黑河流域降水量年內分配格局研究

馬正耀

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

流域降水量的變化通常包含“量”和“結構”的變化。前者通常是指降水總量數值上的變化，而后者則注重從降水過程的“形狀”上進行分析。本文著重分析探討黑河流域降水量不同區域年內分配布局形態。

1 流域自然概況

1.1 自然地理

黑河流域位于祁連山和河西走廊的中段，在東徑96°42'～ 102°04'，北緯 39°45'～ 42°40'之間。東起山丹縣境內的大黃山與石羊河流域接壤，西部以嘉峪關境內的黑山為界與疏勒河相鄰，南起青海祁連縣境內的祁連山南北分水嶺，北至中蒙邊境，流域總面積12.8×104km2。流域地勢西高東低，南高北低，流域南部為青藏高原北部邊緣的祁連山地，流域面積 1.001×104km2，海拔 2 000～5 000m，山高坡陡，溝壑縱橫，森林密布，灌木、喬木茂盛，在4 000m以上發育有現代冰川，最高峰團結峰5 826.8m，是黑河流域的主產流區和水源涵養區;流域中部地處河西走廊，為綠洲農業灌溉區，流域面積2.56×104km2，是黑河流域的耗水區和徑流利用區;流域北部屬阿拉善高原區，除黑河河流兩岸和居延三角綠洲外，大部分為荒漠、沙漠和戈壁，屬極度干旱區，為徑流消失區。黑河流域從南到北包含了高山冰雪帶、森林草原帶、平原綠洲帶及戈壁荒漠帶等不同的水文地貌單元。

1.2 水汽來源及氣候特點

本區位于歐亞大陸腹地，遠離海洋，為典型的大陸性季風氣候。夏季，東南太平洋曖濕氣流途經我國大陸，翻越秦嶺和黃土高原影響本區;西南氣流可翻越青藏高原，把印度洋和孟加拉灣等南亞洋面的水汽輸入本區。本區氣候特征具有明顯的空間分異性:南部祁連山區氣溫低，中部走廊區氣候相對干燥，下游額濟納旗盆地極度干燥［1，2］。區域內一年四季氣候的變化特點是:冬季雨雪少，寒冷時間長;春季升溫快，冷暖變化大;夏季氣溫高，降水多且集中;秋季降溫快，初霜來臨早［3］。

2 降水資料情況

本次對黑河流域降水量年內分配格局的研究，是根據流域內地形特點和水文特性，把黑河流域分為深山區，淺山區，綠洲灌溉區和荒漠區四個地質單元進行統計分析。根據流域自然地理概況和流域內降水量觀測站點的分布情況，選用能代表流域分區特性，同步有完整、連續系列資料的札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽4個水文站點1964－2010年共計188站年的降水量資料進行統計分析。所選用的資料，均是經過相關部門審核整編的成果數據，資料可靠合理。參加分析計算的資料其中有部分觀測站點曾因各方面原因有過遷移，但先后觀測場地相距較近，下墊面條件基本沒有變化，可以認為其系列具有一致性。

3 降水量的區域性分布特點

統計計算黑河流域各分區代表站的多年平均降水量和離差系數Cv值如表1。

表1 黑河流域分區代表站降水量參數統計表

從黑河流域各分區代表站降水量參數統計表中反映出，黑河流域多年平均降水量深山區和淺山區接近，綠洲灌溉區年降水量占深山區降水量的41%，北部荒漠區降水量僅是深山區降水量的15%。流域降水量從高海拔地區向低海拔地區遞減，相應的離差系數逐步遞增，年降水量的離散程度逐步增大。

4 黑河流域降水量的的年內分配

黑河流域內降水量受水汽來源和下墊面因素的影響，年內分配極不均勻［1，4］。本文用札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽四個水文站的月年降水量實測資料，分別采用各月(或階段)占年降水量的百分比、年內不均勻系數、集中度(期)及絕對變幅，對黑河流域各分區降水量年內分配格局進行統計分析，以期為黑河流域水資源的研究、開發利用與合理配置提供參考依據。

4.1 黑河流域各月、汛期及非汛期降水量占年降水量的百分比

受東亞大陸季風氣候的影響，流域內降水量年內分配極不均勻，其特點是汛期降水量大而集中，春季雨水少而不穩，冬季雨雪稀少［1，4，5］。選取各分區月、年降水量觀測資料齊全，且系列較長能反映區域降不特性的站點作為分區代表站，分別計算多年平均各月降水量占年降水量的百分率及連續最大四個月占全年降水量的百分率見表2。

表2 黑河流域各分區代表站降水量年內分配表

黑河流域各分區代表站降水量月分配統計表中顯示，流域內各分區降水量年內分配情況大體一致，多年平均連續最大四個月降水量占全年降水量的70%左右，發生在6－9月份，深山區最大，到76.6%，其它分區較為接近，在69% ～70%之間;年內降水量最大的月份是7月份，占年總數的21%～24%，也數深山區最大;多年平均連續最小四個月降水量發生在11月至次年的2月份，降水量占年總量的5%左右，祁連山區最小，僅1.7%，綠洲灌溉區最大也只有5.3%;4、5月份是黑河中游地區農田灌溉的用水高峰期，降水量較少，4月份只有4% ～6%，5月份也只12%，因此，形成了該地區農業生產中幾乎年年都有的“卡脖子旱”的灌溉格局。

4.2 黑河流域降水量的年內分配不均勻性

用降水量年內分配不均勻系數Cv來衡量黑河流域降水量年內分配的不均勻性［6］。

降水量年內分配不均勻系數的計算公式如下:

式中:R(t)為年內各月降水量;R為年內月平均降水量。

由式(1)中可以看出，Cv值越大即表明年內各月降水量相差越懸殊，降水量年內分配越不均勻。

計算各分區代表站多年平均降水量不均勻系數見表3。

從表中反應出，黑河流域年內分配不均勻系數在不同區域也存在一定的差異，深山區最大，綠洲灌溉區又大于北部荒漠區，淺山區最小。

4.3 黑河流域降水量的年內分配集中度、集中期

集中度和集中期的計算，是將一年內各月的降水量作為向量看待，月降水量的大小為向量的長度，所處的月份為向量的方向［7］。從1月到12月每月的方位角 θ分別為30°，60°，90°…，360°(把圓周的度數 360°作為一年天數 365 日，一日相當于0.9863°)，并把每個月的降水量分解為x和y兩個方向上的分量，則x和y方向上的向量合成分別為:

于是降水量的合成為:

定義集中度Cd和集中期D如下式:

由(4)式可以看出，合成向量的方位，即集中期D指示了月降水量合成后的總效應，也就是向量合成后重心所指的角度，即表示一年中最大降水量出現的時間。而集中度則反映了集中期降水量值占年總降水量的比例。從降水量年內集中度Cd、集中期D計算原理可以看出，集中度很好地表達了降水量年內的非均勻分布特性，當降水量集中在某一月內時，則它們合成向量的模與年降水總量之比為1，即集中度Cd為極大值，如果每個月的降水量都相等，則它們各個分量累加后為0，即集中度為最小極限值，表明全年的降水量均勻地分配在l2個月中，集中度越大年內分配越不均勻。集中期則客觀地反映了一年中最大降水量出現的時間。

黑河流域各分區代表站多年平均降水量年內分配、集中度、集中期計算成果見表3。

表3 黑河流域各分區降水量年內分配特征值統計表

表中反映出，黑河流域各分區降水量的集中度分布格局和不均勻系數一致，深山區最大，集中期出現在7月18日，綠洲灌溉區大于北部荒漠區，集中期滯后深山區一天，出現在在7月17日，淺山區最小，集中期和北部荒漠區相一致，出現在7月16日。

4.4 黑河流域降水量年內分配的絕對變化幅度

降水量的絕對變化幅度是指最大最小月降水量之差，如下式:

由于流域所處地理位置的特點和受東亞大陸季風氣候的影響，黑河流域各分區冬春季部分月份降水量為零的情況時有發生［8］，因此，區域降水量年內分配的絕對變幅就是區域內代表雨量站年內最大月降水量。見表3，降水量變幅從深山區由東南向西北遞減。

4.5 形成黑河流域降水量的年內分配格局的成因

黑河流域深處內陸腹地，遠離海洋，降水量主要受季風氣候影響。夏秋季，東南太平洋和西南印度洋曖濕氣流途經本區。由于南部祁連山深山區海拔高，氣溫低，森林密布，灌木茂盛，空氣濕度大，淺山區植被低矮稀疏，山石裸露，氣候干燥寒冷，中部走廊區渠網密布，農田林地遍布，氣候較淺山區濕潤，下游除黑河沿岸間或有零星林草地外，多呈荒漠戈壁景觀，氣候極度干燥，曖濕氣流在運行的過程中，場降水量由東南向西北部遞減［1，4］。此外，在氣溫、風速、氣壓等自然條件適宜的情況下，無流域外部水汽來源，深山區森林植被吸收深層土壤水分供樹木蒸騰，水蒸氣隨大氣運動出森林之外，其中相當大一部分在林區附近凝結成雨，形成降水。冬春季，流域內西北風盛行，水汽來源稀少，干燥寒冷，各區域降水量大小基本一致。流域各分區特殊的地理位置及地形地貌特點，形成了黑河流域不同區域特殊的降水量年內分配格局。

5 結論

本文通過黑河流域不同分區四個代表雨量站從1964到2010年間的降水量實測資料，用降水量年內各月、汛期非汛期占年總降水量的百分比、年內不均勻系數、集中度(期)、及變化幅度等不同指標，具體分析了黑河流域降水量年內分配在不同區域的分布規律及成因。研究表明:

(1)黑河流域各分區降水量年內分配情況大體一致，多年平均連續最大四個月降水量占全年降水量的70%左右，發生在6－9月份，深山區最大，到76.6%，其它分區較為接近，在69%～70%之間;連續最小四個月降水量發生在11月至次年的2月份，降水量占年總量的5%左右，其余各月降水量分配較為均勻。

(2)黑河流域年內分配不均勻系數和集中度在不同區域存在一定的差異，二要素在大小趨勢分布上一致，深山區最大，綠洲灌溉區又大于北部荒漠區，淺山區最小;集中期出現在7月17日前后，深山區最早，淺山區和北部荒漠區一致，出現時間最遲;年內變幅由東南向西北、高海拔區向低海拔區遞減。

(3)所處地理位置、地形，地貌和季節性氣候特點是形成黑河流域不同區域年內分配格局特征的主要原因。

本文僅從面上分析研究了黑河流域不同區域降水量的年內分配格局，流域降水量年內分配沿時程演變規律有待進一步探討。

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