2017—2021年龍巖棉花灘水庫流域汛期面雨量時空分布特征分析

李國景 張建才 陳 菲 鄧麗萍

(福建省龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000)

0 引言

面雨量是水文氣象的重要參數,能客觀反映降水對特定流域的影響。目前,隨著區域氣象資料的不斷豐富完善,國內對由大、中型水電樞紐運行調度和服務的流域氣候已有許多研究與應用[1-3]。開展流域面雨量的特征分析與應用研究有利于區域防災減災,提高流域面雨量的預報水平,并為特定流域防汛提供科學依據。

棉花灘水庫位于龍巖市永定區峰市鎮,地處汀江干流棉花灘峽谷河段,屬不完全年調節水庫,水庫流域包含長汀、連城、上杭、武平、永定等5個縣(區),集水面積7907 km2,水庫面積63 km2,最大庫容20.35億m3,水庫具備水力發電、防洪灌溉、保障生產生活用水、優化生態環境等多種重要功能[4]。本文分析了2017—2021年棉花灘水庫流域面雨量的時空分布特征及變化情況,尤其是汛期強降水時的特征及變化,以期有效減輕或避免潛在的氣象災害或地質災害,保障地方經濟可持續發展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用2017—2021年長汀、連城、武平、上杭、永定等5個縣(區)共198個區域自動站汛期(前汛期3—6月、后汛期7—9月)逐日降水資料。

1.2 分析方法

流域面雨量是指某一時段內一定面積上的平均雨量,其定義式為:

(1)

依據《江河流域面雨量等級》(GB/T 20486—2017),江河流域面雨量(24h面雨量值)等級劃分為小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～59.9 mm)、大暴雨(60.0～149.9 mm)、特大暴雨(≥150.0 mm)。面雨量計算采用泰森多邊形法[5]。泰森多邊形法又稱垂直平分法,其方法是計算各雨量站的面積權重系數,然后各站點雨量與該站的面積權重相乘后累加。雨量站權重系數的求法為將流域內各相鄰雨量站用直線相連,作各連線的垂直平分線,這些線相交后把流域分為若干個多邊形,每個多邊形內都有一個雨量站。設每個雨量站都以其所在的多邊形為控制面積ΔA,控制面積與全流域面積之比(f=ΔA/A)即為該雨量站的權重系數。計算公式如下:

(2)

圖1 棉花灘水庫流域自動站泰森多邊形圖

棉花灘水庫流域面積較小,區域自動站分布較為均勻,近幾年雨量資料較為齊全。因此,算術平均法也適用于面雨量的計算,此方法將流域內所有雨量站的同期降水量累加起來除以總站數。由表1可知,算術平均法與泰森多邊形法計算的汛期各月面雨量數值相差較小,最大僅相差1.4 mm。此外,兩種方法計算的2017—2021年汛期平均面雨量數值相差也較小,算術平均法計算的結果為1230.7 mm,泰森多邊形的計算值為1233.4 mm,兩者相差2.7 mm。其中,兩者計算的2018年汛期平均面雨量相差最小,僅相差1.0 mm。考慮流域內山區地形地貌、站點密集程度及其他因素的影響,泰森多邊形法的計算精度要高于算術平均法,計算棉花灘水庫流域面雨量應首選泰森多邊形法。

表1 泰森多邊形法與算術平均法計算的月面雨量對比 單位:mm

2 棉花灘水庫流域汛期面雨量時空分布特征

2.1 汛期面雨量的年變化

2017—2021年棉花灘水庫流域汛期面雨量最大為2019年,達1652.3 mm,2021年僅為954.1 mm。2017年、2018年及2020年汛期面雨量居于中位,分別為1341.4 mm、1005.3 mm及1213.9 mm。2017—2021年汛期面雨量數值波動較大,氣候傾向率為-56.6 mm/a,整體呈減少趨勢。

2.2 汛期各月面雨量的變化

2017—2021年,棉花灘水庫流域前汛期面雨量為825.1 mm,占汛期面雨量的66.9%,此時期正處于江南春雨季節,降水最為豐富;后汛期面雨量為408.3 mm,占汛期面雨量的33.1%,這與夏季受副熱帶高壓影響,多雷陣雨天氣及臺風影響有密切關系。汛期各月面雨量分布呈現高低錯落的主峰和副峰特征,如圖2所示。主峰位于前汛期的6月,面雨量達329.6 mm,占汛期面雨量的26.7%,次大值在5月,面雨量208.6 mm,占汛期面雨量的16.9%,后汛期的8月出現一個小副峰,面雨量170.7 mm,占汛期面雨量的13.8%。

圖2 棉花灘水庫流域汛期各月平均面雨量

2.3 汛期各月日面雨量極大值分布

2017—2021年,棉花灘水庫流域汛期除了9月,均出現過暴雨以上量級(日面雨量≥30.0 mm)的強降水,如圖3所示。9月日面雨量極大值僅為24.9 mm,出現在2020年9月23日;8月日面雨量極大值為36.3 mm。出現大暴雨以上量級(日面雨量≥60.0 mm)強降水的月份只有3月和6月,2017年6月2日出現最大日面雨量,達到81.3 mm;次極大值出現在3月,日面雨量極大值為64.6 mm。

圖3 棉花灘水庫流域汛期各月日面雨量極大值

2.4 汛期日面雨量頻次分布

由表2可知,2017—2021年,棉花灘水庫流域汛期內小雨量級日面雨量的降水545次,占汛期全部降水統計樣本的64.3%,其中,7月最多,達99次;中雨量級日面雨量的降水186次,占汛期全部降水統計樣本的22.0%,其中,8月最多,達38次;大雨量級日面雨量的降水為81次,占汛期全部降水統計樣本的9.6%,其中,5月最多,達17次,6月次之,有16次;2017—2021年,汛期日面雨量達到暴雨以上量級的強降水共有35次,占汛期全部降水統計樣本的4.1%,年均7次。暴雨以上量級的汛期強降水主要出現在前汛期(3—6月),共出現31次,占汛期強降水總次數的88.6%。其中,6月強降水出現的次數最多,達19次,占汛期強降水總次數的54.3%,5月次之,達6次;暴雨量級日面雨量的降水共有30次,占汛期強降水總次數的85.7%,其中有一半的暴雨集中在6月;大暴雨量級日面雨量的降水共有5次,其中,6月出現4次,3月出現1次,占汛期強降水總次數的14.3%。2017—2021年內后汛期只有7月和8月出現暴雨量級日面雨量的降水,各有2次。2017—2021年汛期內均未出現特大暴雨量級的日面雨量,也未出現降水強度≥90.0mm的日面雨量。

表2 棉花灘水庫流域2017—2021年汛期各月不同等級逐日面雨量次數 單位:次

2.5 汛期累積面雨量≥30.0 mm的集中強降水

2017—2021年,棉花灘水庫流域汛期日面雨量≥30.0 mm連續出現2 d的集中強降水過程共有7次。日面雨量≥30.0 mm連續出現3 d的集中強降水只有1次,此3d累積面雨量132.9 mm,出現在2017年6月14—16日。日面雨量≥60.0 mm連續出現2 d的集中強降水出現日期在2019年6月23—24日,此2 d累積面雨量為135.1 mm,其中,6月23日面雨量61.3 mm,6月24日面雨量73.8 mm。

采用滑動求和方法[8],得出流域汛期連續3 d以上累積面雨量≥30.0 mm的過程共出現186次。滑動3 d面雨量之和的最大值為146.6 mm,出現在2017年6月2—4日,其中,2017年6月2日面雨量即為2017—2021年最大的日面雨量,另2 d日面雨量均為大雨以上量級。滑動3 d面雨量之和的次大值為142.8 mm,出現日期為2019年6月23—25日。連續5 d以上累積面雨量≥30.0 mm的過程,流域內共出現378次。滑動5 d面雨量之和的最大值為182.0 mm,出現在2019年6月9—13日,5 d中有2 d日面雨量達到暴雨以上量級,分別為72.8 mm和45.3 mm。滑動5 d面雨量之和的次大值為169.7 mm,出現日期在2019年6月10—14日,與出現最大值的日期多數重疊。連續7 d以上累積面雨量≥30.0 mm的過程,流域內共出現438次。滑動7 d面雨量之和的最大值為230.1 mm,出現在2017年6月14—20日,7 d中有4 d日面雨量達到暴雨量級。滑動7 d面雨量之和的次大值為226.0 mm,出現在2017年6月13日—19日,同樣與出現最大值的日期較多重疊。

2.6 汛期日面雨量大雨以上量級的降水空間分布

由表2可知,2017—2021年棉花灘水庫流域汛期日面雨量達到大雨以上量級的降水共有116次,占全部降水次數的13.7%,平均日面雨量為28.4 mm,其平均降水空間分布如圖4所示[9]。汛期平均降水大致呈現北部較少、中南部較多的分布特征。長汀縣西北部地區降水基本位于低值區域,平均降水量在24.0 mm左右,其他區域多數處于平均值區域,武平縣中部和上杭縣中東部地區的降水基本位于高值區域,平均降水量達31.0 mm左右,兩縣其他區域的降水量數值同樣較高,基本在平均值以上;連城縣東部和北部地區的降水量也處于較高數值,其他區域的降水量位于平均值附近;永定區西北部降水量數值較高,東南部降水多數處于平均值區域。形成此汛期強降水空間分布不同的原因可能是各地與海洋的距離位置不同,春、夏季期間南方暖濕氣流影響區域不一致,其次是受流域內高低起伏的山地丘陵地形及局部降水天氣系統的影響,由此出現強弱不同的區域性降水。

圖4 2017—2021年棉花灘水庫流域汛期日面雨量大雨以上量級平均降水分布圖

3 結論

①2017—2021年,龍巖棉花灘水庫流域年平均汛期面雨量為1233.4 mm,年汛期面雨量呈減少趨勢。前汛期和后汛期的面雨量分別占年汛期面雨量的66.9%和33.1%。6月面雨量達329.6 mm,占汛期面雨量的26.7%。

②棉花灘水庫流域的汛期除了9月,均可出現日面雨量達到暴雨以上量級的強降水,出現日面雨量達到大暴雨以上量級強降水的月份只有3月和6月,其中6月出現最大日面雨量,達81.3 mm。

③2017—2021年,棉花灘水庫流域汛期日面雨量達到暴雨以上量級的共有35次,占全部降水統計樣本的4.1%,年均7次,其中暴雨和大暴雨分別占汛期強降水總次數的85.7%和14.3%。強降水主要出現在前汛期,6月強降水出現的次數最多。此外,汛期日面雨量≥30.0 mm連續出現2 d的集中強降水過程共有7次,連續3 d以上累積面雨量≥30.0 mm的過程共有186次。

④棉花灘水庫流域汛期平均降水大致呈現北部較少、中南部較多的分布特征,長汀縣西北部地區基本處于降水低值區域,武平縣中部和上杭縣中東部地區主要處于降水高值區域,連城縣中西部和永定區東南部的降水多數位于平均值區域。