基于生长季和年际两个尺度的吉林西部平原降雨分区及时间特征分析

张欣欣

（盘锦市水利勘测设计有限公司,辽宁 盘锦 124000）

1 前言

降雨是指在大气中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天气现象。大气中的水汽几乎全部集中于对流层中。在一定温度下,当空气不可容纳更多的水汽时,称为饱和空气。当饱和空气中的水汽和温度相匹配时,不会出现水汽凝结现象,但当空气达到过饱和状态时,则会产生多余的水汽并发生水汽凝结,产生降雨现象。

在研究一个地区的干旱或洪涝程度时,降雨往往是一个重要的指标。当降雨过少或达不到农作物灌溉标准时,常常会发生干旱现象,研究区气候属于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,干旱天气会对环境产生很大的破坏。以白城地区为例,建国以来,该地区平均每年受旱面积约243.9 万亩,占总耕地面积的20%,干旱最严重的是1972 年和1989 年,受灾面积达725.8 万亩。全区干旱面积逐年增加,由建国初期平均每年180 万亩,20 世纪70 年代增加到平均每年422 万亩,增加了134%,平均每年以7.6 万亩的速度递增[1-2]。同时,干旱经常造成全区性的粮食减产,平均每年减产29.3 万t,减产率为21%[3-5]。降雨不仅仅会造成旱灾,当单位时间内的降雨量过大时,也会造成洪灾。研究区受季风气候影响,年际降水时空分布不均,夏季多雨,占全年降雨量的70%左右,年内旱、洪灾交替发生。

随着国家经济的飞速发展和人们生活水平的日益提高,天气预警信息受到越来越多的人关注[6-8]。对于研究区,降雨量的多少决定了当地的干旱与洪涝能否发生。本文在提取研究区DEM 数据的基础上,结合统计学知识,分析研究区的降雨规律,这对于避免和降低旱涝损失具有重要的现实意义。

2 材料与方法

2.1 平原区概况

研究区位于松嫩平原西南部,区内辖白城、松原、长春、四平,四市,交通便利,总面积18 万km2。属于温带大陆性季风气候,四季分明,自东向西由半湿润地带过渡到半干旱地带,蒸发大于降水,是典型的农牧交错带和生态环境脆弱区。其中,降水主要集中在夏季,以6 月～9 月为主,占全年降水量的60%～80%。

2.2 数据来源

选用研究区12 个气象站的1975 年～2017 年气象数据资料对降水进行特征分析。着重分析该区43 年间的逐年降水量、生长季降水总量时空分布的演变趋势、月平均降水量及降雨量的变化周期。

2.3 数据分析

（1）研究区降雨特征空间分区：借助ArcGIS 软件对该区降雨状况进行空间分区及特征分析；

（2）利用SPSS 对研究区43 年间降雨变化规律进行分析。

3 平原区降水的时空演变特征分析

3.1 平原区DEM 提取与分析

空间分析选用ArcGIS 软件来进行降雨量分布变化研究。ArcGIS 的核心功能就是为解答地理空间问题而进行空间分析,提取空间信息或者从现有的数据派生出新的数据,是将空间数据转变为信息的过程[9-10]。

分析的基本步骤：首先,要确定研究的问题并且建立分析的目标、需要得到的结果及满足的条件。然后针对空间问题选择合适的分析工具。接下来,准备空间操作需要用到的各种数据[11-12],再定制一个分析计划执行分析操作。最后,显示并评价分析结果。

图1 DEM 提取流程图

DEM 提取方法介绍：首先,将图层坐标系设置为西安1980 坐标系,再将吉林省界和市界添加至图层,对吉林市界进行定义查询,筛选出吉林西部的四个城市,并在属性中对市的名称要素进行标注；其次,将从地理空间数据云中下载的DEM 30M 分辨率的数字高程图像添加到图层中；选用工具箱,找到空间数据管理,再找到栅格数据集,选用其下面的镶嵌功能,先载入合并,再转换成tif 格式；之后使用空间工具分析箱中提取工具里的掩模提取；再将含有站点的信息sheet 文件添加到图层中。见图2、图3。

图2 DEM 镶嵌合并

图3 吉林西部平原地形图及降雨状况

3.2 吉林西部平原区降水时空分布特征及周期变化

3.2.1年际降雨量分区及分析

根据1975 年～2017 年12 个站点每月降水量资料,用Excel 对每年的降水量进行加和,得出白城、大安、通榆等12 个站点近43 年来逐年降雨量。为更加直观地展现分析数据,站点号对应站点见表1。然后对43 年做时间分析,对12 个站点求平均值,做成图4。同时,对12 个站点做空间分析, 对43 年各站点的数据做平均值, 得出各站点43年来降雨量年际平均值,利用ArcGIS 软件,得出空间分析图5。

表1 各站点名与站点号对应关系

图4 吉林西部平原区年际降雨量年际变化规律

图5 吉林西部平原区年际降雨量空间变化规律

由图4 看出降雨量最大年份为1998 年的638.1 mm；最小的年份为1982 年的296.5 mm,极值比为2.15。同时,从表中可以看出,1975 年～2017 年降雨量整体呈微弱下降趋势,整体波动也很剧烈。波峰值分别是1985 年、1990 年、1994 年、1998 年、2005 年、2008 年、2010 年、2012 年、2016 年,基本上每2 年～4 年出现一次波峰,这对后续研究降雨的周期性具有一定的指导作用。

由图5 可以看出降雨量最大值在双阳,为625.5 mm；最小值在通榆,为374.7 mm,极值比为1.67。同时,从图5 中可以看出,白城,通榆,乾安的降雨量相对较少；四平,双辽,长春的降雨量相对较多,所以研究区自西向东年际降雨量呈递增的趋势。以白城、通榆、乾安为代表,降雨量较最高水平少50%左右,这三个地区要注意防止干旱天气造成的损失或者影响；以长岭、双辽、农安地区为代表,年际降雨量分布不均匀,横跨多个降雨数量区域；以四平、双辽为代表地区降雨量充足,应在雨季多注意防汛工作,防止造成人民经济财产的损失。

3.2.2生长季降雨量

根据1975 年～2017 年12 个站点月降水量资料,用Excel数据筛选出每年生长季4 月～9 月的降水量进行加和,得出白城、大安、通榆等12 个站点近43 年来逐年降雨量,对12 个站点43 年间的降雨量做时间分析,用数据透视表绘制出12 幅折线统计图,得出图6。

图6 吉林西部平原区生长季降雨量年际变化规律

（1）对白城站点分析,除1976 年～1980 年降雨量主要呈波动状外,虽然每年都会出现一定程度的降雨,但降雨量差值较大,干旱与洪涝容易交替出现。其中,生长季降雨量最高的在1998 年,为705.2 mm；最少的在2001 年,为105.1 mm。

（2）大安站点分析,最大值出现在2005 年,为599 mm,最低值在1995 年,为193.7 mm。2010 年后,波动较小,降雨量比较均匀。

（3）乾安站点分析,生长季降雨量最大值出现在1998 年,为669.2 mm；最小值在2004 年,为198 mm。1982 年～1988 年相对要平稳一些,其他年份还是波动较为剧烈。

（4）前鄂尔罗斯的生长季降雨量很平稳, 最大值在2008 年,为578.3 mm。最小值在1982 年,为203 mm,两者差值很小。

（5）通榆地区生长季降雨量最高值在1990 年, 为552.1 mm；最小值在2007 年,为175.1 mm；虽然最大值与最小值相差也较少,但出现多次降雨量低于200 mm 的情况,该地区应多注意防旱。

（6）长岭生长季节的降雨量最大值出现在1983 年,为696.7 mm,最低值在1996 年,为236.2 mm；从1975 年～1996 年间,降雨量上下波动较大,1996 年后,相对波动较小。

（7）三岔河的降雨量总体较前几个偏高,1994 年降雨量最大,为812.5 mm；最小值在1982 年,为179 mm,这也是该站点唯一一次降雨量低于200 mm。

（8）农安生长季降雨量比较富足,超过700 mm 的出现过5 次,最大的一次在1983 年,为739.8 mm；最小值在1982 年,为234 mm。

（9）双辽地区最高的降雨量是2005 年,为598.7 mm；最低值在2002 年,为189.8 mm,波动较小。

（10）四平生长季降雨量的最大值出现在2005 年,为738.6 mm；最小值在2009 年,为301.4 mm。

（11）长春的最大降雨量出现在2016 年,为793.2 mm；最小值在1982 年,为255 mm；但波动较剧烈。

（12）双阳的生长季降雨量波动较为剧烈,最大值在2010 年,为839.3 mm；最小值在1982 年,为314.6 mm。

综上所述,12 个站点的降雨量都波动剧烈, 尤其在2000 年左右波动明显, 且降雨量较少, 容易发生干旱天气。由于生长季降雨占全年降雨量比重较大, 所以研究生长季降雨量对作物生长, 干旱洪涝等灾害具有很强的现实意义。

3.2.3季节降雨分区及分析

用ArcGIS 对各站点做空间分析,得出图7。将生长季的空间降雨量分布分成三级进行后续生长季降雨量周期性的研究。白城、大安、通榆、前鄂尔罗斯、乾安、长岭是降水量少的区域；双辽、农安和三岔河为研究区降水量中等的三个站点；四平、长春、双阳则是降雨量较多的站点,易发生洪涝现象。从图7 看出,研究区自西向东年际降雨量呈递增趋势,以白城、通榆为代表降雨量较最高水平少36%左右；同时,以长岭、双辽、长春地区为代表,年际降雨量分布不均匀,横跨多个降雨分区。

图7 吉林西部平原区生长季降雨量空间变化规律

4 结果与结论

（1）1975 年～2017 年生长季降雨量整体呈微弱下降趋势,在生长季降雨量与年际降雨量的比较中,下降趋势比年际降雨量大,整体波动也很剧烈,说明研究区生长季阶段减少的降水量对年际降雨量的贡献更大。同时,从空间分析中可以看出,研究区自西向东年际降雨量呈递增趋势,同时,以长岭、双辽、长春地区为代表,年际降雨量分布不均匀,横跨多个降雨分区。

（2）在对生长季降雨量的分析中,研究区旱涝灾害大部分时候都是交替发生,降雨量波动剧烈,旱灾大多发生在2000 年以后。这一点与生长季降雨量在时间上总是剧烈波动有很大关系。在空间上可以看出研究区自西向东干旱特征减弱,洪涝特征明显增强,降雨分布不均匀且大范围的干旱发生在西部地区。

综上所述,43 年来研究区的总降雨量呈下降趋势,波动剧烈,旱涝灾害交替发生。降雨量呈规律性变化,季风性气候明显。