陆浑水库控制区近50年夏季降水变化特征

王纪军，竹磊磊，胡彩虹，潘 攀

(1.河南省气候中心，河南 郑州450003;2.郑州大学，河南 郑州450052)

水资源短缺已受到人们的广泛关注，研究人员对水资源与气候变化的关系开展了众多分析. 胡彩虹等［1］利用陆浑水库1987—2004年气候和水文观测数据率定了SWAT 模型参数，分析了未来气候情景A1B 下覆被变化对径流的影响.刘晓琴等［2］利用结构简单、原理明确、参数较少的BUCKET 模型对陆浑水库旬平均流量进行了模拟. 李海荣等［3］根据气象资料论证、历史洪水考证和实测洪水资料的分析确定了每年汛期的前汛期和后汛期的分界点. 李海荣等［4］利用旬降水量，运用模糊数学研究了水库汛期的分期，并确定了各分期内的汛限水位.郝敬伟等［5］利用1960—2001年日降水量分析了陆浑水库的汛期分期以及限制水位. 余卫东等［6］利用河南省1957—2005年的逐日降水资料，分析了不同强度降水量和降水日数的变化趋势. 陈海生等［7］采用地统计和GIS 相结合的方法，以河南省1950—2000年气象资料为基础，研究了河南省年降水量、蒸发量和年盈亏量的空间变异和分布特征. 郭瑜等［8］利用1961—2009年河南省17 个站的日降水资料，分析了河南省降水量、降水日数和极端强降水事件的变化特征.

目前的研究成果要么使用的资料在时间上序列偏短，要么是所用资料在空间尺度上分辨率较低，而降水本身在空间上具有不连续性，空间变异较大，为了更准确地把握陆浑水库控制区域的夏季降水时空变化特征，特开展以下研究工作.

1 研究区概况

陆浑水库位于河南省洛阳市嵩县田湖镇陆浑村附近，1959年开始修建，水库集水面积3 674 km2，总库容13.2 ×108m3，水库以防洪为主，兼顾灌溉、发电和供水.水库位于黄河二级支流伊河上，距洛阳市67 km，控制流域面积3 492 km2，占伊河流域面积的57.9%.

2 资料和方法

1961—2012年逐月降水资料来自河南省信息与技术保障中心，包括6 个气象观测站点:宜阳、洛宁、伊川、栾川、汝阳和嵩县.

利用数理统计方法揭示陆浑水库控制区域的降水量时空分布特征.指标主要利用平均值、均方差和极差，分布拟合采用线性或者二次多项式，检验效果利用t－ 检验方法. 观测样本为χi(i = 1，2，…，n－1，n)，则计算公式如下.

平均值:

均方差采用无偏估计:

极值比:

3 结果与讨论

3.1 夏季降水量与年降水量的关系

陆浑水库控制区域历年夏季平均降水量与年平均降水量的比值平均为0.48，而1981—2010年的比值平均为0.50，这表明20世纪70年代以前夏季降水量占年降水量的比例更小. 图1给出了陆浑水库控制区域气象观测站点平均夏季降水量与年降水量比值的年际变化特征. 图中的气候值为1981—2010年的平均值，最大值为陆浑水库控制区域6 个气象观测站中夏季降水量与年降水量比值的最大值，最小值则为6 个观测站中的最小值.无论是最大值还是最小值，与夏季平均降水量和年平均降水量之间的比值均具有极为显著的线性相关关系，相关系数均在90%以上，能够通过0.001 极为显著性信度水平的检验，因而分析区域平均的比值就能够全面反映夏季降水量占年降水量比例的特征.

1961—2012年52 a 间夏季降水量与年降水量的比值，1982年最大，达到0.69;2000年次之，也达到0.65. 历年间夏季降水量与年降水量的比值，1997年最小，仅为0.22，不足年降水量的1/4;次小值为1985年的0.29，稍高于年降水量的1/4. 陆浑水库控制区域夏季降水量与年降水量的比值具有明显的年际变化特征，但没有显著的线性趋势，以波动变化为主，年间均方差为0.10，年间均方差占历年平均的21%.夏季降水量与年降水量的比值还有明显的阶段性变化特征.20世纪70年代中期以前，夏季降水量一般少于年降水量的50%，15 a 间只有1962年(0. 529)和1965年(0.545)的比值大于0.50;之后7 a 在高值区振荡，接着连续有5 a 比值小于常年值;进入21世纪以后，夏季降水量和年降水量的比值基本上呈现准2 a 振荡，在常年值附近跳跃变化.

图1 夏季降水量与年降水量比值的年际变化特征

表1给出了陆浑水库控制区域6 个气象观测站以及区域平均的夏季降水量与年降水量的线性关系.由表1可以看出，相关系数平均在0.65 以上，均能够通过信度为0.001 的极显著水平的检验，表明夏季降水量的时间变化特征很大程度上可以代表年降水量的时间变化特征.

表1 陆浑水库控制区域各站夏季降水量与年降水量线性关系一览表

3.2 夏季降水量

图2给出了1961—2012年陆浑水库夏季降水量平均值(直方图)及其站间均方差(虚线)的年际变化特征.

陆浑水库夏季降水量1981—2010年平均为324.6 mm.1961—2012年52 a 间降水量最大值出现在1996年，平均降水量为554.2 mm，各站降水量均在500 mm 以上.降水量最大值为宜阳的683.5 mm;最小值为504.7 mm，出现在洛宁，站间变异性较小，降水量最大值与最小值之比只有1.35.历年夏季平均降水量最小值则为1997年的88.0 mm，各站间变异性最大，极值比达到5.3.陆浑水库夏季降水量具有明显的年际变化和阶段性变化特征，历年均方差为88.0 mm，占常年值的27.1%.20世纪70年代自中期起并于1978年止，区域平均夏季降水量以偏少为主，其间仅有1962，1964，1973年的降水量超过气候值，且距平值不足32.0 mm;随后进入相对多雨阶段，一直持续到1984年;接着进入先急剧下降后又直线上升阶段;20世纪90年代中、后期开始年际波动比较剧烈，距平基本呈现为正负相间分布态势.陆浑水库夏季平均降水量没有显著的线性趋势，总体呈现为波动变化.

图2 陆浑水库夏季降水量及其站间均方差年际变化

陆浑水库控制区域夏季降水量站间标准差和极值比之间具有极为显著的线性相关关系，二者之间的相关系数为0.49，能够通过信度为0.001 水平的显著性检验.这里以站间标准差为例，说明其年际变化特征情况.1981—2010年降水量站间标准差平均为82.0 mm;最大值为2005年的162.3 mm;次大值为2000年的151.5 mm;最小值为1969年的22.9 mm，次小值为1976年的23.1 mm.陆浑水库降水量站间均方差同样具有明显的年际变化和阶段性特征:20世纪60年代以前，降水量站间均方差以偏小为主，10 a间仅有1962，1965，1967，1970年在常年值以上，其中1962年超常年值仅4.1 mm;接着直至20世纪80年代初期，基本上处于准2 a 振荡状态;随后直至20世纪末，降水量站间差异维持低值模态;进入21世纪后，站间差异较大，13 a 间仅有2006年和2008年的均方差低于常年值，只占15.4%;降水量站间均方差具有较显著的上升趋势，每10 a 上升5.95 mm，相关系数可达27.02%，接近信度为0.05的显著性水平的临界值.

控制区域各个观测站的夏季降水量均没有明显的变化趋势，相关系数均不能通过0.10 信度的显著性检验，只有栾川站的相关系数接近0.10 水平信度的临界值.而站间均方差则具有较显著的上升趋势，说明降水量的空间变异性增大，加剧了极端事件的发生.控制区域各个站的夏季平均降水量与站间标准差二者之间存在极为显著的线性正相关关系，相关系数为0.43，能够通过信度0.01 水平的显著性检验.即通常情况下，平均降水量大时，站间标准差也大;反之亦然.

3.3 6—8月各月降水量

陆浑水库控制区域气象站1961—2012年6月份降水量平均值(直方图)及其站间均方差(虚线)的年际变化如图3所示.

图3 陆浑水库6月份降水量及其站间均方差年际变化

对于陆浑水库控制区域6月份平均降水量，1981—2010年的均值为70. 8 mm. 1961—2012年52 a间6月份区域平均降水量最大值出现在1971年，其值为167.6 mm;次大值为2000年的163.0 mm.控制区域历年6月份平均降水量最小值则为1965年的10.4 mm;次小值为1998年的15.8 mm.6月份区域平均降水量具有明显的年际和阶段性变化特征，历年间均方差为40.8 mm，占常年值的57.6%.20世纪70年中、前期以前降水以偏少为主，17 a 间仅1961年和1971年的降水量超过常年值;随后进入准2 a 周期的振荡模态;21世纪初期降水以偏多为主;2004年以后区域平均降水量进入偏低模态，9 a间只有2006年的降水量高于常年值5.7 mm. 区域平均降水量可以用二次多项式做较好的拟合，基本为前升后降分布型，拟合与观测的相关系数为24.9%，能够通过信度为0.10 的显著性检验.

对于陆浑水库控制区域6月份降水量站间均方差，1981—2010年的均值为70. 8 mm. 1961—2012年52 a间6月份降水量站间均方差最大值为2000年的74.52 mm;次大值为1981年的40.79 mm. 历年6月份降水量站间均方差最小值为2.91 mm，出现在1965年;次小值为4.14 mm，出现在1998年6月份.降水量站间均方差以波动变化为主，没有显著的线性趋势，但有明显的年际变化和阶段性变化特征.历年间的均方差为12.1 mm，将近是均方差常年值的50%.20世纪90年代以前，降水量站间差异相对较小，多在常年值以下;30 a 间仅有10 a 的均方差高于常年值，其中1964年、1970年和1987年的均方差超常年值不足2.0 mm.进入21世纪，均方差则以偏大为主.与夏季降水量变化模态不同，6月份降水量站间均方差和极值比没有显著的线性相关关系，说明两个变量变化的不同步性.

陆浑水库控制区域6月份平均降水量与站间均方差具有显著的正相关关系，二者之间的相关系数高达58.6%，能够通过0.001 信度的极显著水平的检验.说明降水量站间差异与降水量的变化具有同步的特征.

图4给出了陆浑水库控制区域1961—2012年7月份降水量平均值(直方图)及其站间均方差(虚线)的年际变化分布特征.

图4 陆浑水库7月份降水量及其站间均方差年际变化

1981—2010年陆浑水库控制区域降水量平均为135.2 mm.1961—2012年52 a 间7月份区域平均降水量最小值为1997年的47.2 mm;次小值为1987年的50.2 mm.历年区域平均降水量最大值为295.0 mm，出现在1973年;次小值为249.4 mm，出现在2007年.陆浑水库控制区域7月份平均降水量年际变化特征明显，历年平均降水量的均方差达到61.5 mm，将近常年值的52%.7月份降水量阶段性变化特征也很明显，20世纪70年代初期以前，区域平均降水量以偏少为主，15 a 间降水量偏多年有5 a，其中3 a 的距平值接近0.0 mm;随后直至80年代中、前期则多雨特征明显;70年代到80年代中期则以多雨为主;接着又进入降水量相对偏丰期.

陆浑水库控制区域降水量站间均方差1981—2010年的均值为48.7 mm，1961—2012年52 a 间以负距平为主，29 a 的降水量站间均方差低于常年值，占统计数段的56%.1961—2012年7月份降水量站间均方差最大值为98.9 mm，出现在1982年;次大值为97.7 mm，出现在2005年. 历年降水量站间均方差最小值为1969年和1999年的14.8 mm;次小值 为1987年 的19. 2 mm. 历年 的 均 方 差 为20.7 mm，约为常年值的52%，表明7月份降水量站间变异性的年际变化较大.另外，7月份区域降水量站间均方差还有显著的阶段性变化特征.20世纪80年代中期到90年代中期，降水量站间均方差低位振荡，1985—1993年8 a 间均低于常年值. 从20世纪90年代中期开始，降水量站间均方差进入准2 a 的振荡阶段，距平值基本正、负参半，在常年值上下有序地波动.

陆浑水库控制区域7月份平均降水量与站间均方差的关系与6月份相似，降水量区域平均与站间均方差之间具有极显著的相关关系，二者之间的相关系数比6月份的更大，达到64.1%，可以通过信度0.001 极显著水平的检验.

图5给出了陆浑水库控制区域1961—2012年8月份降水量区域平均值(直方图)及其站间均方差(虚线)的年际变化分布特征.

图5 陆浑水库8月份降水量及其站间均方差年际变化

陆浑水库控制区域8月份降水量1981—2010年平均为118.6 mm.8月份1961—2012年区域平均降水量的最大值为1988年的269.6 mm;次小值为1996年的256.1 mm. 历年区域平均降水量最小值出现在1997年，降水量为16. 8 mm;次小值为29.4 mm，出现在2007年.8月份降水量的区域平均值没有显著的线性变化趋势，以波动变化为主.8月份陆浑水库控制区域平均降水量以负距平为主，52 a间有30 a 的区域平均降水量低于常年值;区域平均降水量具有明显的年际和阶段性变化特征.20世纪80年代末之前降水量以偏少为主，27 a 间有18 a 区域平均降水量小于常年值118.6 mm，占统计时段的2/3;高于常年值的9 a 中有1964年、1967年和1968年的降水量高于常年值不足9.0 mm.1988年以后区域平均降水量距平值基本正、负参半.

陆浑水库控制区域8月份降水量站间均方差1981—2012年的均值为36.9 mm.1961—2012年区域降水量站间均方差最大值为1975年的95.3 mm;次大值为1988年的94.8 mm.历年区域降水量站间均方差最小值为10.5 mm，分别出现在1997年和2007年;次小值为12.5 mm，出现在1973年.8月份降水量区域站间均方差距平值基本上正、负参半，52 a间有25 a 的距平值大于0.0 mm.站间均方差具有明显的阶段性变化特征，20世纪70年代中期以前多低于常年值，13 a 间只有1963年、1965年、1967年和1971年的降水量站间均方差高于常年值36.9 mm，表明降水量站间变异性较小;紧随其后降水量站间均方差进入相对高值阶段，一直持续到1984年;11 a 间只用1978年和1980年的降水量区域站间均方差小于常年值.20世纪80年代中期到90年代初期，降水量站间差异又进入相对偏小阶段;20世纪90年代中、后期到世纪末，站间均方差以偏小为主，期间的正距平值多在7.0 mm 以下;21世纪后降水量站间均方差居高不下.

8月份陆浑水库控制区域降水量平均值与站间均方差有显著的线性相关关系，相关系数为62.9%，能够通过信度为0.001 极显著性水平的检验.

4 结 语

利用陆浑水库控制区域6 个气象观测站1961—2012年逐月降水资料，对控制区域的夏季降水进行了时空分布特征分析，结论如下.

1)陆浑水库控制区域6 个气象观测站平均夏季年降水量与年降水量的比值常年值为0.50，但年际变化和阶段性变化特征明显，最大值和最小值各自为0.69 和0.22，极值比达到3.14.无论是6 个观测站，还是区域平均值，夏季降水量与年降水量线性关系均极为显著，能够用夏季降水量的变化特征标识年降水量的变化.

2)陆浑水库控制区域夏季以及6—8月各月的平均降水量常年值依次为324. 6，70. 8，135. 2，118.6 mm，站间均方差的常年值则依次82.0，70.8，48.7，36.9 mm.夏季及其各月降水量和站间均方差均没有显著的线性趋势，均以波动性变化为主，但均具有明显的年际和阶段性变化特征.

3)陆浑水库控制区域夏季及其各月的平均降水量与对应的站间均方差均具有极为显著的线性相关关系，夏季平均降水量与站间均方差的相关关系最为不好，但其系数也达到了0.43，能够通过信度为0.01 的显著性检验.

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