張欣然

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

遼東地區(qū)主要為丹東、本溪兩市，屬于遼寧省暴雨易發(fā)區(qū)，20年一遇暴雨洪水發(fā)生的頻率為45.2%[1]。流域內(nèi)水系較多，多年平均降水量為1200mm左右。遼東地區(qū)主要為山區(qū)，降雨時空分布的不均勻?qū)α饔虻漠a(chǎn)生損失較大，并且影響社會的穩(wěn)定發(fā)展[2]。因此對于遼東地區(qū)降水非均勻特征的研究具有十分重要的現(xiàn)實和理論意義。降水年內(nèi)分配的不均勻性主要通過集中度和集中期進行衡量，這兩個指標可有效反映降水年內(nèi)分配的過程[3]。從2010年以來，對于降水集中度和集中期的研究逐步得到國內(nèi)學者的關(guān)注和研究[4- 8]，但是這些研究大都針對降水頻率及強度時空分布變化分析的研究[9- 15]，對于降雨非線性時空變化特征的研究還較少，為此本文結(jié)合遼東地區(qū)35個降雨站點日降水數(shù)據(jù)，結(jié)合降水集中度和集中期分析指標對降雨非均勻時空變化的非線性特征進行分析，對遼東地區(qū)降雨變化規(guī)律進行探討，對于區(qū)域水旱災害時空演變和區(qū)域水量平衡分析具有一定的參考價值，也可對區(qū)域農(nóng)業(yè)防災減災及正常生產(chǎn)起到指導作用。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文選取遼東流域內(nèi)分布較為均勻且站點序列較為完成的35個降雨站點，資料系列的長度為1954—2019年，資料來源于《遼寧省水文年鑒》，35個降水站點最大24h雨量見表1，具體分布如圖1所示。

表1 區(qū)域內(nèi)降水站點最大24h雨量

(續(xù)表)

圖1 降雨站點站點分布

1.2 降水集中度及集中期的計算方法

本文主要應用參考文獻[16]中介紹的方法，該方法將一年中的不同月份組成一個圓，將不同月份的降水量組成矢量模，從而對降水年內(nèi)分配的矢量過程參數(shù)進行分析，降水集中度(PCD)和集中期(PCP)指標的計算方程分別為：

(1)

pcpi=art(Rxi/Ryi)

(2)

其中：

Rxi=∑rij·sinθj

(3)

Ryi=∑rij·cosθj

(4)

式中，pcdi—第i年降水集中度；pcpi—第i年降水集中期；Ri—雨量站第i年降水量，mm；rij—第i年的第j月的降水量，mm；θj—第j月份對應的方位角。

PCD可以對降水年內(nèi)分配的集中度進行反映，若降水主要集中在其中幾個月份內(nèi)，則向量合成值與降水量總值的比值為1，表明降水集中度的極大值。反之，若各月份降水量相同，則各降水分量累積值為0，表明降水集中度最低，PCP表示為降水矢量方向角，表征各月份降水量總體合成度，表2為不同月份方向角與降水矢量對應的相關(guān)性，如PCP的值在135～145范圍內(nèi)，則對應的時間為6月上旬。

表2 不同月份方向角與降水矢量方向?qū)姆秶?/p>

2 遼東區(qū)域降水集中度和集中期時空變化特征

2.1 年降水量均值及變異系數(shù)空間分布特征

結(jié)合遼東地區(qū)35個降水站點1954—2018年降水數(shù)據(jù)，對其年降水多年均值和變異系數(shù)空間分布特征進行分析，如圖2所示。

圖2 遼東地區(qū)年降水均值及變異系數(shù)空間分布

從降水多年均值的分布結(jié)果可看出，遼東地區(qū)多年平均降水量在800～1200mm的區(qū)域主要集中在本溪的南部和丹東的中部，丹東地區(qū)中部降水量接近1200mm，屬于遼東地區(qū)的暴雨中心區(qū)域，而本溪的北部降水在400～600mm之間，其中賽馬站降水量最低為300mm，屬于遼東地區(qū)降水最少的站點。從多年降水空間分布可看出，總體表現(xiàn)為從北向南逐步遞減變化，多雨中心主要位于南部。由于變異系數(shù)可對較長數(shù)據(jù)系列的穩(wěn)定度及相對變化的特征，利用遼東地區(qū)35個降水站點的變異系數(shù)，進行空間插值得到全流域變異系數(shù)，從圖中可看出，35個降水站點的變異系數(shù)集中在0.13～0.24之間，空間分布總體為從北向南，從西向東對稱分布，東南區(qū)域變異系數(shù)在0.19～0.22之間，而西北大都季總在0.13～0.16之間，本溪北部及丹東西部變異系數(shù)多在0.16以下，屬于較低區(qū)域，即降水變化幅度較小的區(qū)域。

2.2 降水集中度及集中期空間分布特征

結(jié)合降水集中度和集中期的計算方法，對流域內(nèi)35個降水站點的降水集中度和集中期進行計算，并結(jié)合空間插值方法對其空間分布進行分析，如圖3所示。

圖3 遼東地區(qū)降水集中度及集中期均值空間分布

從圖3可看出，從北向南降水集中度總體遞減，本溪東部和丹東南部屬于降水集中度的高值區(qū)域，降水集中度均在0.42以上，丹東南部更高，接近0.52，本溪的北部屬于降水集中度較低的區(qū)域。遼東地區(qū)35個降水站點的降水集中期在115～169之間，所對應的時間均為7月下旬至8月上旬，從總體空間分布可看出，丹東南部和本溪的東部降水集中期偏大，對應的時間有所提前，本溪的北部降水集中期有所減少，降水集中期有所滯后。

2.3 降水集中度及集中期變異系數(shù)空間分布特征

在降水集中度和集中期年均值變化分析基礎(chǔ)上，對其變異系數(shù)的空間變化特征進行分析，重點分析其降水集中度和集中期的穩(wěn)定程度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 遼東地區(qū)降水集中度及集中期變異系數(shù)空間分布

從圖4中可看出，降水集中度的變異系數(shù)集中在0.13～0.31之間，空間上總體為從西北到東南逐步增加的空間變化分布，丹東南部及本溪的東部個別站點降水集中度變異系數(shù)較小，西北部的變異系數(shù)均高于0.25，從而說明遼東地區(qū)近50年降水集中度東部和南部總體較為穩(wěn)定。從35個降水站點降水集中期變異系數(shù)的空間分布可看出，大都在0.16～0.25之間，東部和南部降水集中期變異系數(shù)較大，遼東地區(qū)的東南部降水集中期變化度較大，而西部和北部雖然降水集中度變化度較大，但集中期較為穩(wěn)定。

2.4 降水集中度及集中期與年降水相關(guān)性空間分布特征

降水集中度和集中期和年降水具有一定的相關(guān)性，統(tǒng)計分析遼東地區(qū)降水集中度和集中期與年降水的相關(guān)系數(shù)的空間分布，如圖5所示。

圖5 遼東地區(qū)降水集中度及集中期與年降水相關(guān)系數(shù)空間分布

從圖5中可看出，丹東南部和本溪東部的降水集中度和年降水總體呈現(xiàn)正相關(guān)性，其他區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均為負，且相關(guān)性顯著度較低，從遼東地區(qū)35個降水站點降水集中期和年降水相關(guān)性空間分布結(jié)果可分析，丹東中部和東部為正相關(guān)，而本溪北部及中部呈現(xiàn)負相關(guān)，隨著降水量的增加，降水集中期均有所滯后。

2.5 降水集中度及集中期M-K空間趨勢分布特征

采用M-K趨勢檢驗方法對遼東地區(qū)35個降水站點的降水集中度和集中期空間變化趨勢的顯著性進行檢驗，統(tǒng)計分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 遼東地區(qū)降水集中度及集中期的M-K空間趨勢檢驗結(jié)果

從圖5中可看出，遼東地區(qū)有15個降水站點降水集中度不顯著上升(M-K統(tǒng)計值在0.54～1.28之間)，從空間分布可看出，降水集中度顯著下降的站點主要分布在本溪地區(qū)(M-K統(tǒng)計值在-1.34～-1.28之間)，顯著上升的站點主要分布在丹東東南部山區(qū)(M-K統(tǒng)計值在1.28～-1.39之間)。遼東地區(qū)的西部和北部區(qū)域各站點降水集中度變化顯著性不高.因此遼東地區(qū)降水集中度總體變現(xiàn)為顯著性有所減小，東部和南部顯著性有所上升。從降水集中期的M-K空間變化趨勢分析結(jié)果可看出，11個降水站點降水集中期不顯著上升(M-K統(tǒng)計值在0.54～1.28之間)，3個降水站點顯著上升，其余站點顯著下降趨勢不明顯，從空間分布總體分析，顯著上升的降水站點主要分布在本溪的北部和丹東的西部和中部，總體而言，遼東地區(qū)降水集中期的主要以顯著不上升的變化趨勢，即降水集中期滯后趨勢較為明顯，但顯著性較低。

2.6 豐水年和枯水年降水集中度及集中期合成分析

采用合成分析方法，對遼東地區(qū)豐水年和枯水年的降水集中度和集中期進行合成分析，其合成值空間分布結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出，豐水年和枯水年降水集中度在空間分布總體具有一定的相似度，在空間上均為從東南向西北逐步遞減，丹東的東部和本溪的南部屬于高值區(qū)域。本溪的北部和丹東的西部均屬于低值區(qū)。豐水年和枯水年降水集中度差異較大，通過分析豐水年35個降水站點降水集中度均低于枯水年降水集中度，從各站點降水集中度均值可看出，在豐水年降水集中度為0.43，枯水年為0.46，可見降水較小的年份降水集中度更大。豐水年降水集中期空間變化趨勢顯著性較低，空間變化度較大，丹東的東部和本溪的南部降水集中期在137～149之間，對應時間為7月下旬—8月上旬，西部和北部的降水集中期對應時間為7月中旬—8月中旬，其余各站點對應的時間為7月中旬和8月上旬。從豐水年和枯水年的降水集中期對比分析可看出，35個降水站點有20個站點的豐水年降水集中期大于枯水年，從流域平均降水集中期可分析，豐水年降水集中期為164.5，對應時間為7月20—8月15日。枯水年的降水集中期均值為135.5，對應時間為7月15—8月5日，即為豐水期較枯水期平均每年滯后約為15天。

2.7 年降水集中度及集中期變化過程分析

在降水集中度和集中期空間分析基礎(chǔ)上，對遼東地區(qū)35個降水站點進行面積加權(quán)，獲得面平均降水，在面平均降水數(shù)據(jù)系列基礎(chǔ)上，對其降水集中度和集中期的年變化過程進行趨勢分析，結(jié)果如圖8所示。

圖7 遼東地區(qū)豐水年、枯水年期間降水集中度和集中期合成值空間分布

圖8 遼東地區(qū)1954—2018年降水集中度及集中期年變化過程

從圖8中可看出，遼東地區(qū)降水集中度總體呈現(xiàn)上升變化趨勢，尤其在2000年以后，降水集中度遞增較為明顯，表明2000年以后，遼東地區(qū)降水更為集中，尤其是發(fā)生大量級暴雨頻次也有所增加，但降水集中度年變化趨勢整體性較弱，降水集中度總體變化較為穩(wěn)定。從降水集中期的年變化趨勢可看出，降水集中期的遞增趨勢明顯高于降水集中度的變化趨勢，從圖7中可看出，在2002年以后，遼東地區(qū)降水集中期呈現(xiàn)明顯的直線上升變化，表明從2002年以后，區(qū)域發(fā)生降水的時間越來越集中。

3 分析結(jié)論

(1)遼東地區(qū)降水集中度發(fā)生顯著上升的區(qū)域主要集中在丹東的東部和本溪的南部，其他區(qū)域變化不顯著，而降水集中期顯著上升的區(qū)域主要位于丹東的南部和本溪的東部，本溪北部和丹東的西部降水集中期顯著下降。

(2)遼東地區(qū)在豐水年降水集中度為0.43，枯水年為0.46，降水較小的年份降水集中度更大。豐水年降水集中期對應的時間為7月20—8月15號，豐水期較枯水期平均每年滯后約為15天。

(3)本文未對遼東地區(qū)降水集中度和集中期變化成因進行分析，在以后研究中還需深入分析其變化原因，尤其是氣候變化的響應關(guān)系。