鐘 卓

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

大氣降水資源的不同分量中能被人們實(shí)際利用那部分降水資源量稱作為可利用降水量[1]?？衫媒邓渴艿饺蚝Ｆ矫婧刈兓?、氣壓場(chǎng)分布、大氣壓差、風(fēng)速以及濕度場(chǎng)的多種因素的影響，不同區(qū)域其可利用降水量的分布和使用量有明顯差異[2]，因此需要對(duì)如何將多個(gè)影響因子和水文氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析進(jìn)行可利用降水量的預(yù)測(cè)[3]。目前，對(duì)于可利用降水量的分析取得一定的研究成果[4- 9]。阮翠冰[10]利用寧德市9個(gè)氣象觀測(cè)站氣象數(shù)據(jù)對(duì)寧德市可利用降水量進(jìn)行分析，分析表明寧德市可利用降水量波動(dòng)變化特征明顯，高峰值出現(xiàn)在6月，從地勢(shì)高的地方向地勢(shì)低的地方逐步遞減。王?？芠11]利用加權(quán)馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型，在西安市可利用降水量變化特征分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證模型計(jì)算誤差較小。彭嘉棟[12]利用洞庭湖區(qū)21個(gè)氣象站構(gòu)建的1910—2013年數(shù)據(jù)，對(duì)洞庭湖區(qū)的可利用降水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明洞庭湖區(qū)域年、冬季及夏季可利用降水量存在明顯的突變?cè)龆嗵卣鼽c(diǎn)。田洪光[13]利用皮爾遜-Ⅲ型曲線對(duì)不同頻率年降水量的累計(jì)頻率進(jìn)行計(jì)算。徐利崗[14]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)方法、小波分析法及氣候趨勢(shì)系數(shù)等方法對(duì)寧夏近58年的可利用降水量進(jìn)行空間和多尺度變化的分析。以上研究成果大都偏重于局部區(qū)域，缺少對(duì)省域可利用降水量的分析。遼寧省屬于北方地形水資源相對(duì)較為貧乏的區(qū)域，尤其是西部和北部地區(qū)，干旱頻發(fā)，可利用降水量對(duì)于域水資源規(guī)劃和利用、抗旱規(guī)劃十分重要。為此本文以遼寧為研究區(qū)域，結(jié)合區(qū)域水文、氣象數(shù)據(jù)，對(duì)全省不同分區(qū)的可利用降水量進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)，并分析其與干旱強(qiáng)度的相關(guān)性。

1 資料與方法

采用NOAA/OAR/ESRL提供的網(wǎng)格間距分別為5°×5°的1951—2018年的500hPa高度場(chǎng)及全球海平面氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用國(guó)家氣候中心提高的1951—2018年的逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)，降水?dāng)?shù)據(jù)采用全省544個(gè)國(guó)家基本雨量站點(diǎn)的1951—2018年的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，采用P-M公式對(duì)全省64個(gè)蒸發(fā)站點(diǎn)的逐月潛在蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算?？衫媒邓坎捎盟科胶夥匠踢M(jìn)行計(jì)算：

W=P-E

(1)

式中，P—逐月降水量，mm；E—逐月潛在蒸發(fā)量，mm；W—逐月可利用降水量，mm。采用標(biāo)準(zhǔn)化距平場(chǎng)方法對(duì)可利用降水量W進(jìn)行分析：

(2)

圖1 遼寧省多年平均降水量分布

可利用降水量的空間異常分布采用正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行分析，具體方法可詳見參考文獻(xiàn)[15]。500hPa高度場(chǎng)及全球海平面氣壓場(chǎng)的主分量的提取方法為主成分分析方法[16]。采用自回歸方程對(duì)不同分區(qū)的的可利用降水量的預(yù)報(bào)模型進(jìn)行構(gòu)建。

本文采用SPI指數(shù)分析區(qū)域的干旱強(qiáng)度，SPI指數(shù)對(duì)區(qū)域干旱時(shí)空變化特征可以進(jìn)行有效反映，區(qū)域干旱強(qiáng)度的等級(jí)按照國(guó)家氣候中心指定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，見表1。

表1 基于SPI指數(shù)的旱澇等級(jí)劃分

1.1 研究區(qū)域降雨、蒸發(fā)概況

遼寧省年降水量空間分布從東部高山丘陵到西部低山丘陵，降水呈遞減趨勢(shì)，東部多、西部少，中部及北部地區(qū)降水量級(jí)相近、區(qū)域特征相近。利用1956—2016年5—9月份逐旬、逐月降水量資料，進(jìn)行遼寧省降水量區(qū)域劃分，如圖1所示。從全省來(lái)看，多年平均降水量呈東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)，東南部地區(qū)降水量多在800mm以上，其中丹東市區(qū)、寬甸、鳳城一帶年降水量可達(dá)1100～1180mm。中北部地區(qū)多在800mm以下，至法庫(kù)、新民、盤山一帶減少為600mm左右。西部地區(qū)則多在600mm以下，到朝陽(yáng)市和阜新市北部下降到450mm。遼寧省水面蒸發(fā)量分布特征是從東南到西北逐漸增加，呈現(xiàn)與降水量分布相反的特點(diǎn)。我省東部氣候濕潤(rùn)度高，相對(duì)濕度達(dá)70%，年日照時(shí)數(shù)2400h左右，年蒸發(fā)量600～700mm；中部地區(qū)及半島南部，氣候半干燥，濕度偏低，年蒸發(fā)量在800～1000mm之間；遼寧西部，氣候干燥，相對(duì)濕度減少到約50%，年日照時(shí)數(shù)增長(zhǎng)到2800～3000h，年蒸發(fā)量大多在1000～1100mm之間。

1.2 異常區(qū)分布結(jié)果

通過(guò)對(duì)選用的全省544個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化距平處理后，采用正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)對(duì)不同雨量站點(diǎn)可利用降水量異常區(qū)分布進(jìn)行檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)的異常區(qū)r值通過(guò)ra=0.325的檢驗(yàn)水平時(shí)，則表明通過(guò)檢驗(yàn)，為可利用降水量的異常區(qū)。通過(guò)分析遼寧省可利用降水量異常區(qū)的r檢驗(yàn)值分布如圖2所示。

在檢驗(yàn)r值分析時(shí)，當(dāng)同一個(gè)雨量站點(diǎn)的被劃分不同的異常分布區(qū)時(shí)，需要分析r值的大小，將其劃分在r值較大的異常分布區(qū)。通過(guò)分析確定了遼寧省4個(gè)可利用降水量異常分布區(qū)，分別為東部的丹東和本溪地區(qū)、中部的沈陽(yáng)和遼陽(yáng)地區(qū)、西部的阜新和朝陽(yáng)地區(qū)、北部的鐵嶺、康平及法庫(kù)地區(qū)。以西部阜新和朝陽(yáng)地區(qū)為例，區(qū)域旋轉(zhuǎn)荷載分量主要位于朝陽(yáng)的西北部以及阜新的北部，異常分布檢驗(yàn)r值的高值區(qū)域均分布在這異常分布區(qū)。中心站點(diǎn)的最大r值可以達(dá)到0.59，這一區(qū)域?qū)儆谶|寧省典型的干旱半干旱區(qū)，夏季少雨且蒸發(fā)量較大，冬季降雪量夜較為偏少。區(qū)域水汽來(lái)源主要為東北冷渦和暖濕氣流綜合影響。

1.3 預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建

綜合考慮氣候、地理特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等綜合因素，對(duì)遼寧省4個(gè)可利用降水量異常區(qū)進(jìn)行了預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建，各分區(qū)可利用降水量預(yù)報(bào)模型的影響因子及回歸方程見表2—3。

表2 遼寧省不同異常分區(qū)的可利用降水量影響因子

首先對(duì)前一年不同月份的初選因子確定，采用主成分分析方法對(duì)500hPa高度場(chǎng)、全球海平面高壓場(chǎng)進(jìn)行分析，各因子前8個(gè)分向量累積主成分方差貢獻(xiàn)度達(dá)到80%以上，重要的降水信息均在這個(gè)幾個(gè)因子中得到集中，確定了16個(gè)初選因子。再通過(guò)單相關(guān)系數(shù)對(duì)其可信度a=0.05進(jìn)行檢驗(yàn)，序列樣本的分析長(zhǎng)度為55，臨界相關(guān)系數(shù)ra=0.258，若檢驗(yàn)r值高于該臨界相關(guān)系數(shù)，則表明預(yù)報(bào)對(duì)象和因子之間具有較好的相關(guān)度，則通過(guò)可信度檢驗(yàn)，可再選因子通過(guò)相關(guān)檢驗(yàn)方式進(jìn)行確定。表2為確定的可再選因子，結(jié)合表2遼寧省不同異常分區(qū)可再選因子，建立可利用降水量和4個(gè)相關(guān)因子的回歸方程，見表3。

表3 遼寧省不同異常分區(qū)的可利用降水量回歸方程

1.4 預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

在預(yù)報(bào)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)不同異常分區(qū)可利用降水量的預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)因子和結(jié)果見表4。對(duì)遼寧省不同分區(qū)1955—2018年可利用降水量進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，相關(guān)性分析如圖3所示。并對(duì)其中的2010—2018年共8年的降水量進(jìn)行試驗(yàn)擬合預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)，試驗(yàn)擬合預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖3 不同異常分區(qū)可利用降水量預(yù)報(bào)值和實(shí)際可利用降水量相關(guān)性分析結(jié)果

表4 遼寧省不同異常分區(qū)可利用降水量預(yù)報(bào)擬合分析成

以預(yù)報(bào)可利用降水量和實(shí)際計(jì)算的可利用降水之間進(jìn)行相對(duì)誤差的計(jì)算，當(dāng)擬合預(yù)報(bào)的相對(duì)誤差低于30%，則認(rèn)為通過(guò)誤差檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)的站點(diǎn)的誤差合格通過(guò)率占總的站點(diǎn)的數(shù)目的百分比定義為擬合預(yù)報(bào)合格比例。遼寧省可利用降水量各空間異常分布區(qū)單個(gè)相關(guān)因子通過(guò)結(jié)果見表4。從表中可分析出，西部阜新和朝陽(yáng)地區(qū)、北部的撫順、康平及法庫(kù)地區(qū)通過(guò)誤差檢驗(yàn)的因子相比于其他分區(qū)偏少，東部丹東和本溪地區(qū)通過(guò)檢驗(yàn)的因子較多，表明遼寧西部和北部地區(qū)前一年各月份的全球海平面高壓場(chǎng)以及500hPa高度場(chǎng)的相關(guān)性較低。而東部以及中部?jī)蓚€(gè)因子的相關(guān)性較高。從不同異常分區(qū)可利用降水量預(yù)報(bào)和實(shí)際降水量預(yù)報(bào)相關(guān)性分析結(jié)果可看出，不同異常分區(qū)可利用降水量預(yù)報(bào)值和實(shí)際可利用降水量均具有較好的相關(guān)性，各分區(qū)相關(guān)系數(shù)在0.5以上，滿足預(yù)報(bào)精度要求。東區(qū)相關(guān)性最高，北區(qū)相關(guān)性最低，各異常分布區(qū)在可利用降水量異常偏少或者偏多年份會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，這主要受到前期挑選的相關(guān)因子和預(yù)報(bào)方式有關(guān)。

1.5 與干旱輕度的相關(guān)特征分析

采用Hurst指數(shù)[17]對(duì)遼寧省不同異常分區(qū)可利用降水量和干旱強(qiáng)度SPI值之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的分析，分析結(jié)果見表5。

表5 遼寧省各異常分區(qū)可利用降水量與干旱強(qiáng)度的Hurst指數(shù)分析結(jié)果

從遼寧省各異常分區(qū)可利用降水量與干旱強(qiáng)度的Hurst指數(shù)分析結(jié)果可看出，各異常分區(qū)不同季節(jié)干旱強(qiáng)度SPI值和可利用降水量的變化規(guī)律具有一定的相似特征，各異常分布區(qū)可利用降水量的年和季節(jié)尺度的Hurst分別在0.3152～0.4381之間，表明這兩個(gè)時(shí)間尺度下遼寧省各異常分布區(qū)的可利用降水量與過(guò)去具有相反的變化趨勢(shì)，即表明可利用降水量未來(lái)呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)，冬季可利用降水量逐步遞減，春、秋、夏3個(gè)季節(jié)的可利用降水量與過(guò)去變化趨勢(shì)具有一致性，秋季變化最為顯著。各異常分布區(qū)年和夏季尺度的干旱強(qiáng)度的Hurst指數(shù)分析結(jié)果表明遼寧地區(qū)年和夏季干旱尺度與過(guò)去變化趨勢(shì)也具有相反的特征，干旱強(qiáng)度有所減弱，夏季輕旱變化趨勢(shì)有所增強(qiáng)，春、秋以及冬季干旱變化趨勢(shì)的有所增強(qiáng)，春季干旱強(qiáng)度有所遞減變化，秋季干旱強(qiáng)度增強(qiáng)，冬季變化呈遞增變化。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)遼寧省各異常分布區(qū)春季可利用降水量將會(huì)持續(xù)有所增加，使得對(duì)應(yīng)的春季干旱強(qiáng)度有所減弱，夏季和秋季可利用降水量依舊有所減少，對(duì)應(yīng)的干旱強(qiáng)度將相應(yīng)增加。冬季全省各異常分布區(qū)的可利用降水量可能減少，相應(yīng)干旱強(qiáng)度對(duì)應(yīng)增強(qiáng)變化。

2 結(jié)論

(1)遼寧省有4個(gè)可利用降水量異常分布區(qū)，分別為東部的丹東和本溪地區(qū)、中部的沈陽(yáng)和遼陽(yáng)地區(qū)、西部的阜新和朝陽(yáng)地區(qū)、北部的鐵嶺、康平及法庫(kù)地區(qū)，其中西部和北部的可利用降水量與前一年各月份的全球海平面高壓場(chǎng)以及500hPa高度場(chǎng)的相關(guān)性較低。而東部以及中部?jī)蓚€(gè)因子的相關(guān)性較高。

(2)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)遼寧省各異常分布區(qū)春季可利用降水量將會(huì)持續(xù)有所增加，使得對(duì)應(yīng)的春季干旱強(qiáng)度有所減弱，夏季和秋季可利用降水量依舊有所減少，對(duì)應(yīng)的干旱強(qiáng)度將相應(yīng)增加。冬季全省各異常分布區(qū)的可利用降水量可能減少，相應(yīng)干旱強(qiáng)度對(duì)應(yīng)增強(qiáng)變化。

(3)在進(jìn)行短時(shí)間序列可利用降水量擬合時(shí)較易產(chǎn)生偏差，在以后的研究中需要考慮如何解決此類偏差問(wèn)題，提高短時(shí)間序列可利用降水量的預(yù)測(cè)精度。