黑河流域降水量年內(nèi)分配格局研究

馬正耀

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

流域降水量的變化通常包含“量”和“結(jié)構(gòu)”的變化。前者通常是指降水總量數(shù)值上的變化，而后者則注重從降水過程的“形狀”上進(jìn)行分析。本文著重分析探討黑河流域降水量不同區(qū)域年內(nèi)分配布局形態(tài)。

1 流域自然概況

1.1 自然地理

黑河流域位于祁連山和河西走廊的中段，在東徑96°42'～ 102°04'，北緯 39°45'～ 42°40'之間。東起山丹縣境內(nèi)的大黃山與石羊河流域接壤，西部以嘉峪關(guān)境內(nèi)的黑山為界與疏勒河相鄰，南起青海祁連縣境內(nèi)的祁連山南北分水嶺，北至中蒙邊境，流域總面積12.8×104km2。流域地勢西高東低，南高北低，流域南部為青藏高原北部邊緣的祁連山地，流域面積 1.001×104km2，海拔 2 000～5 000m，山高坡陡，溝壑縱橫，森林密布，灌木、喬木茂盛，在4 000m以上發(fā)育有現(xiàn)代冰川，最高峰團(tuán)結(jié)峰5 826.8m，是黑河流域的主產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū);流域中部地處河西走廊，為綠洲農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，流域面積2.56×104km2，是黑河流域的耗水區(qū)和徑流利用區(qū);流域北部屬阿拉善高原區(qū)，除黑河河流兩岸和居延三角綠洲外，大部分為荒漠、沙漠和戈壁，屬極度干旱區(qū)，為徑流消失區(qū)。黑河流域從南到北包含了高山冰雪帶、森林草原帶、平原綠洲帶及戈壁荒漠帶等不同的水文地貌單元。

1.2 水汽來源及氣候特點(diǎn)

本區(qū)位于歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，為典型的大陸性季風(fēng)氣候。夏季，東南太平洋曖濕氣流途經(jīng)我國大陸，翻越秦嶺和黃土高原影響本區(qū);西南氣流可翻越青藏高原，把印度洋和孟加拉灣等南亞洋面的水汽輸入本區(qū)。本區(qū)氣候特征具有明顯的空間分異性:南部祁連山區(qū)氣溫低，中部走廊區(qū)氣候相對干燥，下游額濟(jì)納旗盆地極度干燥［1，2］。區(qū)域內(nèi)一年四季氣候的變化特點(diǎn)是:冬季雨雪少，寒冷時(shí)間長;春季升溫快，冷暖變化大;夏季氣溫高，降水多且集中;秋季降溫快，初霜來臨早［3］。

2 降水資料情況

本次對黑河流域降水量年內(nèi)分配格局的研究，是根據(jù)流域內(nèi)地形特點(diǎn)和水文特性，把黑河流域分為深山區(qū)，淺山區(qū)，綠洲灌溉區(qū)和荒漠區(qū)四個(gè)地質(zhì)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)流域自然地理概況和流域內(nèi)降水量觀測站點(diǎn)的分布情況，選用能代表流域分區(qū)特性，同步有完整、連續(xù)系列資料的札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽4個(gè)水文站點(diǎn)1964－2010年共計(jì)188站年的降水量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所選用的資料，均是經(jīng)過相關(guān)部門審核整編的成果數(shù)據(jù)，資料可靠合理。參加分析計(jì)算的資料其中有部分觀測站點(diǎn)曾因各方面原因有過遷移，但先后觀測場地相距較近，下墊面條件基本沒有變化，可以認(rèn)為其系列具有一致性。

3 降水量的區(qū)域性分布特點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)計(jì)算黑河流域各分區(qū)代表站的多年平均降水量和離差系數(shù)Cv值如表1。

表1 黑河流域分區(qū)代表站降水量參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從黑河流域各分區(qū)代表站降水量參數(shù)統(tǒng)計(jì)表中反映出，黑河流域多年平均降水量深山區(qū)和淺山區(qū)接近，綠洲灌溉區(qū)年降水量占深山區(qū)降水量的41%，北部荒漠區(qū)降水量僅是深山區(qū)降水量的15%。流域降水量從高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)遞減，相應(yīng)的離差系數(shù)逐步遞增，年降水量的離散程度逐步增大。

4 黑河流域降水量的的年內(nèi)分配

黑河流域內(nèi)降水量受水汽來源和下墊面因素的影響，年內(nèi)分配極不均勻［1，4］。本文用札馬什克、雙樹寺水庫、鶯落峽、正義峽四個(gè)水文站的月年降水量實(shí)測資料，分別采用各月(或階段)占年降水量的百分比、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度(期)及絕對變幅，對黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配格局進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為黑河流域水資源的研究、開發(fā)利用與合理配置提供參考依據(jù)。

4.1 黑河流域各月、汛期及非汛期降水量占年降水量的百分比

受東亞大陸季風(fēng)氣候的影響，流域內(nèi)降水量年內(nèi)分配極不均勻，其特點(diǎn)是汛期降水量大而集中，春季雨水少而不穩(wěn)，冬季雨雪稀少［1，4，5］。選取各分區(qū)月、年降水量觀測資料齊全，且系列較長能反映區(qū)域降不特性的站點(diǎn)作為分區(qū)代表站，分別計(jì)算多年平均各月降水量占年降水量的百分率及連續(xù)最大四個(gè)月占全年降水量的百分率見表2。

表2 黑河流域各分區(qū)代表站降水量年內(nèi)分配表

黑河流域各分區(qū)代表站降水量月分配統(tǒng)計(jì)表中顯示，流域內(nèi)各分區(qū)降水量年內(nèi)分配情況大體一致，多年平均連續(xù)最大四個(gè)月降水量占全年降水量的70%左右，發(fā)生在6－9月份，深山區(qū)最大，到76.6%，其它分區(qū)較為接近，在69% ～70%之間;年內(nèi)降水量最大的月份是7月份，占年總數(shù)的21%～24%，也數(shù)深山區(qū)最大;多年平均連續(xù)最小四個(gè)月降水量發(fā)生在11月至次年的2月份，降水量占年總量的5%左右，祁連山區(qū)最小，僅1.7%，綠洲灌溉區(qū)最大也只有5.3%;4、5月份是黑河中游地區(qū)農(nóng)田灌溉的用水高峰期，降水量較少，4月份只有4% ～6%，5月份也只12%，因此，形成了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中幾乎年年都有的“卡脖子旱”的灌溉格局。

4.2 黑河流域降水量的年內(nèi)分配不均勻性

用降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv來衡量黑河流域降水量年內(nèi)分配的不均勻性［6］。

降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:R(t)為年內(nèi)各月降水量;R為年內(nèi)月平均降水量。

由式(1)中可以看出，Cv值越大即表明年內(nèi)各月降水量相差越懸殊，降水量年內(nèi)分配越不均勻。

計(jì)算各分區(qū)代表站多年平均降水量不均勻系數(shù)見表3。

從表中反應(yīng)出，黑河流域年內(nèi)分配不均勻系數(shù)在不同區(qū)域也存在一定的差異，深山區(qū)最大，綠洲灌溉區(qū)又大于北部荒漠區(qū)，淺山區(qū)最小。

4.3 黑河流域降水量的年內(nèi)分配集中度、集中期

集中度和集中期的計(jì)算，是將一年內(nèi)各月的降水量作為向量看待，月降水量的大小為向量的長度，所處的月份為向量的方向［7］。從1月到12月每月的方位角 θ分別為30°，60°，90°…，360°(把圓周的度數(shù) 360°作為一年天數(shù) 365 日，一日相當(dāng)于0.9863°)，并把每個(gè)月的降水量分解為x和y兩個(gè)方向上的分量，則x和y方向上的向量合成分別為:

于是降水量的合成為:

定義集中度Cd和集中期D如下式:

由(4)式可以看出，合成向量的方位，即集中期D指示了月降水量合成后的總效應(yīng)，也就是向量合成后重心所指的角度，即表示一年中最大降水量出現(xiàn)的時(shí)間。而集中度則反映了集中期降水量值占年總降水量的比例。從降水量年內(nèi)集中度Cd、集中期D計(jì)算原理可以看出，集中度很好地表達(dá)了降水量年內(nèi)的非均勻分布特性，當(dāng)降水量集中在某一月內(nèi)時(shí)，則它們合成向量的模與年降水總量之比為1，即集中度Cd為極大值，如果每個(gè)月的降水量都相等，則它們各個(gè)分量累加后為0，即集中度為最小極限值，表明全年的降水量均勻地分配在l2個(gè)月中，集中度越大年內(nèi)分配越不均勻。集中期則客觀地反映了一年中最大降水量出現(xiàn)的時(shí)間。

黑河流域各分區(qū)代表站多年平均降水量年內(nèi)分配、集中度、集中期計(jì)算成果見表3。

表3 黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配特征值統(tǒng)計(jì)表

表中反映出，黑河流域各分區(qū)降水量的集中度分布格局和不均勻系數(shù)一致，深山區(qū)最大，集中期出現(xiàn)在7月18日，綠洲灌溉區(qū)大于北部荒漠區(qū)，集中期滯后深山區(qū)一天，出現(xiàn)在在7月17日，淺山區(qū)最小，集中期和北部荒漠區(qū)相一致，出現(xiàn)在7月16日。

4.4 黑河流域降水量年內(nèi)分配的絕對變化幅度

降水量的絕對變化幅度是指最大最小月降水量之差，如下式:

由于流域所處地理位置的特點(diǎn)和受東亞大陸季風(fēng)氣候的影響，黑河流域各分區(qū)冬春季部分月份降水量為零的情況時(shí)有發(fā)生［8］，因此，區(qū)域降水量年內(nèi)分配的絕對變幅就是區(qū)域內(nèi)代表雨量站年內(nèi)最大月降水量。見表3，降水量變幅從深山區(qū)由東南向西北遞減。

4.5 形成黑河流域降水量的年內(nèi)分配格局的成因

黑河流域深處內(nèi)陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，降水量主要受季風(fēng)氣候影響。夏秋季，東南太平洋和西南印度洋曖濕氣流途經(jīng)本區(qū)。由于南部祁連山深山區(qū)海拔高，氣溫低，森林密布，灌木茂盛，空氣濕度大，淺山區(qū)植被低矮稀疏，山石裸露，氣候干燥寒冷，中部走廊區(qū)渠網(wǎng)密布，農(nóng)田林地遍布，氣候較淺山區(qū)濕潤，下游除黑河沿岸間或有零星林草地外，多呈荒漠戈壁景觀，氣候極度干燥，曖濕氣流在運(yùn)行的過程中，場降水量由東南向西北部遞減［1，4］。此外，在氣溫、風(fēng)速、氣壓等自然條件適宜的情況下，無流域外部水汽來源，深山區(qū)森林植被吸收深層土壤水分供樹木蒸騰，水蒸氣隨大氣運(yùn)動(dòng)出森林之外，其中相當(dāng)大一部分在林區(qū)附近凝結(jié)成雨，形成降水。冬春季，流域內(nèi)西北風(fēng)盛行，水汽來源稀少，干燥寒冷，各區(qū)域降水量大小基本一致。流域各分區(qū)特殊的地理位置及地形地貌特點(diǎn)，形成了黑河流域不同區(qū)域特殊的降水量年內(nèi)分配格局。

5 結(jié)論

本文通過黑河流域不同分區(qū)四個(gè)代表雨量站從1964到2010年間的降水量實(shí)測資料，用降水量年內(nèi)各月、汛期非汛期占年總降水量的百分比、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度(期)、及變化幅度等不同指標(biāo)，具體分析了黑河流域降水量年內(nèi)分配在不同區(qū)域的分布規(guī)律及成因。研究表明:

(1)黑河流域各分區(qū)降水量年內(nèi)分配情況大體一致，多年平均連續(xù)最大四個(gè)月降水量占全年降水量的70%左右，發(fā)生在6－9月份，深山區(qū)最大，到76.6%，其它分區(qū)較為接近，在69%～70%之間;連續(xù)最小四個(gè)月降水量發(fā)生在11月至次年的2月份，降水量占年總量的5%左右，其余各月降水量分配較為均勻。

(2)黑河流域年內(nèi)分配不均勻系數(shù)和集中度在不同區(qū)域存在一定的差異，二要素在大小趨勢分布上一致，深山區(qū)最大，綠洲灌溉區(qū)又大于北部荒漠區(qū)，淺山區(qū)最小;集中期出現(xiàn)在7月17日前后，深山區(qū)最早，淺山區(qū)和北部荒漠區(qū)一致，出現(xiàn)時(shí)間最遲;年內(nèi)變幅由東南向西北、高海拔區(qū)向低海拔區(qū)遞減。

(3)所處地理位置、地形，地貌和季節(jié)性氣候特點(diǎn)是形成黑河流域不同區(qū)域年內(nèi)分配格局特征的主要原因。

本文僅從面上分析研究了黑河流域不同區(qū)域降水量的年內(nèi)分配格局，流域降水量年內(nèi)分配沿時(shí)程演變規(guī)律有待進(jìn)一步探討。

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