運城市降水集中度和集中期的時空特征分析

藏曦

（芮城縣氣象局，山西 芮城 044600）

運城市降水集中度和集中期的時空特征分析

藏曦

（芮城縣氣象局，山西 芮城 044600）

利用運城市9個氣象站1960—2014年逐候降水資料，運用線性趨勢、Mann-Kendall曲線、相關系數和合成分析等方法探討了運城市近55 a來年降水量、降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的時空特征。結果表明：時間上，年降水量呈減少趨勢，變化傾向率為-7.94 mm/ 10 a；PCD年際變化顯著，在0.30～0.72，多年平均為0.53；PCP多年平均41.63候，最早與最晚相差13候。空間上，年降水量區域差異明顯，由東南向西北遞減；PCD從西南向東北遞增，有2個大值和2個小值中心，PCP呈現“南早北晚”形勢。PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之間都存在正相關，表明汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水就越集中，出現洪澇災害的可能性就越大；降水集中期出現的越晚。

降水；降水集中度；降水集中期

水資源作為一種重要的自然氣候資源，與工農業生產和人們的生活都有著非常密切的關系。關于水資源方面的研究，廣大氣象學者從不同角度、運用不同資料、采用不同方法進行了大量研究，得出了很多有意義的結論。江新安等[1]利用常規地面、高空和雷達及雨滴譜資料，分析了一次大范圍暴雨過程的宏觀天氣形勢和微觀物理特征。岳江[2]用R/S等方法得出大同地區汛期降水以準3 a低頻周期為主。徐祥德[3]等運用地面、探空和網絡資料，得出大地形對塔里木盆地及沙漠地區特殊的水熱過程的作用。高文華等[4]指出近56 a來，山西晉南地區年降水量呈弱減少趨勢，但各季減少情況并不一致。王詠梅等[5]分析了山西省近48 a來的強降水極端事件，發現山西極端強降水有減少趨勢。劉蕓蕓等[6]用日降水資料分析了全球變暖背景下西北地區雨季降水的時空特征。這些研究，或關注某一次具體的重要降水過程，或關注當地特殊地形影響下的特殊降水，或分析降水量的季際、年際、年代際變化特征，但這種研究對一個地區某一時段降水量最大或最小的變化特征無法表征出來。實際上降水更多的是一種非均勻性，也是導致某一地區洪澇或干旱最重要的原因[7]，對工農業生產和人們的生活產生的影響更大，因此研究一個地區降水分布的不均勻性有著很好的實際意義。

運城為山西省重要的產糧區，對氣候的依賴性很強，降水量的多寡程度、分布情況等很大程度地決定了農業收成的豐欠，暴雨洪澇干旱等主要氣象災害更是給工農業生產和人民生活帶來嚴重影響，造成了很大的經濟損失，因此研究這個地區水資源收支情況的變化很有意義。在本文中，引進了能表征降水非均勻性的2個參量，即降水集中度PCD和降水集中期PCP，通過對運城市近55 a這2個參量的時空變化特征分析，以期能找出運城市降水非均勻性變化方面的一些特點，為更好地應對局地短時強降水所引發的洪澇、預測干旱提供依據。

1 資料和方法

1.1 資料選取

選取運城市資料序列年限較長、觀測數據完整且一致的9個氣象觀測站1960—2014年的候降水量序列資料進行統計分析，資料由山西省氣候中心提供，已經過質量檢驗。平均值取1960—2014年55 a的平均。

1.2 集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）是用來表征單站降水量隨時間分配的參數，其定義和計算公式如下[8]：

其中CNi和Di分別為降水集中度PCD和集中期PCP，Ri為某測站研究時段內總降水量，rij為研究時段內某候降水量，θj為研究時段內各候對應的方位角（整個研究時段的方位角設為360°），i為年份（i=1960，1961，…，2014），j為研究時段內的候序（j= 1，2，…，N=72）。

由式（1）和（2）可知：如果在研究時段中，降水量集中在某一候內，則它們合成向量的模與降水總量之比為1，即PCD為極大值；如果每個候的降水量都相等，則它們各個分量累加后為0，即PCD為極小值。PCP就是合成向量的方位角，它指示出每個候降水量合成后的總體效應，即向量合成后的最大角度，反映了一年中最大候降水量出現在哪一個時段內。具體計算方法和原理見文獻[9]。

1.3 分析方法

采用線性趨勢、Mann-Kendall突變檢驗方法分析了運城市近55 a年降水量、PCD與PCP的時空分布與變化趨勢；用相關系數法分析了PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間的關系；用合成分析法探討了運城市多水年和少水年的PCD、PCP特征。

圖1 運城市55 a年降水量的時空變化趨勢

2 分析結果

2.1 年降水量的時空分布特征

從圖1a中可以看出，運城市近55 a來，年降水量存在明顯的區域差異，呈現出從東南向西北減少的趨勢。年降水量最大值中心位于東南的垣曲縣，年減少降水量為618.2 mm，最小值中心位于西北的河津市、稷山縣一帶，年降水量不足480 mm，二者相差近150 mm。

運城市近55 a降水量上整體表現為減少趨勢，傾向率為-7.94 mm/10 a，55 a減少43.7 mm。這與高文華等[4]得出的結論一致，但變化趨勢比晉南地區年降水量的變化趨勢-1.61 mm/10 a明顯要大，比山西全省的年降水量變化速率（－17．3 mm/10 a）[10]要小。55 a平均年降水量為516.1 mm；最大821.7 mm值（2003年），最小272.2 mm（1997年），二者相差549.5 mm（圖1 b）。

2.2 年降水量PCD的時空變化特征

運城多年平均PCD為0.53，年際變化大，在0.30～0.72，最小值出現在1997年和1994年（0.30），最大值出現在1982年（0.72）。如果認定PCD值大于多年平均，則該年的降水較集中。反之，不太集中；則55 a中，有22 a的PCD比平均值小，其中1980年以前占了10 a；有30 a的PCD比平均值大，2000年以來就占了10 a。說明在年降水量整體減少的情況下，降水卻趨于集中，出現極端干旱或極端洪澇災害的可能性增大（圖2a）。

55 a來運城PCD在空間分布上表現為從西南向東、向北遞增；存在2個明顯的大值中心和小值中心，大值中心位于東南的垣曲縣和西北的河津市與稷山縣，小值中心位于中部的聞喜縣和西南的臨猗、芮城一帶。PCD的空間分布與年降水量的分布不太一致，年降水量多的地區PCD值不一定大，而年降水量相對較少的稷山、河津，PCD反而較大，降水更加集中，說明這些地方盡管年降水量不是很大也很有可能出現旱澇災害（圖2b）。

圖2 運城市55 a年降水量PCD的時空變化趨勢（PCD量綱為1）

2.3 年降水量PCP的時空變化特征

運城PCP多年平均為41.63候（7月底）；最早是35候（6月21—25日），出現在1991年和1998年；最晚是2011年的48候（8月底）；二者相差13候（65 d左右）（圖3a）。空間上，PCP整體表現為“南早北晚”，最早中心位于平陸縣（41.1候），最晚位于臨猗、萬榮和垣曲（41.8候），二者相差0.7氣候（約3天）（圖3b）。

圖3 運城市55 a年降水量PCP的時空變化趨勢（PCP單位為侯）

2.4 PCD和PCP的年代際特征

通過PCD、PCP的Mann-Kendall變化曲線來分析PCD和PCP的年代際變化特征。PCD整體表現為“升降交替和平緩”5個階段，各階段分界點分別為1966年、1974年、1985年和1994年；在1980年上升超過臨界值，表明上升趨勢非常顯著，到1985年后持續下降，至1994年后升降比較平緩（圖4a）。PCP的M-K曲線在1991年以前為升降交替中下降，說明1991年以前降水集中期偏早（1960—1991年PCP平均為41候），1992年開始持續上升，降水集中期偏晚（1992-2014年PCP平均為42候）；PCP的M-K曲線沒有通過臨界值，表明PCP的升降變化不顯著，沒有PCD的變化明顯。

圖4 運城市55 a年降水量集中度（a）和集中期（b）的M-K變化曲線

2.5 PCD與年降水量、汛期（6—9月）降水量、月最大降水量、候最大降水量和PCP之間的相關性分析

由表1可以清楚地看出，PCD與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間都存在明顯的正相關。與汛期降水量和月最大降水量的正相關性最好，全市各站點的相關系數均通過了99%的顯著性檢驗；大值中心位于稷山、萬榮和河津，這與PCD的大值中心一致，說明汛期降水量和月最大降水量越大的地區，降水量就可能越集中。PCD與年降水量的正相關性各地差異較大，最顯著的是垣曲，通過了99%的顯著性檢驗，其次是河津、萬榮和芮城3縣，通過了95%的顯著性檢驗，最小是臨猗，僅為0.082。PCD與PCP存在弱的正相關，全市平均正相關系數為0.062，說明降水量集中程度對降水集中期出現早晚影響不大。汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水量也越集中，出現洪澇災害的可能性越大，在日常氣象服務中，如果預測到某年某月降水量明顯偏大，就要加強防御出現洪澇災害和滑坡、泥石流次生災害的可能性，做好積極的應對措施，減少災害損失。

表1 PCD與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量、日最大降水量和PCP的相關系數

2.6 PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之間的相關性分析

PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量和候最大降水量之間也存在一致的正相關（表2）。PCP與汛期降水量和候最大降水量的相關性最好，全市相關系數平均分別達到了0.253和0.228，通過了90%的顯著性檢驗，說明汛期降水量偏多、候最大降水量偏大的年份，PCP越晚，降水量集中期越晚。這也指導我們在實際的氣象服務中，如果預測到汛期降水量偏多，就要做好更長時間的抗汛準備。

表2 PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量的相關系數

2.7 多雨年與少雨年的合成分析

選取年降水量標準化距平值＞1的年份為多雨年，年降水量標準化距平＜-1的年份為少雨年。依此標準，排多雨年前5位是2003年、1964年、1983年、2011年和1961年，排少雨年前5位是1997年、1986年、2012年、2001年和1991年。合成分析運城多雨年和少雨年的PCD與PCP特征。發現多雨年和少雨年的平均PCD均為0.53，PCP均為43.8候，這也說明年降水量對PCD、PCP的影響不大。但如果在降水量異常偏多的年份,PCD也異常偏大,此時出現洪澇災害的概率就很大；如果年降水量異常偏多,而PCD異常偏小,則很難發生洪澇災害。如果降水量偏少，但PCD很大，則也很可能出現局地強降水和干旱；如果年降水量偏少，PCD也很小，則降水分布很均勻，也可能不會造成干旱。

3 結論

對運城市1960—2014年降水集中度和集中期的時空統計分析，可以得到以下結論。

（1）時間變化。年降水量呈減少趨勢，變化傾向率為-7.94 mm/10 a，55 a年降水量減少了43.7 mm。PCD和PCP的年際變化趨勢不顯著，但年際差異很大；PCD多年平均0.53，在0.30～0.72之間變化，PCP多年平均為41.63候，最早是35候，最晚是48候，二者相差13候。

（2）空間變化。年降水量表現為從東南向西北方向減少，年降水量最大值中心在東南的垣曲縣，最少在西北的河津、稷山，最多與最少相差近150 mm。PCD表現為自西南向東北遞增，有2個大值和2個小值中心；PCP表現為“南早北晚”。

（3）相關性分析。PCD、PCP與年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之間都存在正相關；年降水量較大的年份，降水集中程度越高，降水集中期出現的越晚，但這種正相關不是很顯著；汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份和地區，PCD、PCP值越大，降水就越集中且集中期越晚。

[1] 江新安，王敏仲.伊犁河谷汛期一次短時強降水雨滴譜特征分析[J] .沙漠與綠洲氣象，2015，9（5）：56-61.

[2] 岳江.大同地區降水變化特征及趨勢分析[J] .沙漠與綠洲氣象，2015，7（3）：26-31.

[3] 徐祥德，王寅鈞，魏文壽，等.特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水過程及其大氣水分循環結構[J] .沙漠與綠洲氣象,2014，8（2）：1-11.

[4] 高文華，李忠勤，張明軍，等.山西晉南地區近56 a的氣候變化特征、突變與周期分析[J] .干旱區資源與環境，2011，25（7）：124-127.

[5] 王詠梅，張紅雨，郭雪，等.山西省近48a高溫和強降水極端事件變化特征[J] .干旱區研究，2012，29（2）：289-295.

[6] 劉蕓蕓，張雪芹，孫楊.全球變暖背景下西北干旱區雨季的降水時空變化特征[J] .氣候變化研究進展，2011，7（2）：97-102.

[7] 周明麗，婁德君.肇州降水集中度和集中期的氣候特征分析[J] .黑龍江氣象，2010，27（2）：5-14.

[8] 張錄軍，錢永甫.長江流域雨季降水集中程度和洪澇關系研究[J] .地球物理學報，2003，47（4）：622-630.

[9] Zhang Lujun,Qian Yongfu.Annual dstribution the yearly precipitation in China and their interantions[J] .Acta Meteorologica Sinica，2003，17（2）：146-163.

[10] 趙桂香，趙彩萍，李新生，等.近47年來山西省氣候變化分析[J] .干旱區研究，2006，23（3）：500－505.

Spatial and Temporal Characteristics of Precipitation Concentration and Concentration Period in Yuncheng

ZANG Xi
（Ruicheng Meteorological Bureau，Ruicheng 044600，China）

Based on the pentad data of precipitation from 9 stations in Yuncheng during 1960-2014,the characteristics of spatiotemporal distributions of annual precipitation,precipitationconcentration degree（PCD）and precipitation-concentration period（PCP）in recent 55 years are studied by using linear-trend，Mann-Kendall curve,correlation and synthetic analysis methods.The results show that annual precipitation is in a decreasing trend in the past 55 years，and the climatic tendency rate is-7.94 mm/decade.The variability of PCD is between 0.30 and 0.72，the average is 0.53.The average of PCP is 41.63 pentad，the difference between the latest and the earliest is 13 pentad.The regional difference of annual precipitation decreased significantly from southeast to northerwest.The PCD has 2 large and 2 small centers and increases from the southest to the northeast.The PCP in the south area is earlier than that in the northern area.There is a positive relationship between PCD,PCP and annual precipitation,flood season precipitation,mothly precipitation,pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation.The year with large flood season precipitation,mothly maximum precipitation pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation,is also the year with larger PCD,which indicate the high possibility of flood disaster and latter PCP.

precipitation；precipitation-concentration degree；period of precipitation-concentration

P426.61

B

1002-0799（2017）01-0076-05

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.010

2016-07-09

山西省氣象局項目（SXKYBTQ201510079）。

藏曦（1975-），女，工程師，從事公共氣象服務研究。E-mail：765534030@qq.com

藏曦.運城市降水集中度和集中期的時空特征分析[J] .沙漠與綠洲氣象，2017，11（1）：76-80.