晋城市降雨量时空分布变化特征

段 州

（晋城市供水保障中心，山西 晋城 048000）

1 区域概述

在人为和自然规律双重因素的推动下，我国出现了温度升高等气候现象[1-2]。已有研究表明，未来我国平均气温将上升2.0℃左右，而降雨将增加10%～20%[3-4]。气候变化会影响生物的生存环境，对人类居住环境也会造成很大的影响。

降雨是描述一个地区气候变化的关键指标，为加深对某一地区气候的全面认识，充分了解该地区降雨的时空分布变化特征，研究气候变化条件下降雨量时空分布的变化，已成为世界水文水资源方向的研究重点[5]。近年来，众多国内学者对山西省气候变化进行了分析研究，取得了重要的研究成果。如，赵桂香等[6]通过对山西省近46 年降雨和气温资料的Morlet 小波分析得出1957—2003 年山西地区气候经历了“冷湿－暖干”的变化过程。李芬等[7]运用线性倾向估计、均值分布等方法研究山西省降雨的变化特征得出了降雨呈下降趋势的结论。以上降雨量时空变化特征的研究侧重点，是对当地降雨要素的线性趋势变化进行分析，对其概率分布特征研究极少。

晋城市地处山西省东南部，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，受大陆性季风以及复杂地形地貌影响，辖区内各地小气候差异大，并且随着气候变化对水文循环过程的影响也在不断的增大[8-9]，进一步加剧了辖区内降雨量分布不均，因此在气候变化条件下，对晋城市降雨量时空分布变化特征分析具有重要意义，研究成果可为晋城市水文规律分析预测研究提供重要基础，而且还在防洪减灾、趋利避害，促进国民经济和社会发展等方面都具有非常重要的意义。

2 晋城市降雨资料来源及研究方法

2.1 降雨资料来源

晋城市位于太行山南端，辖区面积9 490 km2，属大陆性季风气候，地理位置如图1 所示。在中国气象数据网下载气象数据，选择晋城市内沁水、阳城、晋城、高平及陵川5 个气象站点的2000—2019 年逐月及逐年降雨资料进行计算（见图2）。将整理好的各站点2000—2019 年各年降雨总和数据加载入ArcGIS 软件中进行泰森多边形分析，计算各多边形面积权重，点雨量与面积权重乘积之和即为晋城市各年面雨量。

图1 晋城市地理位置图

图2 晋城市降雨量统计图

2.2 研究方法

皮尔逊Ⅲ型曲线是由19 世纪英国统计学家卡尔·皮尔逊（Karl Pearson）提出的一种概率分布曲线，它是正态分布曲线的一种变体，也被称为皮尔逊类型Ⅲ分布。

皮尔逊Ⅲ型曲线具有以下特点：

（1）曲线形状：皮尔逊Ⅲ型曲线是单峰的，呈现出类似正态分布的钟形曲线，但其两侧尾部较长，疑似异常值的概率较高。

（2）偏斜性：相比正态分布，皮尔逊Ⅲ型曲线具有更明显的偏斜性。正偏斜（右偏）的曲线表示在数据分布中存在较多的较小值，负偏斜（左偏）的曲线则表示存在较多的较大值。

（3）峰度：皮尔逊Ⅲ型曲线的峰度相对正态分布较低，表明数据的分布较为平坦，不存在正态分布曲线那样的尖峰。

皮尔逊Ⅲ型曲线在实际应用中常用于描述一些具有非对称形状的数据，如降水量和河流流量的分布等。它在统计学、气象学、水文学等领域中得到广泛应用，用于模拟和分析各种随机变量的分布情况。本研究选择P-Ⅲ型理论频率曲线对降雨分布进行拟合。

克里格插值方法是一种常用的空间插值方法，主要用途是预测未知位置的数值或属性，该方法广泛应用于地质学、环境科学、农业、地理信息系统等领域。在研究降雨序列和降雨量空间分布变化时，利用空间插值方法形成降雨空间化信息是较为常用的方式。本文采用克里格插值方法进行插值，得出降雨量空间分布变化，从而得到晋城市降雨量空间分布特征。

3 结果与讨论

3.1 降雨量时空分布变化特征

2000—2019年晋城市年平均降雨量为668.084mm，各地多年平均降雨量都在633～691 mm 之间（图2），整体变化幅度不大。对2000—2019 年年平均降雨量作累计距平线图（图3），从累计距平百分率来看，晋城市的年平均降雨量存在一定波动状态，距平百分比在一些年份达到-25%～30%，尤其是阳城地区2005—2008 年距平百分比持续达到20%以上，这表明晋城市阳城地区降雨量相对于其他区域波动性更强，且以波动性降雨量偏多为主要特征，降雨量年际分配不均，需要注意旱涝灾害的防范。

图3 晋城市降雨量累计距平百分比图

3.2 降雨量概率分布探讨

使用皮尔逊III 型分布对2000—2019 年晋城市多年年平均降雨量进行拟合，结果见表1 及图4 所示。可以看出，皮尔逊III 型分布在沁水地区拟合效果较好，绝对残差及残差标准差最低，分别为139.327 3 及283.905 8，在阳城地区拟合较差，绝对残差及残差标准差最高，分别为199.868 9 及307.690 7，这表明P-Ⅲ曲线的拟合优度受到区域性影响，其结果的可靠性有待进一步验证，分析成果可作为水资源规划的参考及后续研究的基础。

表1 分布拟合度检验表

图4 P-Ⅲ曲线拟合结果（以高平及晋城站为例）

对晋城市5 个气象站及面降雨量进行频率分析，得到研究区各区域及整体50 年一遇、100 年一遇设计年降雨量，及研究区内各区域年降雨量指标大于平均值的频率，如表2 所示。可以看出，晋城市内各气象站点总体表现为设计年降雨值大于面设计年降雨值，表明晋城市设计年降雨存在空间变化特征，在实际分析中需要考虑其区域性变化。

表2 设计年降雨值统计表

对表2 结果进行空间插值，得出的研究区年降雨量概率分布的空间变化特征图，如图5 所示。结果表明，对于50 年及100 年一遇设计降雨，都表现为降水高值主要集中在晋城市中部及西南部，未来需注意相应区域的极端降雨灾害事件。指标大于平均值的频率高发区，位于晋城市东部及南北向阳城区域，可达到40%以上，进一步表明该部分区域降水量年际分配相对于其他区域不均匀。

图5 降雨量概率分布的空间变化特征图

4 结论

本文使用累计距平百分比、空间插值分析及P-Ⅲ分布拟合等常用的降雨量时空分布研究方法，对晋城市5 个气象站2000—2019 年降雨量时空分布特征进行了分析，识别了晋城市不同重现期年降雨量概率分布特征。结果如下：

（1）阳城地区降雨量相对于其他区域年际更为分配不均，需要注意旱涝灾害的防范。（2）晋城市50 年及100 年一遇设计降雨高值主要集中在晋城市中部及西南部；晋城市东部及南北向阳城区域降水量相对于其他区域不均匀。（3）P-Ⅲ曲线的拟合优度受到区域性影响，其结果的可靠性有待进一步验证，分析成果可作为水资源规划的参考及后续研究的基础。