d最大降雨量的均值分別為63.1、56.7、106.5 mm，極差分別為65.8、37.2、17.2 mmn從3d到7d尺度上，C_v值并非一直減小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v.值和極差反而大于3d最大降雨量的（見圖6），7d最大降雨量分別為74.3、93.4、131.8 mm，極差都在60mm左右。

（3）月降雨量及年（5-10月）降雨量。各站月降雨量的變化大致與曹坪站相似，7-8月降雨量占年降雨量的比例平均值為58%（見表2），其中：2004年所占比重為46%（桃園山）- 73%（李家墕），平均為61%;2005年為45%- 63%，平均為55%;2006年則為50% - 65%，平均為59%。從空間分布上來看（見圖7），2004年6月空間變異最大，C_v，為0.34;2005年9月空間變異最小，C_v為0.09，空間變異性與3d和7d最大降雨量基本相當。

2004-2006年岔巴溝流域年均降雨量分別為360.3、378.0、502.9 mm，C_v分別為0.07、0.11、0.05，α值分別為1. 34、1.46、1.22。2004年降雨量最大值為420.8 mm（馬虎墕）;2005年降雨量最大值為458.0 mm（朱家陽灣），最小值為313.6 mm（姬家鹼）;2006年最大降雨量為557.0 mm（桃園山），最小值為457.2 mm（馬虎墕）。2006年各站平均降雨量比2004年、2005年的分別大142.6、124.9 mm。岔巴溝流域各站2004-2006年總降雨量與高程之間并沒有體現(xiàn)出明顯的高程效應。

（4）局地降雨特征分析。11場暴雨的降雨中心以及主要降雨（主雨）歷時見表3。對比不同時間尺度降雨量的空間變化可以看出，2004年的暴雨中心在李家墕、馬虎墕，2005年在朱家陽灣、王家墕，2006年則移動至曹坪、牛薛溝和桃園山三站。整體來說，2004年、2005年的降雨中心在流域上游，2006年則移至下游。

從時間上來看，暴雨主要發(fā)生在7-8月，降雨歷時短、雨強大，如2004年8月10日16時到18時李家墕站降雨量為51.8 mm，8月18日6時到8時降雨量為62.2一，兩次降雨占該月降雨量的57%。該類暴雨降雨中心的雨強很大、主雨歷時很短且籠罩面積小[10]，空間變異性很強。長歷時的大雨、暴雨主要發(fā)生在8月下旬及9月，這類降雨的空間不均勻性減小（η為0.43 -0.92），主雨持續(xù)14-28 h，如2006年8月29日桃園山站10 h降雨量為92.2 mm，2h降雨量超過20 mm的時段有4個，叼高達0.92。由此也可以看出，降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強度增大、降雨量增加而減小，水汽的運移強度及影響范圍對降雨的空間分布有重要影響。

為分析局地降雨所占的比例，定義α≥5的中小雨或α≥2的大雨為局地性降雨。2005年5-10月共有局地性降雨32次，累計降雨量為206.5 mm，占總降雨量的55%，5-9月每月的局地性降雨都在5次以上，其中8次局地性暴雨出現(xiàn)在7-8月，累計降雨量占總降雨量的40%。2006年有局地性降雨28次，累計降雨量占總降雨量的40%，其中局地暴雨5場（占24%）。這說明局地性強的對流性降雨和大尺度平流降雨是研究區(qū)的主要降雨類型12，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

豐水年的2006年降雨在各時間尺度上的C_v均最小，表明豐水年降雨的不均勻性受季風強度增強、水汽混合作用強的影響而有所減弱，而在平水年的2004年、2005年，降雨水汽在形成過程中所經歷的混合作用較弱，局地降雨所占的比重很大。盡管如此，2006年7d最大降雨量的變異性反而大于3d最大降雨量的（見圖6），說明局地性的對流性降雨始終是研究區(qū)的一種普遍降雨類型。也可以看出，黃土高原丘陵溝壑區(qū)降雨的不均勻性非常顯著，時間尺度越小，點降雨量的代表性越弱，因此降雨的時空變異性是整個流域土壤人滲、地下水補給研究的前提。

根據(jù)各站的降水量進行相關性分析結果，可將13個站分為5組，每組的站間距一般小于5 km。位于流域西北分水嶺附近的最高點——和民墕單獨編為第①組;第②組的5個站（劉家墕、朱家陽灣、萬家墕、王家墕、牛薛溝）沿主河道走向呈條狀分布，最大間距為12.8 km;第③組包括李家墕、馬虎墕兩站：第④組包括杜家山、姬家鹼、小姬三站;第⑤組包括桃園山、曹坪兩站。降雨量相關系數(shù)與站間距的分析結果表明，站間距是影響雨量空間變異性的首要因素。同時，海拔和流域地形地貌條件影響下的水汽運移也是不可忽視的因素，研究區(qū)的點降水量代表性非常有限。此次分組結果可為雨量站的布設提供參考。

4 結論

（1） 2004-2006年，曹坪雨量站7-8月以中雨、大雨、暴雨為主，其他月份以中雨、小雨為主。每年有3-4場大雨、暴雨和6- 13場中雨，占全年降雨量的60% - 80%。

（2）在不同時間尺度上，空間變異性表現(xiàn)出不同的特征。2h尺度上降雨空間變異性顯著，2h最大降雨量的變異系數(shù)C_v為0.27 -0.93.6 h尺度上降雨空間變異性減小，24 h最大降雨量的C_v為0.06 - 0.69;從3d到7d尺度上，C_v值并非一直減小，2005年、2006年7d最大降雨量的C_v，值和極差反而大于3d的;月降雨量的C_v為0.09 - 0.34，其中6月最大，年（5-10月）降雨量的C_v為0.05 - 0.11。

（3）2004年、2005年暴雨的降雨中心位于流域上游，2006年移動至下游。降雨量的空間變異性隨著豐水年水汽運移強度增大、降雨量增加而減小，局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空間不均勻性的主要原因。

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