盤山縣降水量時空變化分析

翟衛軍

（河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德067000）

降水是生態環境發展的驅動因素，也是人類社會發展必不可少的資源支撐。在全球變化的背景下，降水時空分布模式正在潛移默化地改變［1-3］。降水是水資源基礎性來源之一，其時空變化對作物生產、居民生活、環境演變具有深刻影響，掌握降水變化規律對科學安排生產生活具有重要意義［3-7］。本研究主要從時間、空間兩個維度對盤山縣降水量進行量化分析，以期為區域水資源優化管理、氣候監測預警提供參考依據。

1 研究區概況

盤山縣地處遼寧省盤錦市北部，遼河下游，渤海之濱，面積1735km2。該縣屬平原地形，地勢平坦低洼，平均海拔4m，河流沼澤廣布，東南部瀕臨渤海，有廣泛灘涂。受太平洋信風與西伯利亞高壓交替影響形成溫帶季風性氣候，季候分明，雨熱集中，多年平均氣溫8.8℃，降水量605mm，無霜期170d。

2 盤山縣降水量時間數據

2.1 降水量空間數據

地理國情監測云平臺提供了大量的基礎環境信息數據集，其應用地面監測站點數據采用氣象要素空間化方法生成不同尺度上降水柵格文件。該文件格式為tiff，空間分辨率500mm，如圖1。本文應用該數據對盤山縣降水量空間細節特征進行分析。數據處理平臺為ArcGIS10.5軟件。

2.2 降水量時間序列數據

從國家氣象中心基礎數據平臺提取盤山縣內站點的降水資料，該資料為年值序列，其中建國以來的數據集質量較好，故選擇具有現勢性特征的1951～2017年為研究時域。通過Excel 2016軟件進行經典統計分析，運用Matlab2018的小波工具箱進行小波方差分析。

圖1 降水要素柵格文件平面信息示意圖

3 結果與分析

3.1 盤山縣降水量時間序列變化特征

圖2為1951～2017年盤山縣降水量年值序列。該時域內降水量呈波動變化特征，在1964，1985，2010和2012年出現了明顯峰值，年降水達965.9，907.2，892.2，864.2mm， 高出歷史平均水平的39%～55%； 在1958，1978，1992，2014年出現谷值，為390.5，335.6，302.8，353.7mm，低于平均值的37%～53%。近67年內年降水量平均值為623.2mm，低于平均值的有32年，高于平均值的年份達35次，總體來看，盤山縣降水量異常分布相對均衡，極高極低值數列對稱分布。統計顯示其標準差為139.6mm，變異系數為24.6%，說明區域降水量年際變化較大。線性回歸宏觀表征了該縣降水量時間序列趨勢，其傾向斜率為-1.1914mm/a，說明近半世紀以來該地降水量呈現微弱減少趨勢，但并未達到5%水平的顯著性檢驗。

圖2 盤山縣降水量時間序列特征

3.2 盤山縣降水量時間周期性特征

降水是氣候系統重要要素之一，其年際波動性是由氣象系統的不確定性或外部干擾引起的［8-10］。從時間序列來看，這種波動性變化內涵了一種周期性節律，可以概化降水年際變化。小波分析法從波動的信號中削弱噪聲影響，深刻挖掘降水量周期性規律，盤山縣降水量小波方差如圖3。方差峰值指示了降水量波動變化信號強弱，依圖3可知當周期為5a時，小波方差達到極值，為1.94，說明5a的周期是區域降水量時間特征的主周期。另外，當周期為9，3，22a時，小波方差也分布達到極值1.23，1.16，0.65，這些周期是降水變化的次周期。

圖3 盤山縣降水量小波方差

3.3 盤山縣降水量空間結構分析

空間結構性規律是指區域性變量空間分布的系統性特征，而這種特征具有穩定的驅動機制。為定量捕捉其結構性，基于地統計學框架，采用高斯、線性、球面和指數4種模型對降水量柵格像元進行空間擬合，得到結果如圖4。不同模型的擬合的散點分布與空間結構存在差異，依據R2接近于1、殘差RSS接近于0的原則，可知，該縣降水量最佳空間模型為高斯模型，其R2為0.762，RSS為0.124，均優于其他模型。隨著步長的增加，像元空間離散度增大，導致鄰域之間的自相關性減弱。在高斯模型中，步長達到2.5km時，其基臺值趨于飽和，以此類型線性、球面、指數模型擬合的變程約為1，5，3km，雖然變程差異較大，但表明縣域尺度上降水量空間自相關性距離較小。

圖4 盤山縣降水量半方差函數特征

3.4 盤山縣降水量空間分布特征

為得到區域降水量空間分布更詳細的信息，將香元點值進行地統計空間插值，插值過程參照《AicGIS空間分析教程》，得到如圖5所示結果，像素顯示區域降水量介于695～604mm之間，其中高值區集中于東南部，低值區位于西北部，表現出條帶狀分布格局。這種空間規律與海陸位置耦合關系密切。盤山縣屬于內陸海岸向陸地縱深延伸地帶，東南部瀕臨海洋，大氣降水受海洋水汽活動影響較強烈；而西北部距離海洋較遠導致水汽運移損失，從而降雨量較小。雖然縣域空間單元較小，但本文仍揭示了降水在小尺度上表現出的空間異質性，結合圖4和圖5可知，盤山縣降水量這種分布格局體現了其強烈的結構性特征。

圖5 盤山縣降水量柵格像元與空間分布

4 結語

本文運用了數理統計與空間分析方法揭示了區域降水量時空分布規律，結果顯示盤山縣域尺度上降水量時間序列具有明顯波動性，并具有多個潛在震蕩周期；空間水平上具有明顯的地帶性規律，這種時空規律性特征能夠幫助理解氣候系統過程模式，并為未來的降雨、旱澇災害的預報提供幫助。