基于59年同期資料的承德市降水量時空分布及變化特征研究

趙明鈺

(河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德 067000)

0 引 言

近十幾年來，全球氣候變化和異常作為全球十大環境問題之首，引起各國政府和科學界的廣泛關注。我國是世界氣候脆弱區之一。氣候異常給我國帶來嚴重的氣候災害，尤其是旱澇等重大氣候災害造成的損失占國民經濟生產總值的3%～6%。由于氣候災害的嚴重性，我國重大氣候災害的特征、成因及預測已成為我國科學界的前沿研究課題。

作為氣候變化的重要指標，降水特征也發生了變化。極端天氣發生頻率增加，由降水異常引起的干旱、洪澇等氣象災害對工農業生產、人民生活產生重大的影響，嚴重威脅到生態系統和社會經濟的發展。

1 國內外研究進展

針對近年來極端天氣的日趨頻繁，國際上對降水的形成機制、影響因子、分布規律等開展了大量研究工作。降水日數、無降水日數、降水強度、不同日降水量對總降水的貢獻率引起人們的關注和研究[1-2]。在國內，隨著降水理論的形成和發展，其優勢逐漸引起許多水科學工作者的重視并引入水文水資源研究中。張少文等[3]基于小波變換與李氏指數的分析方法，對水文時間序列多尺度變化的突變特征進行了探討；張國宏[4]等利用山西省近45年降水量資料，研究全省降水變化，結果表明東亞季風對山西省年降水量空間分布的影響十分明顯，年降水量的下降趨勢十分顯著；潘杰[5]利用線性回歸、小波分析、滑動平均曲線等方法分析了常州地區降水量時空分布特征，說明近35年來常州地區降水量總體呈增加趨勢。

截止目前，國內外對極端氣候變化的研究已具一定水平，但是極端氣候事件存在著明顯的區域差異[6]。近年來，極端氣候尤其是極端降水出現得愈發頻繁，而相關研究還是比較薄弱。通過對降水規律的分析，不僅可提高對其變化規律的認識，而且對研究區的未來降水變化評估提供了一定的科學依據，提高災害性天氣的預測水平，增強防災減災的能力。

2 數據來源及研究內容

本次降水量特征分析采用1956～2014年同步期降水量系列資料。通過對單站降水量、分區降水量計算，分析承德市降水量空間分布與降水量年內分配及特征等，可以充分了解在氣候變化的條件下，降水量對水資源量的變化影響，

3 研究方法

根據承德市具有代表性的氣象站1956～2014年同步期降水量系列資料，計算與分析城市區域降水量特征分布，單站降水量均值統一采用算術平均值，采用適線法時不做調整。Cv值采用矩形法計算，再用適線法進行調整確定。經驗頻率采用數學期望公式計算，頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線[7]。全市降水量系列是根據單站資料用網格法計算而得。對各分區面平均降水量系列進行頻率計算，得出各分區面平均降水量特征值。

4 結果分析

4.1 單站降水量

承德市單站降水量經驗頻率采用數學期望公式P=m/(n+1)×100%進行計算；頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線。根據各選用雨量站1956～2014年系列計算結果來看，降水量均值介于329.6～803.7 mm之間，變差系數Cv值介于0.17～0.33之間。偏差系數Cs值的取值一般用Cs/Cv值來反映，Cs/Cv的選用值以最佳適線值為準，全部在2.0～5.0之間。在適線時，對系列中出現的特大值、特小值一般未做處理。

4.2 分區降水量

全市降水量系列是根據單站資料用網格法計算而得。對各分區面平均降水量系列進行頻率計算，得出各分區面平均降水量特征值。

通過統計計算分析，承德市1956～2014年的59年中，全市多年平均年降水總量為205.059 4×108m3，折合降水深519.1 mm，20%、50%、75%和95%頻率降水量分別為593.3、509.0、451.0和387.2 mm。從各水系來看，灤河、北三河、遼河和遼東灣水系多年平均降水量分別為521.4、541.1、465.0和483.3 mm，承德市分區各縣年降水量特征值見表1，不同頻率降水量變化見圖1。

表1 承德市各縣降水量特征值

圖1 不同頻率下的降水量值雷達圖

4.3 降水量時空分布特征

4.3.1 降水量空間分布

承德市降水總體趨勢自北向南逐漸增加，北部降水深360～480 mm，中部降水深480～600 mm，南部600～760 mm。在圍場北部大光頂山、平泉東南部、興隆地區由于地形的抬升作用，形成3個多雨區，興隆、寬城南部沿長城一線水量最大，多年平均降水在700～760 mm左右；而豐寧小壩子、四岔口鄉及壩上地區年降水量在360～400 mm左右，是承德市的少雨地區。

從計算結果可以看出，承德市縣、各水系5年滑動平均和10年滑動平均變化趨勢基本相同，降水量的年際變化各分區都相對比較穩定，且各分區的差別不大。豐水年份主要有1959、1964、1973、1978和1990年等，枯水年有1961、1984、2002和2009年等，且自1999年以后，降水量整體偏小。

根據承德市降水量分析，計算得到承德市各縣、各水系1956～2014年、1956～1979年、1980～2014年等3個不同統計系列的特征值。結果表明，承德市24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保證率P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分別增加了5.07%、6.51%、4.79%、3.30%，說明24年中1956～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，年均值及保證率為P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的降水量分別減少了3.47%、3.80%、2.56%、2.39%，說明35年(1980～2014)系列偏小，變化趨勢見圖2。

根據分區的各縣統計結果分析，24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德縣、承德市和興隆縣的95%頻率的降水量略有減少外，其它區域均有不同種度的增加，增加幅度為0.57%～10.86%。其中，隆化縣相差最小，年均值系列相差3.77%；興隆縣相差最大，年均值系列相差7.22%。而35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除承德市區和承德縣95%頻率略有增加外，其它區域均有不同種度的減少，減少幅度從0.75%～5.74%。其中，圍場縣相差最小，年均值系列相差1.78%；興隆縣相差最大，年均值系列相差4.95%。

圖2 24年與59年及35年與59年在不同平率下降水量變化趨勢對比圖

從各流域統計成果來看，24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，除北三河水系的95%頻率的降水量略有減少外，其它水系均有不同種度的增加，增加幅度為1.03%～23.31%。其中，灤河水系相差最小，年均值系列相差4.71%；遼東灣水系相差最大，年均值系列相差10.38%。35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，各水系均有不同種度的減少，減少幅度為1.89%～8.07%。其中，灤河水系相差最小，年均值系列相差3.23%；潮河干流相差最大，年均值系列相差7.12%。主要原因是1956～1959年承德市大部分區域發生了1957年來最大的一場全流域大范圍降水，而1999～2014年降水量相對偏少，處于枯水期。

4.3.2 降水量年內分配

承德市降水量的年內分配多采用接近設計值選擇典型年的方法。各分區代表站和典型年的選取，根據不同頻率年降水量特征值，挑選若干年降水量與特征值接近的實際年份，然后從中選出資料較好、月分配不利的年份作為典型年的代表。從降水量年內分配表中可以看出，全年降水量近62.1%～86.9%集中在汛期(6～9月份)，而汛期降水量又主要集中在7、8兩個月。非汛期降水量約占全年降水量的13.1%～37.9%，非汛期又以4、5、10三個月所占比重較大。

5 結 語

本文對承德市具有代表性氣象站點的1956～2014年降水時間序列的變化規律進行了初步的研究探討，同時對單站降雨量和分區降雨量進行計算。通過計算結果，分析承德市降水量時空分布特征，降水量24年(1956～1979年)與59年(1956～2014年)系列相比，說明24年中1956年～1979年系列偏大；35年(1980～2014年)與59年(1956～2014年)降水量系列相比，說明35年(1980～2014年)系列偏小。降水量年內分配主要集中在汛期(6～9月份)，從流域角度分析，水系降水量均有不同種度的增加。

氣候變化是當前研究的熱點問題，20世紀后期人們開始關注造成氣候變化的各種因素，如行星風、大氣環流、洋流以及人類活動等對水資源和全球水循環在時間和空間上的影響[8-9]。本文僅以降水資料為研究對象，今后可以將降水規律與降水機制形成、各地區下墊面情況等結合起來，對分析降水異常等極端天氣有重大意義。