遼寧省降水和旱澇的特征分析

李華欣

(莊河市林業水利服務中心，遼寧莊河 116400)

降水量的大小是影響區域水資源豐枯狀況的關鍵性因素，大氣降水通常是補給地表與地下水的主要來源，所以在預報分析水文水資源過程中應先對該區域的降水量進行預報［1］。降水過程因受復雜多樣的氣候條件影響，往往存在諸多的隨機性與不確定性，對未來某時段的降水量數值預測還未形成較為系統、完善的物理成因分析方法。隨著科技發展與進步，降水量豐枯狀態預測的方法發生了很大變化，基于人工智能的人工神經網絡、SVR支持向量回歸等方法在降水量預測分析中得到廣泛應用。

遼寧省位于我國東北地區南部，南臨黃海、渤海，東與朝鮮相接，面積14.8萬km2；屬于大陸性季風氣候，冬冷干燥、夏熱多雨，年降水量為600～1100mm，由于其獨特的地理特征和環境氣候，年際水資源量呈現出典型的周期性豐枯變化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和強降雨的形式出現。水資源補給以大氣降水為主，主要包括降水入滲補給和地表徑流量兩大部分，年均水資源量約為341.79億m3。境內主要包括大凌河、遼河、渾河、太子河、繞陽河等河流，東南部與渤海相鄰，降水量較為充足；西北區域降水較少且風沙干旱現象較為頻繁。境內約80%以上的區域處于極度或重度缺水狀態，且已經具有較高的水資源開采程度。近年來，為滿足區域經濟發展的需求，遼寧省各行業用水量急劇增大，水資源過度開發利用致使地下水位與地表水資源量持續下降。因此，對遼寧省近50年的降水量和旱澇特征的研究分析，對于制定科學合理的水資源管理以及洪澇災害的預警措施具有重要意義。

1 時間分布上的降水特征

1.1 年際降水分布特征

根據遼寧省53個氣象站1962—2013年的觀測數據，提取逐年降水量數據并運用算術平均法得到遼寧省年均降水量為 850.2mm，其中 1994—2013年、2009—2013年期間的平均降水量分別為826.5mm和784.0mm，呈現出緩慢的下降趨勢。年降水量最大值為1998年的 1206.5mm，最小值為 2006年的460.7mm，最大與最小極值比為2.62，最大、最小降水量與多年平均比分別為1.4倍與0.5倍。可利用5點滑動平均法消除數據的周期變化，從而更好地揭示降水量序列變化趨勢，擬合方程如下：

對遼寧省1962—2013年的5點滑動平均、多年平均以及逐年降水量數據進行整理分析，結果顯示遼寧省近50年降水量整體呈現出緩慢的下降趨勢，其中1985—1990年與2002—2007年期間的平均降水量為826.4mm、615.0mm，兩者相差211.4mm，研究期間的擬合方程為

根據降水量年際變化趨勢可知，遼寧省年際降水量在20世紀70年代正常，中期偏多；80年代前期較少，中期偏多；90年代至后期偏少。由此說明，該區域年際降水量變化較大。對比分析53個氣象站監測數據可知，各氣象站年際降水量變化整體具有一致的變化趨勢。各氣象站降水量自21世紀以來基本處于平穩狀態，未出現較為顯著的波動趨勢，1995—2004年降水量呈上升趨勢，2004年后呈下降趨勢。遼寧省各氣象站降水量監測值表現為大連站最大，鐵嶺站變化最小，其他站變化規律不明顯［1］。

1.2 年內降水分布特征

對區域降水量的預測分析不僅可為區域水資源供需關系與工農業的發展規劃提供一定參考，而且在預警洪澇災害方面發揮著重要作用。利用1962—2013年53個氣象站各月監測資料對遼寧省年均降水量年內分配狀況進行計算，結果見圖1。

圖1 遼寧省1962—2013年降水量年內分配值

由圖1可知，遼寧省多年平均降水量主要分布在6—9月，并具有明顯的集中降水特征，其中7月降水量最大，為237.1mm，占年降水量的28.0%以上，其次為8月，降水量為185.2mm，降水量較低的月份主要為1月、2月、12月，均低于全年降水量的1%。遼寧省夏季(6—8月)降水量為528.8mm，占年降水量的60%以上，而冬季(12月至次年 2月)降水量較低，為24.4mm；其他兩個季節降水量相差不大，占年降水量的15%左右。由此表明：在季節分配上降水量呈現出極不均衡的特征。每年的6—9月為遼寧省汛期，歷年60%以上的降水量分布在這個時期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大達到85%以上，而在2007年占比最低，為56.4%，由此說明汛期降水是決定遼寧省降水豐枯的主要因素［2］。

1.3 豐枯變化規律

利用距平百分率法對遼寧省1962—2013年降水量進行分析，降水豐枯統計結果見表1，年降水量偏多的年份有20個，正常降水年有17個，降水偏少的年份有15個，所占比重分別為28%、33%、29%。降水量偏多在40%以上的年份為2000年，在10%～19%的共有8年。降水量偏少，在-10% ～-19%的共有8年。從以上分析可以看出，降水量高于多年降水平均值的年份有3個，低于多年降水平均值的年份有49個；由此表明干旱少雨為遼寧省降水的主要特征。

表1 遼寧省降水豐枯特征

1.4 年降水量變化趨勢

隨著科技進步及社會發展，遼寧省工農業經濟發展及城鎮建設對水資源的需求量迅速增加。水資源管理中的水資源供需矛盾突出、局部區域洪澇與干旱災害嚴重、暴雨強降水等問題使城市防洪排澇壓力增大［2-4］。遼寧省降水量模比系數計算公式為

式中：Hi、H0分別為第i年和多年平均降水量，mm。

為更好地反映降水量年際豐枯變化趨勢，可根據1962—2013年降水數據計算，點繪遼寧省降水量模比系數差積曲線，公式為

式中：C為差積系數代數和。

豐水期與枯水期分別為差積曲線上升與下降區段，遼寧省1962—2013年降水量模比系數見圖2。

由圖2可知，遼寧省降水量差積曲線在1966—1978年整體呈現下降趨勢，由此可認為該時期處于枯水段；隨后在1978—1986年呈現上升趨勢，該時期為豐水段，變化周期相對較短；在1990—2012年呈現先上升后下降的趨勢，豐水與枯水段交替出現；自2002年以來遼寧省已經連續多年處于降水偏少狀態［5］。

圖2 1962—2013年降水量模比系數

1.5 最大1日面降水分析

選擇各氣象站最大降雨日期降雨量作為年最大1日面降水，然后以本年權重較大單站或較多的單站降水量為先選，統一對同一時段的雨量進行計算并取均值［6］。分別將 24h降水 0～9.9mm、10.0～24.9mm、25.0～49.9mm、50.0～99.9mm和100.0～199.9mm作為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨，然后按照此標準對各氣象站降水量進行分類。結果顯示，最大1日降水發生在7月的氣象站共有21個，發生在8月的有35個。研究期間發生大暴雨的次數共有8次，分別為7月4次、8月4次；在7月、8月、9月發生暴雨的次數分別為12次、15次、6次，遼寧省暴雨和強降雨主要發生在每年的7—9月。

2 空間分布上的降水特征

2.1 降水量頻率

通過對模型參數的求解，滿足適線準則達到最優化程度即為水文頻率分析優化適線法的基本理論和本質。按照從大到小的次序將遼寧省1962—2013年降水量進行排序，根據皮爾遜Ⅲ型最佳適線法和參數分析結果對遼寧省不同頻率下年降水量分布進行確定［7］，其中偏差系數Cv為0.3，變差系數Cs為0.5。分析結果見表2。

表2 遼寧省不同頻率下的年降水量

由表2可知，在50%以上頻率下遼寧省降水量不能保證達到多年平均值，并且降水量在洪澇干旱時期相差較大。

2.2 空間變化特征

對多年平均降水量按照不同的氣象站進行整理分類，結果表明：在時空分布上年均降水量相差較大，其中大連站的年均降水量最大，為1026.8mm；其次為丹東站，年均最大降水量達到935.2mm；而鐵嶺站年均降水量最低，為536.1mm。遼寧中部區域各氣象站年均降水量相差不大，在680.6～850.1mm之間。遼寧省東南部區域降水較多，西北區域降水較少并且風沙干旱現象較為頻繁［8］。

2.3 旱澇降水周期

對遼寧省旱澇降水是否存在低頻振蕩周期進行研究分析，并在此基礎上對其差異性進行檢驗。利用功率譜分析和Morlet小波法對遼寧省1962—2013年的降水距平合成序列進行計算，結果表明：在30天內降水具有顯著的譜峰，除10天振蕩外，旱期降水具有明顯的低頻振蕩。對比分析旱澇降水距平可知，10天的明顯振蕩周期主要出現在7月下旬以后，由此表明：降水量旱澇降水周期特征以小于10天為主。功率譜分析的14個典型年份旱澇狀況中，存在小于10天的明顯振蕩周期的共有7年，存在大于10天的顯著振蕩周期的共有4年并且主要發生在30～60天。總而言之，遼寧省旱澇降水周期除了存在低于10天周期外，低頻率振蕩也存在較為顯著的特征。小于10天的高頻振蕩是典型澇年的主要特征，30～60天的季節內振蕩和10～20天的準雙周振蕩為低頻振蕩的主要特征。隨著時間的推移降雨序列逐漸增大并具有更好的代表性資料，因此可結合定量分析方法開發1個即時系統，通過輸入新的數據資料開展在線預報，從而保證降水預測的有效性與實時性［9-12］。

3 結論

本文基于遼寧省53個氣象站1962—2013年降水量監測資料，對該區域的降水變化規律和旱澇特征進行研究分析，得出的主要結論如下：

a.遼寧省年均降水量為850.2mm，降水量具有明顯的周期性變化規律，其中年降水量最大值為1998年的1206.5mm，最小值為2006年的460.7mm，最大與最小極值比為2.62。降水量在20世紀70年代正常，中期偏多；80年代前期較少，中期偏多；90年代至后期偏少，整體呈現波動性下降趨勢，豐水與枯水段交替出現。

b.在季節分配上降水量呈現出極不均衡的特征。每年的6—9月為遼寧省汛期，歷年60%以上的降水量分布在汛期，其中1996年汛期降水量占全年比重最大，達到85%以上，而在2007年占比最低，為56.4%，由此說明汛期降水是決定遼寧省降水豐枯的主要因素。

c.在時空分布上年均降水量相差較大，其中大連站的年均降水量最大，為1026.8mm，其次為丹東站，年均最大降水達到935.2mm，而鐵嶺站 年均降水量最低，為536.1mm。遼寧中部區域各氣象站降水量相差不大，在680.6～850.1mm之間。

d.遼寧省旱澇降水周期除了存在低于10天的周期外，低頻率振蕩也存在較為顯著的特征。小于10天的高頻振蕩是典型澇年的主要特征，30～60天的季節內振蕩和10～20天的準雙周振蕩為低頻振蕩的主要特征。