基于集中度和不均勻系數的昭蘇縣多年降水規律研究

王麗娜

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

降水是陸地水源補給的重要來源，降水量變化是影響當地農業、生態、工業、社會經濟可持續發展的重要因素，對降水量歷史變化特征進行分析研究，可為當地抗旱防洪提供重要依據[1-4]。本文選取昭蘇縣1961-2014年歷年逐月降水量建立年、月降水序列，分析54年來降水的年際、年內變化，并采用Morlet小波分析方法對多年降水量周期特征進行研究，以期為做好氣候預測及防治水土流失提供基礎數據。

1 研究區概況

昭蘇縣位于新疆伊犁哈薩克自治州、伊犁谷地的特克斯河上游，系高位山間盆地，本區屬溫帶山區冷涼性氣候類型，春季升溫緩慢而不穩定，秋季降溫迅速。冷空氣活動頻繁，降水季節變化明顯，沒有明顯的四季之分，冷季長，寒冷多霧，暖季多雷和冰雹。

2 研究方法

2.1 降水不均勻系數

降水量的不均勻系數是反映年內降水不均勻程度的指標。不均勻系數越大，年內分配越不均勻[5]。不均勻系數計算公式如下：

2.2 降水集中度及集中期

降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用逐月降水資料反映年內降水集中情況和最大降水量出現時段的重要指標。它將降水量當做矢量，矢量的大小和方向是月降水量的大小和時間[5]。計算公式如下：

PCP=arctan(Rx/Ry)

式中：R為年降雨量；Rx、Ry為12個月降水量的分量之和所構成的水平分量和垂直分量；θi為第i月降水量的矢量角度。

降水集中度(PCD)取值在0～1之間，PCD越接近1，降水越集中在某個時段內。雨季降水分布越均勻，PCD值越接近于0[5]。集中期(PCP)則反映降水量最大值集中的年內時段。

2.3 小波分析

小波方法具有多種模式，小波變換在時域和頻域都能很好地表征序列的局部特性，對研究降水周期變化特征非常有利[6]。本文采用小波變換分析，用MATLAB軟件編寫數據處理程序計算小波系數并繪制小波實部值圖像，由此分析降雨周期變化。

3 降水量年內變化分析

3.1 多年降水量的年內變化

昭蘇縣降水存在明顯的季節性差異，降水量年內分配極不均勻。由圖1可以看出，1961-2014年間昭蘇縣1-3月份、10-12月份少雨，約占全年降水量的5.64%和9.29%，4-6月份、7-9月份降水量較大，約占全年降水量的43.53%和41.54%。降水主要集中在4-9月份，占全年降水量的85%左右。多年月最大降水量以6月份量最多，為91.66 mm；最小降水量為1月份，僅為5.97 mm。

圖1 昭蘇縣多年降水量的逐月分布特征

3.2 降水年內分配均勻性變化

昭蘇縣降水年內分配不均勻系數計算結果見圖2。從圖2可以看出，昭蘇縣降水量年內分配不均勻系數具有年代際變化，54年不均勻系數變化范圍為0.057～1.125，最大值出現在1978年，最小值出現在2010年。54年以來降水不均勻系數呈遞減趨勢，在1961-1979年降水分布較為均勻，1980年后降水較1980年之前較不穩定，不均勻系數出現較大變化，1980-2014年降水分布較為均勻。

圖2 昭蘇縣降水年內分配不均勻系數

3.3 降水集中度和集中期變化

昭蘇縣降水集中度及集中期計算結果見圖3和圖4。從圖3可以看出，昭蘇縣不同時期的降水集中度變化與不均勻系數變化趨勢較為一致，降水集中度變化在0.434～0.802之間，多年平均降水集中度為0.596，當集中度大于多年平均值時，當年雨季降水較集中；集中度小于多年平均值，當年雨季降水年內分配均勻。1961-1979年連續19年降水集中度都大于平均值，這19年降水連續趨于集中。而1979年以后，只有1981、1982、1991、1995和1997年5年集中度在平均值以上，其余30年降水集中度均小于平均值，1983-1990年連續8年、1992-1994年連續3年、1998-2014年連續17年這些年份降水以不集中為主，說明昭蘇縣降水集中具有一定的連續性。54年中有24年降水集中度高于多年平均，30年低于多年平均，最大值出現在1975年為0.802，最小值出現在2014年為0.434，昭蘇縣降水不穩定。

圖3 昭蘇縣降水集中度年際變化

從圖4可以看出，54年以來昭蘇縣降水集中期波動于146.3～203.2之間，大部分在167.64附近波動。根據方位角轉換結果，昭蘇縣最大降水在6和7兩個月份，54年中29年降水集中在7月份，24年集中在6月份，1年集中在8月份。

圖4 昭蘇縣降水集中期年際變化

4 降水量年際變化

4.1 降水量年際變化趨勢分析

昭蘇縣1961-2014年平均降水量為471.46 mm，最大年降水量出現在1981年，為675.8 mm，為多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量為301.5 mm，出現在1979年，僅為多年平均降水的0.64。由昭蘇縣年降水量變化過程線與滑動平均值過程線(圖5)可知，昭蘇縣年降水量變化較大，波動明顯，總體呈上升趨勢。1981-2010年降水總量較1961-1980年增長16.6%。

圖5 年降水量5年及10年滑動平均變化

4.2 周期分析

昭蘇縣年降水量小波系列實部值圖像見圖6。由圖6可知，1961-2014年昭蘇縣降水在整個時間域上具有20～30年尺度的年代際變化周期，并且周期振蕩十分顯著。在1961-1985年時間尺度上存在7～10年左右的短周期，在1985～2014年之間還存在3～5年的短周期。因此，昭蘇縣近54年降水量變化并不是只有一個固定周期，而是大、中、小多種周期尺度相互嵌套。

圖6 昭蘇縣年降水量小波系列實部值圖像

5 結 論

本文應用不均勻系數、集中度(期)及Morlet小波變換分析等方法對昭蘇縣1961-2014年降水變化進行分析，得到以下結論：

1) 昭蘇縣1961-2014年降水量總體表現為緩慢增長趨勢。年平均降水量為471.46 mm，最大年降水量出現在1981年，為675.8 mm，為多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量為301.5 mm，出現在1979年，僅為多年平均降水的0.64。

2) 昭蘇縣1961-2014年月平均降水為40.51 mm，降水年內變化規律為4-9月份降水量占全年降水量的85%左右。說明夏秋兩季降水較多，春冬兩季降水較少。

3) 昭蘇縣1961-2014年降水年內分配不均勻系數呈遞減趨勢，降水不均勻性在減弱。同時54年降水集中度的年際變化較大，且具有一定的連續性，總體變化趨勢與不均勻系數一致，呈遞減趨勢。54年中24年年內降水較集中，30年年內降水分布較均勻。根據方位角轉換，昭蘇縣最大降水主要集中在6和7月份。

4) 昭蘇縣近54年降水序列在時間上具有多尺度特征，主要存在3個尺度的周期，分別是25、8和3年，其中25年尺度年代際周期變化最明顯且貫穿整個時間域。