降雨矢量化对评估干旱时空演变规律的探讨

延玮辰，姜 熙

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，沈阳 110003)

0 前 言

判断一个地区农业干旱或洪涝程度时，降雨因素是非常重要的指标。当降雨量达不到农作物最低需水要求时，会对作物生长造成威胁，严重时会造成粮食减产甚至绝收。文章研究的吉林西部地区属于平原区温带大陆性季风气候，蒸发大于降水，是典型的农牧交错带和生态环境脆弱区，干旱会对环境产生很大的破坏。在实际工作中，国内多采用年或月平均降水量讨论降水的长期变化趋势，分析降水时空分布特征。然而每年降雨量时空分布不均匀，传统方法虽在一定程度上可以表示降水的基本状态，但无法突出某时期内的变化特征，该特征在研究某区域干旱或者暴雨洪涝等气候灾害中是非常重要的。

文章通过对平原区生长季降雨集中程度和集中期的分析，对降雨这一定量的指标赋予方向角(以月份为转换角)，可以突出时期内变化特征及趋势，该研究对于指导灌区灌溉和防洪防涝过程中具有极大的意义。

1 研究内容与方法

1.1 研究内容

文章研究内容主要包括2个方面：

1)平原区长季降雨集中程度分析。以平原区12个气象站的降水量数据分析了降水在生长季不同月份的分散程度。

2)平原区生长季降雨集中期分析。文章借助ArcGIS软件使用集中期指标对平原区降雨状况进行时空演变分析，并对降雨的变化趋势进行集中期分析。

1.2 研究方法

降雨集中度和降雨集中期即降雨矢量化的2个指标，它是基于月降雨量的矢量化过程。假想月降雨量的降雨为向量的值，而每个月份为向量的方位。因此，1a的降雨量的角度可看做360°，每个月为30°。计算公式为：

(1)

PCPi=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

(3)

式中：公式1为集中度公式，公式2为集中期公式。Ri为年际降雨量，rij为月降雨量的值，θj为当前月的向量角。i为年(i = 1961, 1962,…,2014);j为具体月份(j = 1, 2,…… , 12)。

PCD反映降水总量在研究时段内各个候的集中程度。如果在研究时段中，PCD在某一候内，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，它们各个分量累加后为零，即PCD为极小值。所谓PCP就是合成向量的方位角，指示出每个候降水量合成后的总体效应，即向量合成后峰值期所指示的角度，反映1a中最大候降水量出现在那1h段内。

2 研究结果

2.1 集中度分析

平原区集中度年纪变化，见图1。由图1可知：集中度最大值发生在1985年，为0.56，集中度最小值发生在1983年，为0.224，比值为2.5。趋势线可以看出35a来降雨集中度整体呈微弱下降趋势，这表示降雨从80年代到现今越来越均匀。并且，由图中可以看出降雨集中度的波动越来越小，降雨在生长季中的平均分配程度趋于平稳。由图2所示，集中度最大值在乾安站点，为0.471，集中度最小值出现在三岔河站点，为0.408，比值为1.15。自西北向东南降雨集中度呈减少趋势，但是由于最大值最小值相差不大，所以变化并不是很剧烈。整体上看，平原区西部集中值偏高(接近0.5)，说明该区域降雨规律性很差且降雨不稳定，这容易导致部分年份的突发性干旱，因此利用集中度分期分析地区降雨或者ET的需水演变，并及时制定相应的防汛抗旱措施具有可行性[1]。

图1 平原区集中度年纪变化图

图2 平原区集中度空间变化规律图

2.2 集中期分析

平原区集中期年纪变化图，见图3。由图3可知：其中集中期如果为0-60，则1a中最大降水量为4月，同理60-120为5月；120-180为6月；180-240为7月；240-300为8月；300-360为9月。有数据统计得出，1a中最大降水量月份分别为：4月份共计8a，占总年数的22%；5月份共计5a，占总年数的14%；6月份共计5a，占总年数的14%；7月份共计9a，占总年数的25%；8月份共计4a，占总年数的11%；9月份共计4a，占总年数的11%。可以看出最大降雨量出现的最大概率月份是7月，同时，图3的趋势线(K=2.6374)呈现增大趋势，表明随着时间的推移，最大降雨量有向8月份转变的趋势，吉林西部平原区集中期空间变化规律，见图4。如图4所示，集中期为7月的只有白城一个站点，其他11个站点都在6月份为平均生长季降雨量最大月份。自南到北除白城外，生长季最大降雨时间在6月中旬越来越往后推延，如双辽、四平在6月上旬，长岭、长春、双阳、农安就在6月中旬，而剩下的站点就在6月下旬。因此，该地区防汛抗旱的重点分布在6月中下旬—7月上旬，集中期可以用于评估降雨或ET的转化方位并指导地区阶段性的防汛抗旱或者灌溉策略。

图3 平原区集中期年纪变化图

图4 吉林西部平原区集中期空间变化规律

2.3 集中程度的演变趋势和空间分布特征

对作物生长季集中度(PCD)进行了分析，可以看出在白城、大安、乾安、前郭尔罗斯、通榆、长岭、三岔河、长春站点集中度都是下降趋势，说明这些站点的降雨在生长季中越来越分散，但是只有通榆站点是显著下降趋势，其他的都是不显著下降趋势；同时，农安、双阳则是属于平稳趋势，有一些波动；而双辽则是属于上升趋势，说明双辽站点在生长季中降雨越来越集中。集中度空间变化表。见表1，集中度空间变化趋势图，见图5。

图5 集中度空间变化趋势图

表1 集中度空间变化表

对生长季集中期(PCP)进行了分析，可以看出在白城、大安、乾安、前郭尔罗斯、通榆、长岭、三岔河、农安、双辽、四平集中期都是上升趋势，说明这些站点降雨的集中期有往后移动的趋势。其中，白城、大安、长岭、三岔河为显著上升趋势；同时，长春为平稳趋势；双阳不显著下降趋势。降雨期后移如果发生在作物非需水关键期，在一定程度上可能有利于作物的产出。因此，相关部门应根据降雨集中期变化规律，灵活指导农民抗旱增收[2]。集中期空间变化表，见表2；集中期空间变化趋势图，见图6。

图6 集中期空间变化趋势图

表2 集中期空间变化表

4 结 语

以降雨为例，分析了将灌溉参数矢量化表征的方法对于评估降雨或ET演变趋势的可能性，从结果看，集中度最大值在乾安站点，为0.471，集中度最小值出现在三岔河站点，为0.408[3]。吉林平原区自西北向东南降雨集中度呈减少趋势，但是由于最大值最小值相差不大，所以变化并不是很剧烈。整体上看，该区域降雨规律性很差且降雨不稳定，这容易导致部分年份的突发性干旱。集中期为7月的只有白城一个站点。自南到北除白城外，生长季最大降雨时间在6月中旬越来越往后推延，如双辽、四平在6月上旬左右，长岭、长春、双阳、农安就在6月中旬左右，而剩下的站点就在6月下旬左右。因此，该地区防汛抗旱的重点分布在6月中下旬—7月上旬。在白城、大安、乾安、前郭尔罗斯、通榆、长岭、三岔河、长春站点集中度都是下降趋势，说明这些站点的降雨在生长季中越来越分散，但是只有通榆站点是显著下降趋势，其他的都是不显著下降趋势；同时，农安、双阳则是属于平稳趋势，有一些波动；而双辽则是属于上升趋势，说明双辽站点在生长季中降雨越来越集中。在白城、大安、乾安、前郭尔罗斯、通榆、长岭、三岔河、农安、双辽、四平集中期都是上升趋势，说明这些站点降雨的集中期有往后移动的趋势。其中，白城、大安、长岭、三岔河为显著上升趋势；同时，长春为平稳趋势；双阳不显著下降趋势。降雨期后移如果发生在作物非需水关键期，在一定程度上可能有利于作物的产出[4]。