陸渾水庫控制區近50年夏季降水變化特征

王紀軍，竹磊磊，胡彩虹，潘 攀

(1.河南省氣候中心，河南 鄭州450003;2.鄭州大學，河南 鄭州450052)

水資源短缺已受到人們的廣泛關注，研究人員對水資源與氣候變化的關系開展了眾多分析. 胡彩虹等［1］利用陸渾水庫1987—2004年氣候和水文觀測數據率定了SWAT 模型參數，分析了未來氣候情景A1B 下覆被變化對徑流的影響.劉曉琴等［2］利用結構簡單、原理明確、參數較少的BUCKET 模型對陸渾水庫旬平均流量進行了模擬. 李海榮等［3］根據氣象資料論證、歷史洪水考證和實測洪水資料的分析確定了每年汛期的前汛期和后汛期的分界點. 李海榮等［4］利用旬降水量，運用模糊數學研究了水庫汛期的分期，并確定了各分期內的汛限水位.郝敬偉等［5］利用1960—2001年日降水量分析了陸渾水庫的汛期分期以及限制水位. 余衛東等［6］利用河南省1957—2005年的逐日降水資料，分析了不同強度降水量和降水日數的變化趨勢. 陳海生等［7］采用地統計和GIS 相結合的方法，以河南省1950—2000年氣象資料為基礎，研究了河南省年降水量、蒸發量和年盈虧量的空間變異和分布特征. 郭瑜等［8］利用1961—2009年河南省17 個站的日降水資料，分析了河南省降水量、降水日數和極端強降水事件的變化特征.

目前的研究成果要么使用的資料在時間上序列偏短，要么是所用資料在空間尺度上分辨率較低，而降水本身在空間上具有不連續性，空間變異較大，為了更準確地把握陸渾水庫控制區域的夏季降水時空變化特征，特開展以下研究工作.

1 研究區概況

陸渾水庫位于河南省洛陽市嵩縣田湖鎮陸渾村附近，1959年開始修建，水庫集水面積3 674 km2，總庫容13.2 ×108m3，水庫以防洪為主，兼顧灌溉、發電和供水.水庫位于黃河二級支流伊河上，距洛陽市67 km，控制流域面積3 492 km2，占伊河流域面積的57.9%.

2 資料和方法

1961—2012年逐月降水資料來自河南省信息與技術保障中心，包括6 個氣象觀測站點:宜陽、洛寧、伊川、欒川、汝陽和嵩縣.

利用數理統計方法揭示陸渾水庫控制區域的降水量時空分布特征.指標主要利用平均值、均方差和極差，分布擬合采用線性或者二次多項式，檢驗效果利用t－ 檢驗方法. 觀測樣本為χi(i = 1，2，…，n－1，n)，則計算公式如下.

平均值:

均方差采用無偏估計:

極值比:

3 結果與討論

3.1 夏季降水量與年降水量的關系

陸渾水庫控制區域歷年夏季平均降水量與年平均降水量的比值平均為0.48，而1981—2010年的比值平均為0.50，這表明20世紀70年代以前夏季降水量占年降水量的比例更小. 圖1給出了陸渾水庫控制區域氣象觀測站點平均夏季降水量與年降水量比值的年際變化特征. 圖中的氣候值為1981—2010年的平均值，最大值為陸渾水庫控制區域6 個氣象觀測站中夏季降水量與年降水量比值的最大值，最小值則為6 個觀測站中的最小值.無論是最大值還是最小值，與夏季平均降水量和年平均降水量之間的比值均具有極為顯著的線性相關關系，相關系數均在90%以上，能夠通過0.001 極為顯著性信度水平的檢驗，因而分析區域平均的比值就能夠全面反映夏季降水量占年降水量比例的特征.

1961—2012年52 a 間夏季降水量與年降水量的比值，1982年最大，達到0.69;2000年次之，也達到0.65. 歷年間夏季降水量與年降水量的比值，1997年最小，僅為0.22，不足年降水量的1/4;次小值為1985年的0.29，稍高于年降水量的1/4. 陸渾水庫控制區域夏季降水量與年降水量的比值具有明顯的年際變化特征，但沒有顯著的線性趨勢，以波動變化為主，年間均方差為0.10，年間均方差占歷年平均的21%.夏季降水量與年降水量的比值還有明顯的階段性變化特征.20世紀70年代中期以前，夏季降水量一般少于年降水量的50%，15 a 間只有1962年(0. 529)和1965年(0.545)的比值大于0.50;之后7 a 在高值區振蕩，接著連續有5 a 比值小于常年值;進入21世紀以后，夏季降水量和年降水量的比值基本上呈現準2 a 振蕩，在常年值附近跳躍變化.

圖1 夏季降水量與年降水量比值的年際變化特征

表1給出了陸渾水庫控制區域6 個氣象觀測站以及區域平均的夏季降水量與年降水量的線性關系.由表1可以看出，相關系數平均在0.65 以上，均能夠通過信度為0.001 的極顯著水平的檢驗，表明夏季降水量的時間變化特征很大程度上可以代表年降水量的時間變化特征.

表1 陸渾水庫控制區域各站夏季降水量與年降水量線性關系一覽表

3.2 夏季降水量

圖2給出了1961—2012年陸渾水庫夏季降水量平均值(直方圖)及其站間均方差(虛線)的年際變化特征.

陸渾水庫夏季降水量1981—2010年平均為324.6 mm.1961—2012年52 a 間降水量最大值出現在1996年，平均降水量為554.2 mm，各站降水量均在500 mm 以上.降水量最大值為宜陽的683.5 mm;最小值為504.7 mm，出現在洛寧，站間變異性較小，降水量最大值與最小值之比只有1.35.歷年夏季平均降水量最小值則為1997年的88.0 mm，各站間變異性最大，極值比達到5.3.陸渾水庫夏季降水量具有明顯的年際變化和階段性變化特征，歷年均方差為88.0 mm，占常年值的27.1%.20世紀70年代自中期起并于1978年止，區域平均夏季降水量以偏少為主，其間僅有1962，1964，1973年的降水量超過氣候值，且距平值不足32.0 mm;隨后進入相對多雨階段，一直持續到1984年;接著進入先急劇下降后又直線上升階段;20世紀90年代中、后期開始年際波動比較劇烈，距平基本呈現為正負相間分布態勢.陸渾水庫夏季平均降水量沒有顯著的線性趨勢，總體呈現為波動變化.

圖2 陸渾水庫夏季降水量及其站間均方差年際變化

陸渾水庫控制區域夏季降水量站間標準差和極值比之間具有極為顯著的線性相關關系，二者之間的相關系數為0.49，能夠通過信度為0.001 水平的顯著性檢驗.這里以站間標準差為例，說明其年際變化特征情況.1981—2010年降水量站間標準差平均為82.0 mm;最大值為2005年的162.3 mm;次大值為2000年的151.5 mm;最小值為1969年的22.9 mm，次小值為1976年的23.1 mm.陸渾水庫降水量站間均方差同樣具有明顯的年際變化和階段性特征:20世紀60年代以前，降水量站間均方差以偏小為主，10 a間僅有1962，1965，1967，1970年在常年值以上，其中1962年超常年值僅4.1 mm;接著直至20世紀80年代初期，基本上處于準2 a 振蕩狀態;隨后直至20世紀末，降水量站間差異維持低值模態;進入21世紀后，站間差異較大，13 a 間僅有2006年和2008年的均方差低于常年值，只占15.4%;降水量站間均方差具有較顯著的上升趨勢，每10 a 上升5.95 mm，相關系數可達27.02%，接近信度為0.05的顯著性水平的臨界值.

控制區域各個觀測站的夏季降水量均沒有明顯的變化趨勢，相關系數均不能通過0.10 信度的顯著性檢驗，只有欒川站的相關系數接近0.10 水平信度的臨界值.而站間均方差則具有較顯著的上升趨勢，說明降水量的空間變異性增大，加劇了極端事件的發生.控制區域各個站的夏季平均降水量與站間標準差二者之間存在極為顯著的線性正相關關系，相關系數為0.43，能夠通過信度0.01 水平的顯著性檢驗.即通常情況下，平均降水量大時，站間標準差也大;反之亦然.

3.3 6—8月各月降水量

陸渾水庫控制區域氣象站1961—2012年6月份降水量平均值(直方圖)及其站間均方差(虛線)的年際變化如圖3所示.

圖3 陸渾水庫6月份降水量及其站間均方差年際變化

對于陸渾水庫控制區域6月份平均降水量，1981—2010年的均值為70. 8 mm. 1961—2012年52 a間6月份區域平均降水量最大值出現在1971年，其值為167.6 mm;次大值為2000年的163.0 mm.控制區域歷年6月份平均降水量最小值則為1965年的10.4 mm;次小值為1998年的15.8 mm.6月份區域平均降水量具有明顯的年際和階段性變化特征，歷年間均方差為40.8 mm，占常年值的57.6%.20世紀70年中、前期以前降水以偏少為主，17 a 間僅1961年和1971年的降水量超過常年值;隨后進入準2 a 周期的振蕩模態;21世紀初期降水以偏多為主;2004年以后區域平均降水量進入偏低模態，9 a間只有2006年的降水量高于常年值5.7 mm. 區域平均降水量可以用二次多項式做較好的擬合，基本為前升后降分布型，擬合與觀測的相關系數為24.9%，能夠通過信度為0.10 的顯著性檢驗.

對于陸渾水庫控制區域6月份降水量站間均方差，1981—2010年的均值為70. 8 mm. 1961—2012年52 a間6月份降水量站間均方差最大值為2000年的74.52 mm;次大值為1981年的40.79 mm. 歷年6月份降水量站間均方差最小值為2.91 mm，出現在1965年;次小值為4.14 mm，出現在1998年6月份.降水量站間均方差以波動變化為主，沒有顯著的線性趨勢，但有明顯的年際變化和階段性變化特征.歷年間的均方差為12.1 mm，將近是均方差常年值的50%.20世紀90年代以前，降水量站間差異相對較小，多在常年值以下;30 a 間僅有10 a 的均方差高于常年值，其中1964年、1970年和1987年的均方差超常年值不足2.0 mm.進入21世紀，均方差則以偏大為主.與夏季降水量變化模態不同，6月份降水量站間均方差和極值比沒有顯著的線性相關關系，說明兩個變量變化的不同步性.

陸渾水庫控制區域6月份平均降水量與站間均方差具有顯著的正相關關系，二者之間的相關系數高達58.6%，能夠通過0.001 信度的極顯著水平的檢驗.說明降水量站間差異與降水量的變化具有同步的特征.

圖4給出了陸渾水庫控制區域1961—2012年7月份降水量平均值(直方圖)及其站間均方差(虛線)的年際變化分布特征.

圖4 陸渾水庫7月份降水量及其站間均方差年際變化

1981—2010年陸渾水庫控制區域降水量平均為135.2 mm.1961—2012年52 a 間7月份區域平均降水量最小值為1997年的47.2 mm;次小值為1987年的50.2 mm.歷年區域平均降水量最大值為295.0 mm，出現在1973年;次小值為249.4 mm，出現在2007年.陸渾水庫控制區域7月份平均降水量年際變化特征明顯，歷年平均降水量的均方差達到61.5 mm，將近常年值的52%.7月份降水量階段性變化特征也很明顯，20世紀70年代初期以前，區域平均降水量以偏少為主，15 a 間降水量偏多年有5 a，其中3 a 的距平值接近0.0 mm;隨后直至80年代中、前期則多雨特征明顯;70年代到80年代中期則以多雨為主;接著又進入降水量相對偏豐期.

陸渾水庫控制區域降水量站間均方差1981—2010年的均值為48.7 mm，1961—2012年52 a 間以負距平為主，29 a 的降水量站間均方差低于常年值，占統計數段的56%.1961—2012年7月份降水量站間均方差最大值為98.9 mm，出現在1982年;次大值為97.7 mm，出現在2005年. 歷年降水量站間均方差最小值為1969年和1999年的14.8 mm;次小值 為1987年 的19. 2 mm. 歷年 的 均 方 差 為20.7 mm，約為常年值的52%，表明7月份降水量站間變異性的年際變化較大.另外，7月份區域降水量站間均方差還有顯著的階段性變化特征.20世紀80年代中期到90年代中期，降水量站間均方差低位振蕩，1985—1993年8 a 間均低于常年值. 從20世紀90年代中期開始，降水量站間均方差進入準2 a 的振蕩階段，距平值基本正、負參半，在常年值上下有序地波動.

陸渾水庫控制區域7月份平均降水量與站間均方差的關系與6月份相似，降水量區域平均與站間均方差之間具有極顯著的相關關系，二者之間的相關系數比6月份的更大，達到64.1%，可以通過信度0.001 極顯著水平的檢驗.

圖5給出了陸渾水庫控制區域1961—2012年8月份降水量區域平均值(直方圖)及其站間均方差(虛線)的年際變化分布特征.

圖5 陸渾水庫8月份降水量及其站間均方差年際變化

陸渾水庫控制區域8月份降水量1981—2010年平均為118.6 mm.8月份1961—2012年區域平均降水量的最大值為1988年的269.6 mm;次小值為1996年的256.1 mm. 歷年區域平均降水量最小值出現在1997年，降水量為16. 8 mm;次小值為29.4 mm，出現在2007年.8月份降水量的區域平均值沒有顯著的線性變化趨勢，以波動變化為主.8月份陸渾水庫控制區域平均降水量以負距平為主，52 a間有30 a 的區域平均降水量低于常年值;區域平均降水量具有明顯的年際和階段性變化特征.20世紀80年代末之前降水量以偏少為主，27 a 間有18 a 區域平均降水量小于常年值118.6 mm，占統計時段的2/3;高于常年值的9 a 中有1964年、1967年和1968年的降水量高于常年值不足9.0 mm.1988年以后區域平均降水量距平值基本正、負參半.

陸渾水庫控制區域8月份降水量站間均方差1981—2012年的均值為36.9 mm.1961—2012年區域降水量站間均方差最大值為1975年的95.3 mm;次大值為1988年的94.8 mm.歷年區域降水量站間均方差最小值為10.5 mm，分別出現在1997年和2007年;次小值為12.5 mm，出現在1973年.8月份降水量區域站間均方差距平值基本上正、負參半，52 a間有25 a 的距平值大于0.0 mm.站間均方差具有明顯的階段性變化特征，20世紀70年代中期以前多低于常年值，13 a 間只有1963年、1965年、1967年和1971年的降水量站間均方差高于常年值36.9 mm，表明降水量站間變異性較小;緊隨其后降水量站間均方差進入相對高值階段，一直持續到1984年;11 a 間只用1978年和1980年的降水量區域站間均方差小于常年值.20世紀80年代中期到90年代初期，降水量站間差異又進入相對偏小階段;20世紀90年代中、后期到世紀末，站間均方差以偏小為主，期間的正距平值多在7.0 mm 以下;21世紀后降水量站間均方差居高不下.

8月份陸渾水庫控制區域降水量平均值與站間均方差有顯著的線性相關關系，相關系數為62.9%，能夠通過信度為0.001 極顯著性水平的檢驗.

4 結 語

利用陸渾水庫控制區域6 個氣象觀測站1961—2012年逐月降水資料，對控制區域的夏季降水進行了時空分布特征分析，結論如下.

1)陸渾水庫控制區域6 個氣象觀測站平均夏季年降水量與年降水量的比值常年值為0.50，但年際變化和階段性變化特征明顯，最大值和最小值各自為0.69 和0.22，極值比達到3.14.無論是6 個觀測站，還是區域平均值，夏季降水量與年降水量線性關系均極為顯著，能夠用夏季降水量的變化特征標識年降水量的變化.

2)陸渾水庫控制區域夏季以及6—8月各月的平均降水量常年值依次為324. 6，70. 8，135. 2，118.6 mm，站間均方差的常年值則依次82.0，70.8，48.7，36.9 mm.夏季及其各月降水量和站間均方差均沒有顯著的線性趨勢，均以波動性變化為主，但均具有明顯的年際和階段性變化特征.

3)陸渾水庫控制區域夏季及其各月的平均降水量與對應的站間均方差均具有極為顯著的線性相關關系，夏季平均降水量與站間均方差的相關關系最為不好，但其系數也達到了0.43，能夠通過信度為0.01 的顯著性檢驗.

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