运城市降水集中度和集中期的时空特征分析

藏曦

（芮城县气象局，山西 芮城 044600）

运城市降水集中度和集中期的时空特征分析

藏曦

（芮城县气象局，山西 芮城 044600）

利用运城市9个气象站1960—2014年逐候降水资料，运用线性趋势、Mann-Kendall曲线、相关系数和合成分析等方法探讨了运城市近55 a来年降水量、降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的时空特征。结果表明：时间上，年降水量呈减少趋势，变化倾向率为-7.94 mm/ 10 a；PCD年际变化显著，在0.30～0.72，多年平均为0.53；PCP多年平均41.63候，最早与最晚相差13候。空间上，年降水量区域差异明显，由东南向西北递减；PCD从西南向东北递增，有2个大值和2个小值中心，PCP呈现“南早北晚”形势。PCD、PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之间都存在正相关，表明汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水就越集中，出现洪涝灾害的可能性就越大；降水集中期出现的越晚。

降水；降水集中度；降水集中期

水资源作为一种重要的自然气候资源，与工农业生产和人们的生活都有着非常密切的关系。关于水资源方面的研究，广大气象学者从不同角度、运用不同资料、采用不同方法进行了大量研究，得出了很多有意义的结论。江新安等[1]利用常规地面、高空和雷达及雨滴谱资料，分析了一次大范围暴雨过程的宏观天气形势和微观物理特征。岳江[2]用R/S等方法得出大同地区汛期降水以准3 a低频周期为主。徐祥德[3]等运用地面、探空和网络资料，得出大地形对塔里木盆地及沙漠地区特殊的水热过程的作用。高文华等[4]指出近56 a来，山西晋南地区年降水量呈弱减少趋势，但各季减少情况并不一致。王咏梅等[5]分析了山西省近48 a来的强降水极端事件，发现山西极端强降水有减少趋势。刘芸芸等[6]用日降水资料分析了全球变暖背景下西北地区雨季降水的时空特征。这些研究，或关注某一次具体的重要降水过程，或关注当地特殊地形影响下的特殊降水，或分析降水量的季际、年际、年代际变化特征，但这种研究对一个地区某一时段降水量最大或最小的变化特征无法表征出来。实际上降水更多的是一种非均匀性，也是导致某一地区洪涝或干旱最重要的原因[7]，对工农业生产和人们的生活产生的影响更大，因此研究一个地区降水分布的不均匀性有着很好的实际意义。

运城为山西省重要的产粮区，对气候的依赖性很强，降水量的多寡程度、分布情况等很大程度地决定了农业收成的丰欠，暴雨洪涝干旱等主要气象灾害更是给工农业生产和人民生活带来严重影响，造成了很大的经济损失，因此研究这个地区水资源收支情况的变化很有意义。在本文中，引进了能表征降水非均匀性的2个参量，即降水集中度PCD和降水集中期PCP，通过对运城市近55 a这2个参量的时空变化特征分析，以期能找出运城市降水非均匀性变化方面的一些特点，为更好地应对局地短时强降水所引发的洪涝、预测干旱提供依据。

1 资料和方法

1.1 资料选取

选取运城市资料序列年限较长、观测数据完整且一致的9个气象观测站1960—2014年的候降水量序列资料进行统计分析，资料由山西省气候中心提供，已经过质量检验。平均值取1960—2014年55 a的平均。

1.2 集中度（PCD）和集中期（PCP）的定义

降水集中度（PCD）和集中期（PCP）是用来表征单站降水量随时间分配的参数，其定义和计算公式如下[8]：

其中CNi和Di分别为降水集中度PCD和集中期PCP，Ri为某测站研究时段内总降水量，rij为研究时段内某候降水量，θj为研究时段内各候对应的方位角（整个研究时段的方位角设为360°），i为年份（i=1960，1961，…，2014），j为研究时段内的候序（j= 1，2，…，N=72）。

由式（1）和（2）可知：如果在研究时段中，降水量集中在某一候内，则它们合成向量的模与降水总量之比为1，即PCD为极大值；如果每个候的降水量都相等，则它们各个分量累加后为0，即PCD为极小值。PCP就是合成向量的方位角，它指示出每个候降水量合成后的总体效应，即向量合成后的最大角度，反映了一年中最大候降水量出现在哪一个时段内。具体计算方法和原理见文献[9]。

1.3 分析方法

采用线性趋势、Mann-Kendall突变检验方法分析了运城市近55 a年降水量、PCD与PCP的时空分布与变化趋势；用相关系数法分析了PCD、PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之间的关系；用合成分析法探讨了运城市多水年和少水年的PCD、PCP特征。

图1 运城市55 a年降水量的时空变化趋势

2 分析结果

2.1 年降水量的时空分布特征

从图1a中可以看出，运城市近55 a来，年降水量存在明显的区域差异，呈现出从东南向西北减少的趋势。年降水量最大值中心位于东南的垣曲县，年减少降水量为618.2 mm，最小值中心位于西北的河津市、稷山县一带，年降水量不足480 mm，二者相差近150 mm。

运城市近55 a降水量上整体表现为减少趋势，倾向率为-7.94 mm/10 a，55 a减少43.7 mm。这与高文华等[4]得出的结论一致，但变化趋势比晋南地区年降水量的变化趋势-1.61 mm/10 a明显要大，比山西全省的年降水量变化速率（－17．3 mm/10 a）[10]要小。55 a平均年降水量为516.1 mm；最大821.7 mm值（2003年），最小272.2 mm（1997年），二者相差549.5 mm（图1 b）。

2.2 年降水量PCD的时空变化特征

运城多年平均PCD为0.53，年际变化大，在0.30～0.72，最小值出现在1997年和1994年（0.30），最大值出现在1982年（0.72）。如果认定PCD值大于多年平均，则该年的降水较集中。反之，不太集中；则55 a中，有22 a的PCD比平均值小，其中1980年以前占了10 a；有30 a的PCD比平均值大，2000年以来就占了10 a。说明在年降水量整体减少的情况下，降水却趋于集中，出现极端干旱或极端洪涝灾害的可能性增大（图2a）。

55 a来运城PCD在空间分布上表现为从西南向东、向北递增；存在2个明显的大值中心和小值中心，大值中心位于东南的垣曲县和西北的河津市与稷山县，小值中心位于中部的闻喜县和西南的临猗、芮城一带。PCD的空间分布与年降水量的分布不太一致，年降水量多的地区PCD值不一定大，而年降水量相对较少的稷山、河津，PCD反而较大，降水更加集中，说明这些地方尽管年降水量不是很大也很有可能出现旱涝灾害（图2b）。

图2 运城市55 a年降水量PCD的时空变化趋势（PCD量纲为1）

2.3 年降水量PCP的时空变化特征

运城PCP多年平均为41.63候（7月底）；最早是35候（6月21—25日），出现在1991年和1998年；最晚是2011年的48候（8月底）；二者相差13候（65 d左右）（图3a）。空间上，PCP整体表现为“南早北晚”，最早中心位于平陆县（41.1候），最晚位于临猗、万荣和垣曲（41.8候），二者相差0.7气候（约3天）（图3b）。

图3 运城市55 a年降水量PCP的时空变化趋势（PCP单位为侯）

2.4 PCD和PCP的年代际特征

通过PCD、PCP的Mann-Kendall变化曲线来分析PCD和PCP的年代际变化特征。PCD整体表现为“升降交替和平缓”5个阶段，各阶段分界点分别为1966年、1974年、1985年和1994年；在1980年上升超过临界值，表明上升趋势非常显著，到1985年后持续下降，至1994年后升降比较平缓（图4a）。PCP的M-K曲线在1991年以前为升降交替中下降，说明1991年以前降水集中期偏早（1960—1991年PCP平均为41候），1992年开始持续上升，降水集中期偏晚（1992-2014年PCP平均为42候）；PCP的M-K曲线没有通过临界值，表明PCP的升降变化不显著，没有PCD的变化明显。

图4 运城市55 a年降水量集中度（a）和集中期（b）的M-K变化曲线

2.5 PCD与年降水量、汛期（6—9月）降水量、月最大降水量、候最大降水量和PCP之间的相关性分析

由表1可以清楚地看出，PCD与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之间都存在明显的正相关。与汛期降水量和月最大降水量的正相关性最好，全市各站点的相关系数均通过了99%的显著性检验；大值中心位于稷山、万荣和河津，这与PCD的大值中心一致，说明汛期降水量和月最大降水量越大的地区，降水量就可能越集中。PCD与年降水量的正相关性各地差异较大，最显著的是垣曲，通过了99%的显著性检验，其次是河津、万荣和芮城3县，通过了95%的显著性检验，最小是临猗，仅为0.082。PCD与PCP存在弱的正相关，全市平均正相关系数为0.062，说明降水量集中程度对降水集中期出现早晚影响不大。汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量越大的年份，PCD值就越大，降水量也越集中，出现洪涝灾害的可能性越大，在日常气象服务中，如果预测到某年某月降水量明显偏大，就要加强防御出现洪涝灾害和滑坡、泥石流次生灾害的可能性，做好积极的应对措施，减少灾害损失。

表1 PCD与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量、日最大降水量和PCP的相关系数

2.6 PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量之间的相关性分析

PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量和候最大降水量之间也存在一致的正相关（表2）。PCP与汛期降水量和候最大降水量的相关性最好，全市相关系数平均分别达到了0.253和0.228，通过了90%的显著性检验，说明汛期降水量偏多、候最大降水量偏大的年份，PCP越晚，降水量集中期越晚。这也指导我们在实际的气象服务中，如果预测到汛期降水量偏多，就要做好更长时间的抗汛准备。

表2 PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量的相关系数

2.7 多雨年与少雨年的合成分析

选取年降水量标准化距平值＞1的年份为多雨年，年降水量标准化距平＜-1的年份为少雨年。依此标准，排多雨年前5位是2003年、1964年、1983年、2011年和1961年，排少雨年前5位是1997年、1986年、2012年、2001年和1991年。合成分析运城多雨年和少雨年的PCD与PCP特征。发现多雨年和少雨年的平均PCD均为0.53，PCP均为43.8候，这也说明年降水量对PCD、PCP的影响不大。但如果在降水量异常偏多的年份,PCD也异常偏大,此时出现洪涝灾害的概率就很大；如果年降水量异常偏多,而PCD异常偏小,则很难发生洪涝灾害。如果降水量偏少，但PCD很大，则也很可能出现局地强降水和干旱；如果年降水量偏少，PCD也很小，则降水分布很均匀，也可能不会造成干旱。

3 结论

对运城市1960—2014年降水集中度和集中期的时空统计分析，可以得到以下结论。

（1）时间变化。年降水量呈减少趋势，变化倾向率为-7.94 mm/10 a，55 a年降水量减少了43.7 mm。PCD和PCP的年际变化趋势不显著，但年际差异很大；PCD多年平均0.53，在0.30～0.72之间变化，PCP多年平均为41.63候，最早是35候，最晚是48候，二者相差13候。

（2）空间变化。年降水量表现为从东南向西北方向减少，年降水量最大值中心在东南的垣曲县，最少在西北的河津、稷山，最多与最少相差近150 mm。PCD表现为自西南向东北递增，有2个大值和2个小值中心；PCP表现为“南早北晚”。

（3）相关性分析。PCD、PCP与年降水量、汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量之间都存在正相关；年降水量较大的年份，降水集中程度越高，降水集中期出现的越晚，但这种正相关不是很显著；汛期降水量、月最大降水量、候最大降水量和日最大降水量越大的年份和地区，PCD、PCP值越大，降水就越集中且集中期越晚。

[1] 江新安，王敏仲.伊犁河谷汛期一次短时强降水雨滴谱特征分析[J] .沙漠与绿洲气象，2015，9（5）：56-61.

[2] 岳江.大同地区降水变化特征及趋势分析[J] .沙漠与绿洲气象，2015，7（3）：26-31.

[3] 徐祥德，王寅钧，魏文寿，等.特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水过程及其大气水分循环结构[J] .沙漠与绿洲气象,2014，8（2）：1-11.

[4] 高文华，李忠勤，张明军，等.山西晋南地区近56 a的气候变化特征、突变与周期分析[J] .干旱区资源与环境，2011，25（7）：124-127.

[5] 王咏梅，张红雨，郭雪，等.山西省近48a高温和强降水极端事件变化特征[J] .干旱区研究，2012，29（2）：289-295.

[6] 刘芸芸，张雪芹，孙杨.全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征[J] .气候变化研究进展，2011，7（2）：97-102.

[7] 周明丽，娄德君.肇州降水集中度和集中期的气候特征分析[J] .黑龙江气象，2010，27（2）：5-14.

[8] 张录军，钱永甫.长江流域雨季降水集中程度和洪涝关系研究[J] .地球物理学报，2003，47（4）：622-630.

[9] Zhang Lujun,Qian Yongfu.Annual dstribution the yearly precipitation in China and their interantions[J] .Acta Meteorologica Sinica，2003，17（2）：146-163.

[10] 赵桂香，赵彩萍，李新生，等.近47年来山西省气候变化分析[J] .干旱区研究，2006，23（3）：500－505.

Spatial and Temporal Characteristics of Precipitation Concentration and Concentration Period in Yuncheng

ZANG Xi
（Ruicheng Meteorological Bureau，Ruicheng 044600，China）

Based on the pentad data of precipitation from 9 stations in Yuncheng during 1960-2014,the characteristics of spatiotemporal distributions of annual precipitation,precipitationconcentration degree（PCD）and precipitation-concentration period（PCP）in recent 55 years are studied by using linear-trend，Mann-Kendall curve,correlation and synthetic analysis methods.The results show that annual precipitation is in a decreasing trend in the past 55 years，and the climatic tendency rate is-7.94 mm/decade.The variability of PCD is between 0.30 and 0.72，the average is 0.53.The average of PCP is 41.63 pentad，the difference between the latest and the earliest is 13 pentad.The regional difference of annual precipitation decreased significantly from southeast to northerwest.The PCD has 2 large and 2 small centers and increases from the southest to the northeast.The PCP in the south area is earlier than that in the northern area.There is a positive relationship between PCD,PCP and annual precipitation,flood season precipitation,mothly precipitation,pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation.The year with large flood season precipitation,mothly maximum precipitation pentad maximum precipitation,daily maximum precipitation,is also the year with larger PCD,which indicate the high possibility of flood disaster and latter PCP.

precipitation；precipitation-concentration degree；period of precipitation-concentration

P426.61

B

1002-0799（2017）01-0076-05

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.010

2016-07-09

山西省气象局项目（SXKYBTQ201510079）。

藏曦（1975-），女，工程师，从事公共气象服务研究。E-mail：765534030@qq.com

藏曦.运城市降水集中度和集中期的时空特征分析[J] .沙漠与绿洲气象，2017，11（1）：76-80.