張嬌嬌

（長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)站）

全球氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的影響已成為世界關(guān)注的重要課題，IPCC《全球1.5℃增暖》特別評(píng)估報(bào)告中指出，2017年全球氣溫已比工業(yè)化前水平大約高出1℃，如果以當(dāng)前的速率繼續(xù)升溫，全球氣溫將在2030-2052年比工業(yè)化前水平高出1.5℃[1]，這將導(dǎo)致有些地區(qū)強(qiáng)降水天氣增加或者干旱（降水不足）的概率上升。因此，研究區(qū)域降水變化規(guī)律，對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有重要意義。

近些年來(lái)，大量學(xué)者針對(duì)降水量變化特征進(jìn)行了研究分析，羅建維利用賓川縣64 a 資料，采用線性趨勢(shì)法、Mann-Kendall、Morlet 小波等方法分析出賓川縣降水年內(nèi)分配不均，呈豐枯交替出現(xiàn)，時(shí)間尺度變化規(guī)律[2]；王一鳴等采用線性趨勢(shì)方法對(duì)良縣降雨量變化特征進(jìn)行了分析[3]；羅應(yīng)忠等使用線性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)等方法對(duì)盤(pán)州市年降水量和各季節(jié)降水量進(jìn)行時(shí)了分析，得出降水量總體呈下降趨勢(shì)，6、7月是夏季出現(xiàn)降雨最多的月份[4]；趙靜敏等利用頻率法對(duì)長(zhǎng)治市的降水特性進(jìn)行了分析[5]。本文基于長(zhǎng)子縣6 個(gè)雨量站（圖1）近64 a 實(shí)測(cè)降雨資料，采用P-Ⅲ頻率曲線法、一元線性回歸、模比系數(shù)差積曲線、滑動(dòng)平均、小波分析等方法進(jìn)行降水特征分析，可為研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)域概況

長(zhǎng)子縣位于山西省東南部，地處黃土高原南部，上黨盆地西側(cè)。境內(nèi)地勢(shì)西高東低，為太岳山向長(zhǎng)治盆地的過(guò)渡帶，海拔在900～1 000 m 之間，最低處的董村一帶海拔907 m。屬北方暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性氣候，四季分明，季風(fēng)強(qiáng)盛，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，全年日照充足。

長(zhǎng)子縣是山西省農(nóng)業(yè)大縣，是國(guó)家農(nóng)業(yè)部授予的“中國(guó)青椒之鄉(xiāng)”、“山西省糧食基地縣”。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，素有“米糧川”之稱，主要農(nóng)作物品種有玉米、谷子、小麥、高梁、薯類(lèi)、煙草、蔬菜等。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

研究數(shù)據(jù)選用長(zhǎng)子縣6 個(gè)雨量站1956-2019年降水量資料，分別為良坪站、馬箭站、陽(yáng)魯站、長(zhǎng)子站、西范站和東萬(wàn)戶站（見(jiàn)圖1），平均站網(wǎng)密度為177 km2/站，基礎(chǔ)資料全部采用整編和審查后的實(shí)測(cè)降雨量資料。利用P-Ⅲ頻率曲線法、一元線性回歸、模比系數(shù)差積曲線、滑動(dòng)5年平均、Morlet 小波分析等方法，對(duì)長(zhǎng)子縣1956-2019年系列的年、月降水量變化進(jìn)行特征分析。

圖1 長(zhǎng)子縣降雨量站點(diǎn)分布圖

3 降水量變化特征分析

3.1 年際變化分析

3.1.1 豐枯特征分析

降水量的變化規(guī)律受氣候、緯度等多種因素影響。長(zhǎng)子縣位于中緯度地域，處在季風(fēng)氣候控制范圍內(nèi)，季風(fēng)強(qiáng)盛，降水量的年際變化大，并有豐水段和枯水段交替出現(xiàn)的規(guī)律。

通過(guò)P-Ⅲ頻率曲線法對(duì)長(zhǎng)子縣降水量進(jìn)行頻率分析計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，長(zhǎng)子縣多年平均降水量1956-2019年為617.0 mm，折合水體65 402 萬(wàn)m3。系列中年最大降水量出現(xiàn)在2003年，為1 011.9 mm，年最小降水量出現(xiàn)在1997年，為401.3 mm，值比2.52。偏豐水年（P=20%）降水量727.0 mm，比多年平均值偏多17.8%；平水年（P=50%）降水量607.0 mm，比多年平均值偏小1.6%；偏枯水年（P=75%）降水量521.0 mm，比多年平均值偏小15.5%；枯水年（P=95%）降水量412.0 mm，比多年平均值偏小33.2%，詳見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)子縣1956-2019年降水量特征值表

按年代分析（表2）可知：1956-1960、1961-1970、1971-1980 和2001-2010年普遍偏豐，與多年平均降水量相比，分別偏豐2.8%、10.0%、2.9%和3.2%；其他各年段：1981-1990年偏枯8.9%，1991-2000年偏枯5.6%，2011-2019年偏枯3.4%。由圖2可知，長(zhǎng)子縣多年平均降水量總體呈下降趨勢(shì)，傾向率為-1.25 mm/a，特別是到80年代初到90年代降水量下降明顯。

圖2 長(zhǎng)子縣1956-2019年平均降雨量變化曲線

表2 長(zhǎng)子縣各年代平均年降雨量變化趨勢(shì)表

3.1.2 周期性分析

周期性是指水文要素的歷史演變經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后再行出現(xiàn)的現(xiàn)象。通過(guò)降水量模比系數(shù)差積曲線、滑動(dòng)5年過(guò)程線，可分析出降水周期性變化規(guī)律，圖3 以長(zhǎng)子站為代表站分析，該站有兩個(gè)豐水段1956-1977年、1995-2005年，降水持續(xù)周期分別為22年、11年，平均降水量較多年平均分別偏多11.9%、3.2%；有兩個(gè)枯水段1978-1994年、2006-2011年，降水持續(xù)周期分別為17年、6年，平均降水量較多年平均分別偏少11.9%、9.8%；有一個(gè)平水期2012-2016年，周期為5年，平均降水量較多年平均僅偏多1.1%，得出長(zhǎng)子縣降水量模比系數(shù)差積曲線有完整的豐平枯周期，其中降水尺度為22年（1956-1977年段）時(shí)降水波動(dòng)較大。

圖3 長(zhǎng)子站1956-2019年降水量模比系數(shù)差積曲線及5年滑動(dòng)曲線

為更具體了解長(zhǎng)子縣降水周期變化特征，采用Morlet 小波分析法，對(duì)長(zhǎng)子縣64 a 平均降雨時(shí)間序列進(jìn)行小波分析。將長(zhǎng)子縣年平均降水量距平值代入Morlet 小波函數(shù)中，計(jì)算出小波變換的模平方和實(shí)部，分別得到它們的二維等值線圖（圖4）。

圖4 長(zhǎng)子縣年平均降雨量小波變換的模平方和實(shí)部的時(shí)頻分布圖

通過(guò)繪制長(zhǎng)子縣平均降雨量距平序列Morlet 小波變換模平方的時(shí)頻變化和實(shí)部時(shí)頻變化，可以看出不同時(shí)段周期的強(qiáng)弱分布、周期變化等情況，降雨過(guò)程中存在幾個(gè)尺度振蕩周期，其中，22-28年時(shí)間尺度振蕩周期最強(qiáng)。

通過(guò)長(zhǎng)子縣年降水小波方差（圖5）可知，降雨時(shí)間序列存在7年、22年、28年左右的主要周期，其中22年周期上的峰值最大，表明該周期上的能量振動(dòng)較強(qiáng)，對(duì)小波方差的貢獻(xiàn)較大；7年和28年時(shí)間周期下的峰值較小，其能量振動(dòng)較小，對(duì)小波方差的貢獻(xiàn)較小。因此，以22年為一個(gè)周期演變最為明顯，這一周期控制著長(zhǎng)子縣降雨在長(zhǎng)系列內(nèi)變化特征。

圖5 小波方差圖

3.2 年內(nèi)變化分析

從長(zhǎng)子縣多年實(shí)測(cè)月降水量值來(lái)看（圖6），長(zhǎng)子縣降水量年內(nèi)分配呈單峰型，連續(xù)最大4 個(gè)月降水量均出現(xiàn)在汛期6-9月，汛期降水量占全年降水量的69%，7月降水量達(dá)到最大，為154.7mm。12月至3月，是降水量最少的時(shí)期，4 個(gè)月降水量?jī)H占全年降水量的7%，1月降水量最小，為5.7mm，由此可見(jiàn)長(zhǎng)子縣降水量的年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期。

圖6 長(zhǎng)子縣1956—2019月降雨量變化曲線

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)1956-2019年平均降水量為617 mm，年最大降水量1 011.9 mm，年最小降水量401.3 mm，極值比2.52。降水量總體呈下降趨勢(shì)，傾向率為-1.25 mm/a。

（2）研究區(qū)降水序列有完整的豐平枯周期，通過(guò)小波分析得出，降雨序列在22年尺度上峰值最大，對(duì)小波方差的貢獻(xiàn)最大，為主周期。

（3）研究區(qū)年內(nèi)月平均降水量分配呈單峰型，連續(xù)最大4 個(gè)月降水量出現(xiàn)在6-9月，占全年降水量的69%。