新疆博河、精河流域降水特征分析研究

王 燕

（新疆博尔塔拉水文勘测局,新疆 博乐 833400）

1 资料选取

1.1 流域概况

博河、精河流域地处亚欧大陆板块中部,受大陆干旱气候影响,降雨颇少,且蒸发剧烈,气候表现为常年干旱,年降水总量为73.2×108m3,平均年降水深291.6 mm[1-3]。经计算,该流域年蒸发总量区间为780 mm~2500 mm,最大蒸发量出现在阿拉山口气象站,这可能是气流通过山口带走的水汽成分多的原因。博河、精河水系主要包含乌尔达克赛河、大河沿子河、阿恰勒河、哈拉吐鲁克河、保尔德河、阿拉特克河等。境内共设有5 个气象站：温泉、博乐、阿拉山口、塔斯海、精河气象站；主要水文站共计4 处,雨量站共计20 处,基本形成了布局合理的水文站网。

1.2 降水资料选取

本次共计收集24 处雨量站资料,根据评价准则,抽取其中资料较好、系列较长、地区分布均匀且能反映地形变化影响的15 站作为研究对象。此外,对因部分年份漏测导致降水量系列不连续的雨量站资料进行了插补和延长,延长方法为相邻站比例系数,运用内插法进行数据插补。处理后结果为：温泉气象站延长3 年,博乐气象站延长2 年,阿拉山口气象站延长1 年。参证站统计资料共计260 站年,其中6 站年通过插补延长得来,占比为2.3%,降水资料选用站见表 1。

表1 降水量选用站资料状况表 单位：mm

续表1

2 统计参数分析

一般来说,系列长度越长,则代表性更好。为研究52 年来降水系列对博河、精河流域长系列是否具有代表性,本次以较长的温泉、博乐、阿拉山口、精河气象站和精河山口水文站为参证站,气象资料选择为1956 年起的52 年的所有信息。

2.1 参数计算方法

选用站中经实测或插补后资料系列达到52 年（1956年～2007 年）,其均值采用算术平均值,对于经插补仍不满52年的,考虑到本地区资料少,站点地理位置差异较大,采用比值法修订精度不高,故也都一律采用算术平均值。统计参数采用皮尔逊Ⅲ型曲线分析法即对参数统计结果求得均值、偏态系数、变差系数并对其进行占比分析[4,5]。变差系数计算公式如下：

偏态系数与变差系数相关,根据长系列资料分析,博河、精河流域地区降水系列偏差系数CS=2CV。

统计参数误差评定公式按照以下公式计算：

式中：CV和CS表示变差系数和偏态系数,两者反映了数据的平均情况和离散程度；n表示模拟序列长度,长度随着任意取值的模数发生改变；表示均值；表示的是个数按照距离平均值确定的标准差范围定义的置信区间[6]。

2.2 CV值的计算和确定

参证站均用水文水利计算软件、矩法和适线法计算CV值。各测站年降水量频率曲线见图 1。博河、精河流域年降水的CV值均较小,且CV值地区差异不大,1956 年~2007 年系列在0.3~0.37之间,阿拉山口气象站CV值最大,为0.37；温泉气象站、博乐气象站和精河山口站CV值均为0.3。

图1 各站降水量频率曲线图

2.3 Cs值的计算和确定

利用比值法确定偏态系数,CS/CV倍比值直接根据频率计算适线估算,博河、精河流域地区参证站一般为1～3 倍。博河、精河流域地区降水参证站统计参数见表 2,根据表中数据选取2.0 作为最佳适线值。

表2 博河、精河流域地区降水参证站统计参数表

2.4 统计参数的误差评定

根据2.1 所述统计参数的抽样误差公式,计算主要雨量站降水系列统计参数误差。主要雨量站降水均值参数误差均小于5.13%,样本抽样误差满足要求,年降水均值估值精度较高。统计参数误差见表 3。

表3 降水参证站统计参数抽样误差计算表

3 降水系列代表性分析

3.1 长短系列统计参数对比分析

为了便于比较,《黄河流域（片）水资源调查评价技术要求》规定统计1956年～2000年、1956年～1979年、1971年～2000年、1980年～2000 年4 个系列的降水特征值。长系列确定为1956年～2007 年,将此系列按照不同时段切片,对比分析不同切片时段下统计参数的相对误差,接着按照误差的走势来预测幅度[7,8]。实际操作后发现各个系列变化幅度都有所不同,参数变化较大的情况居多。以1980 年～2000 年系列为例,5 个测站平均降水量变化幅度在-5.1%～-29.0%之间,偏差是上述4 个系列中最大的。接着是1956 年～1979年系列、1971 年~2000 年系列和1956 年~2000 年系列,CV值变幅分别是-6.3%～-14.0%、-2.2%~-13%、-0.7%~0.7%,详见表 4。

表4 降水量长、短系列统计参数对比表

3.2 模比系数累积平均过程线分析

年降水系列均值与系列年限呈正相关,随年限增长逐趋稳定。为了细致研究各个代表站趋于稳定降水的年限长短,以2007 年为界,在相同坐标系下逆序绘制不同代表站模比系数累计平均过程线,各测站模比系数累积平均曲线见图 2。从模比系数累积平均过程线反映出,各代表站自2007 年向前累积到1965年,累积平均值与长系列相比误差均小于2%,系列均值趋于稳定。

图2 各代表站模比系数累积平均曲线

3.3 降水的丰枯变化

模比系数差积曲线可以比较准确反映某一阶段降水的周期变化规律,曲线的趋势若斜率为负,则表示该时间段年降水量比多年平均降水量小,定义为枯水期反之则定义为丰水期。若明显在曲线中看到一条斜率接近0 的曲线,则表示该时间段为平水期。取上述代表站的系列降水资料,根据降水量和多年平均降水量比值计算出各测站模比系数值为ki,然后将每一年的（ki-1）按照时间顺序依次相加,当累积到最后年份时候即可形成一个系列Σ（ki-1）,最后按照年份为横坐标,Σ（ki-1）为纵坐标将结果整理并绘制到一个坐标系中,可清晰观测各测站丰枯情况,并且能直观比较出各测站之间的丰枯程度。各站年降水量差积曲线见图 3。

由图3 可以看出,5 个参证站丰枯状态几乎相似,但在不同时段也存在明显差异。比如,1955 年~1963 年（9 年）阶段,5 个测站均存在明显的“枯水-丰水-枯水”变化态势。但从1965 年开始,5 个参证站就表现出两种不同的曲线形状：以温泉气象站和博乐气象站为典型的“一”字型曲线、以精河山口站、精河气象站、阿拉山口气象站为典型的“W”字型曲线。“一”字型曲线说明在这40 年间,两参证站大体呈现为平水期。而“W”字型曲线则表明三个参证站都经历了明显的枯水到平水再到丰水期的变化,枯水期最长的时间段是1960 年~1980 年（21 年）。但反观图3,在1955 年~2007 年间,每一条曲线又或多或少具有斜率为正、负、零的三个阶段,由此可见, 博河、精河流域1956 年~2007 年降水量系列基本包括一个较为完整的丰平枯周期, 周期内有小的丰枯变化, 可以认为所选用的样本系列代表性相对较好。

图3 各站年降水量模比系数差积曲线

降水量多年变化情况一般用比值法表示[10],表6 统计了博河、精河流域主要降水站不同时间段的降水量数值和偏差百分比。从表6 看出,1960 年~1969 年段和1970 年~1979 年段这二十年的降水量全部低于多年均值,最大偏小程度为-19.8%。从1980 年开始的二十年间,雨量几乎全部偏多,1980 年~1989 年段只有温泉气象站偏低,百分比为-4.5%,此外1990 年~1999 年段只有博乐气象站和阿拉山口气象站偏低,占比分别为-8.6%和-14.5%。2000 年～2007年普遍偏大,最大偏多33.9%。不同年代降水比较表以10年为单位比较了不同参证站与多年的年均降水量悬殊幅度,结合3.3 降水丰枯变化的相关分析可以明确博河、精河流域降水年均分配极不均匀。

表6 博河、精河流域地区主要降水站不同年代降水量比较表 单位：mm

4 降水时空分布分析

4.1 降水量的空间分布

博河、精河流域三面环山,只有东部为盆地,这种独特的地域特征使得西风环流不能越过三面大山达到两条河所在流域,造成了博河和精河两地的谷地和盆地普遍降雨减少,而西部、南部和北部的环山区域降水较多。北部缺口处水汽的进入使得准格尔盆地已然成为多降雨区。博河与精河东高西低的地势与降水东多西少分布也有一定关系,东至西依次为艾比湖区、托托河区、赛里木湖区和博河上游区,降水量依次为101.4 mm、128.3 mm、449.9 mm、437.0 mm,有明显的高低之分。而降水多的两大区域,其中的各个县城也有降水深度东到西依次增大的规律。

4.2 降水量的时间分布

博河、精河的降水时间分布也有规律可循,两河流降水量年内分布情况见表5,可见春夏秋冬降水属夏季最多,冬季最少[9]。

表5 博河、精河流域地区主要降水站多年平均降水量四季分配表

5 总结

通过长短系列统计特征分析、模比系数分析和降水丰枯变化分析了博河、精河流域1956年～2007年（长系列）、1956年～2000年、1956年～1979年、1971年～2000年、1980年～2000年（短系列）下温泉、博乐、阿拉山口、精河气象站、精河山口水文站年降水量系列代表性和降雨量时空分布情况后发现52年降水系列代表性良好,时空分布多年来有一定规律性,自东往西,各县降水依次递减（空间分布不均匀）；20 世纪60~90 年代降水量逐渐趋于多年平均值水平（时间分布不均衡）。博河、精河流域降水较丰富,但是该流域气候干旱,蒸发量多,水资源依旧紧缺,从短期看,应该量入为出,节约用水,充分、有效、合理地利用配置有限的水资源。长期看,人类应该致力于生态保护,营造一个友好的生态系统,使气候环境得到一定改善。