基于生長季和年際兩個尺度的吉林西部平原降雨分區及時間特征分析

張欣欣

（盤錦市水利勘測設計有限公司,遼寧 盤錦 124000）

1 前言

降雨是指在大氣中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天氣現象。大氣中的水汽幾乎全部集中于對流層中。在一定溫度下,當空氣不可容納更多的水汽時,稱為飽和空氣。當飽和空氣中的水汽和溫度相匹配時,不會出現水汽凝結現象,但當空氣達到過飽和狀態時,則會產生多余的水汽并發生水汽凝結,產生降雨現象。

在研究一個地區的干旱或洪澇程度時,降雨往往是一個重要的指標。當降雨過少或達不到農作物灌溉標準時,常常會發生干旱現象,研究區氣候屬于溫帶大陸性季風氣候,蒸發大于降水,是典型的農牧交錯帶和生態環境脆弱區,干旱天氣會對環境產生很大的破壞。以白城地區為例,建國以來,該地區平均每年受旱面積約243.9 萬畝,占總耕地面積的20%,干旱最嚴重的是1972 年和1989 年,受災面積達725.8 萬畝。全區干旱面積逐年增加,由建國初期平均每年180 萬畝,20 世紀70 年代增加到平均每年422 萬畝,增加了134%,平均每年以7.6 萬畝的速度遞增[1-2]。同時,干旱經常造成全區性的糧食減產,平均每年減產29.3 萬t,減產率為21%[3-5]。降雨不僅僅會造成旱災,當單位時間內的降雨量過大時,也會造成洪災。研究區受季風氣候影響,年際降水時空分布不均,夏季多雨,占全年降雨量的70%左右,年內旱、洪災交替發生。

隨著國家經濟的飛速發展和人們生活水平的日益提高,天氣預警信息受到越來越多的人關注[6-8]。對于研究區,降雨量的多少決定了當地的干旱與洪澇能否發生。本文在提取研究區DEM 數據的基礎上,結合統計學知識,分析研究區的降雨規律,這對于避免和降低旱澇損失具有重要的現實意義。

2 材料與方法

2.1 平原區概況

研究區位于松嫩平原西南部,區內轄白城、松原、長春、四平,四市,交通便利,總面積18 萬km2。屬于溫帶大陸性季風氣候,四季分明,自東向西由半濕潤地帶過渡到半干旱地帶,蒸發大于降水,是典型的農牧交錯帶和生態環境脆弱區。其中,降水主要集中在夏季,以6 月～9 月為主,占全年降水量的60%～80%。

2.2 數據來源

選用研究區12 個氣象站的1975 年～2017 年氣象數據資料對降水進行特征分析。著重分析該區43 年間的逐年降水量、生長季降水總量時空分布的演變趨勢、月平均降水量及降雨量的變化周期。

2.3 數據分析

（1）研究區降雨特征空間分區：借助ArcGIS 軟件對該區降雨狀況進行空間分區及特征分析；

（2）利用SPSS 對研究區43 年間降雨變化規律進行分析。

3 平原區降水的時空演變特征分析

3.1 平原區DEM 提取與分析

空間分析選用ArcGIS 軟件來進行降雨量分布變化研究。ArcGIS 的核心功能就是為解答地理空間問題而進行空間分析,提取空間信息或者從現有的數據派生出新的數據,是將空間數據轉變為信息的過程[9-10]。

分析的基本步驟：首先,要確定研究的問題并且建立分析的目標、需要得到的結果及滿足的條件。然后針對空間問題選擇合適的分析工具。接下來,準備空間操作需要用到的各種數據[11-12],再定制一個分析計劃執行分析操作。最后,顯示并評價分析結果。

圖1 DEM 提取流程圖

DEM 提取方法介紹：首先,將圖層坐標系設置為西安1980 坐標系,再將吉林省界和市界添加至圖層,對吉林市界進行定義查詢,篩選出吉林西部的四個城市,并在屬性中對市的名稱要素進行標注；其次,將從地理空間數據云中下載的DEM 30M 分辨率的數字高程圖像添加到圖層中；選用工具箱,找到空間數據管理,再找到柵格數據集,選用其下面的鑲嵌功能,先載入合并,再轉換成tif 格式；之后使用空間工具分析箱中提取工具里的掩模提取；再將含有站點的信息sheet 文件添加到圖層中。見圖2、圖3。

圖2 DEM 鑲嵌合并

圖3 吉林西部平原地形圖及降雨狀況

3.2 吉林西部平原區降水時空分布特征及周期變化

3.2.1年際降雨量分區及分析

根據1975 年～2017 年12 個站點每月降水量資料,用Excel 對每年的降水量進行加和,得出白城、大安、通榆等12 個站點近43 年來逐年降雨量。為更加直觀地展現分析數據,站點號對應站點見表1。然后對43 年做時間分析,對12 個站點求平均值,做成圖4。同時,對12 個站點做空間分析, 對43 年各站點的數據做平均值, 得出各站點43年來降雨量年際平均值,利用ArcGIS 軟件,得出空間分析圖5。

表1 各站點名與站點號對應關系

圖4 吉林西部平原區年際降雨量年際變化規律

圖5 吉林西部平原區年際降雨量空間變化規律

由圖4 看出降雨量最大年份為1998 年的638.1 mm；最小的年份為1982 年的296.5 mm,極值比為2.15。同時,從表中可以看出,1975 年～2017 年降雨量整體呈微弱下降趨勢,整體波動也很劇烈。波峰值分別是1985 年、1990 年、1994 年、1998 年、2005 年、2008 年、2010 年、2012 年、2016 年,基本上每2 年～4 年出現一次波峰,這對后續研究降雨的周期性具有一定的指導作用。

由圖5 可以看出降雨量最大值在雙陽,為625.5 mm；最小值在通榆,為374.7 mm,極值比為1.67。同時,從圖5 中可以看出,白城,通榆,乾安的降雨量相對較少；四平,雙遼,長春的降雨量相對較多,所以研究區自西向東年際降雨量呈遞增的趨勢。以白城、通榆、乾安為代表,降雨量較最高水平少50%左右,這三個地區要注意防止干旱天氣造成的損失或者影響；以長嶺、雙遼、農安地區為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個降雨數量區域；以四平、雙遼為代表地區降雨量充足,應在雨季多注意防汛工作,防止造成人民經濟財產的損失。

3.2.2生長季降雨量

根據1975 年～2017 年12 個站點月降水量資料,用Excel數據篩選出每年生長季4 月～9 月的降水量進行加和,得出白城、大安、通榆等12 個站點近43 年來逐年降雨量,對12 個站點43 年間的降雨量做時間分析,用數據透視表繪制出12 幅折線統計圖,得出圖6。

圖6 吉林西部平原區生長季降雨量年際變化規律

（1）對白城站點分析,除1976 年～1980 年降雨量主要呈波動狀外,雖然每年都會出現一定程度的降雨,但降雨量差值較大,干旱與洪澇容易交替出現。其中,生長季降雨量最高的在1998 年,為705.2 mm；最少的在2001 年,為105.1 mm。

（2）大安站點分析,最大值出現在2005 年,為599 mm,最低值在1995 年,為193.7 mm。2010 年后,波動較小,降雨量比較均勻。

（3）乾安站點分析,生長季降雨量最大值出現在1998 年,為669.2 mm；最小值在2004 年,為198 mm。1982 年～1988 年相對要平穩一些,其他年份還是波動較為劇烈。

（4）前鄂爾羅斯的生長季降雨量很平穩, 最大值在2008 年,為578.3 mm。最小值在1982 年,為203 mm,兩者差值很小。

（5）通榆地區生長季降雨量最高值在1990 年, 為552.1 mm；最小值在2007 年,為175.1 mm；雖然最大值與最小值相差也較少,但出現多次降雨量低于200 mm 的情況,該地區應多注意防旱。

（6）長嶺生長季節的降雨量最大值出現在1983 年,為696.7 mm,最低值在1996 年,為236.2 mm；從1975 年～1996 年間,降雨量上下波動較大,1996 年后,相對波動較小。

（7）三岔河的降雨量總體較前幾個偏高,1994 年降雨量最大,為812.5 mm；最小值在1982 年,為179 mm,這也是該站點唯一一次降雨量低于200 mm。

（8）農安生長季降雨量比較富足,超過700 mm 的出現過5 次,最大的一次在1983 年,為739.8 mm；最小值在1982 年,為234 mm。

（9）雙遼地區最高的降雨量是2005 年,為598.7 mm；最低值在2002 年,為189.8 mm,波動較小。

（10）四平生長季降雨量的最大值出現在2005 年,為738.6 mm；最小值在2009 年,為301.4 mm。

（11）長春的最大降雨量出現在2016 年,為793.2 mm；最小值在1982 年,為255 mm；但波動較劇烈。

（12）雙陽的生長季降雨量波動較為劇烈,最大值在2010 年,為839.3 mm；最小值在1982 年,為314.6 mm。

綜上所述,12 個站點的降雨量都波動劇烈, 尤其在2000 年左右波動明顯, 且降雨量較少, 容易發生干旱天氣。由于生長季降雨占全年降雨量比重較大, 所以研究生長季降雨量對作物生長, 干旱洪澇等災害具有很強的現實意義。

3.2.3季節降雨分區及分析

用ArcGIS 對各站點做空間分析,得出圖7。將生長季的空間降雨量分布分成三級進行后續生長季降雨量周期性的研究。白城、大安、通榆、前鄂爾羅斯、乾安、長嶺是降水量少的區域；雙遼、農安和三岔河為研究區降水量中等的三個站點；四平、長春、雙陽則是降雨量較多的站點,易發生洪澇現象。從圖7 看出,研究區自西向東年際降雨量呈遞增趨勢,以白城、通榆為代表降雨量較最高水平少36%左右；同時,以長嶺、雙遼、長春地區為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個降雨分區。

圖7 吉林西部平原區生長季降雨量空間變化規律

4 結果與結論

（1）1975 年～2017 年生長季降雨量整體呈微弱下降趨勢,在生長季降雨量與年際降雨量的比較中,下降趨勢比年際降雨量大,整體波動也很劇烈,說明研究區生長季階段減少的降水量對年際降雨量的貢獻更大。同時,從空間分析中可以看出,研究區自西向東年際降雨量呈遞增趨勢,同時,以長嶺、雙遼、長春地區為代表,年際降雨量分布不均勻,橫跨多個降雨分區。

（2）在對生長季降雨量的分析中,研究區旱澇災害大部分時候都是交替發生,降雨量波動劇烈,旱災大多發生在2000 年以后。這一點與生長季降雨量在時間上總是劇烈波動有很大關系。在空間上可以看出研究區自西向東干旱特征減弱,洪澇特征明顯增強,降雨分布不均勻且大范圍的干旱發生在西部地區。

綜上所述,43 年來研究區的總降雨量呈下降趨勢,波動劇烈,旱澇災害交替發生。降雨量呈規律性變化,季風性氣候明顯。