基于集中度和不均匀系数的昭苏县多年降水规律研究

王丽娜

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

降水是陆地水源补给的重要来源，降水量变化是影响当地农业、生态、工业、社会经济可持续发展的重要因素，对降水量历史变化特征进行分析研究，可为当地抗旱防洪提供重要依据[1-4]。本文选取昭苏县1961-2014年历年逐月降水量建立年、月降水序列，分析54年来降水的年际、年内变化，并采用Morlet小波分析方法对多年降水量周期特征进行研究，以期为做好气候预测及防治水土流失提供基础数据。

1 研究区概况

昭苏县位于新疆伊犁哈萨克自治州、伊犁谷地的特克斯河上游，系高位山间盆地，本区属温带山区冷凉性气候类型，春季升温缓慢而不稳定，秋季降温迅速。冷空气活动频繁，降水季节变化明显，没有明显的四季之分，冷季长，寒冷多雾，暖季多雷和冰雹。

2 研究方法

2.1 降水不均匀系数

降水量的不均匀系数是反映年内降水不均匀程度的指标。不均匀系数越大，年内分配越不均匀[5]。不均匀系数计算公式如下：

2.2 降水集中度及集中期

降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用逐月降水资料反映年内降水集中情况和最大降水量出现时段的重要指标。它将降水量当做矢量，矢量的大小和方向是月降水量的大小和时间[5]。计算公式如下：

PCP=arctan(Rx/Ry)

式中：R为年降雨量；Rx、Ry为12个月降水量的分量之和所构成的水平分量和垂直分量；θi为第i月降水量的矢量角度。

降水集中度(PCD)取值在0～1之间，PCD越接近1，降水越集中在某个时段内。雨季降水分布越均匀，PCD值越接近于0[5]。集中期(PCP)则反映降水量最大值集中的年内时段。

2.3 小波分析

小波方法具有多种模式，小波变换在时域和频域都能很好地表征序列的局部特性，对研究降水周期变化特征非常有利[6]。本文采用小波变换分析，用MATLAB软件编写数据处理程序计算小波系数并绘制小波实部值图像，由此分析降雨周期变化。

3 降水量年内变化分析

3.1 多年降水量的年内变化

昭苏县降水存在明显的季节性差异，降水量年内分配极不均匀。由图1可以看出，1961-2014年间昭苏县1-3月份、10-12月份少雨，约占全年降水量的5.64%和9.29%，4-6月份、7-9月份降水量较大，约占全年降水量的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，为91.66 mm；最小降水量为1月份，仅为5.97 mm。

图1 昭苏县多年降水量的逐月分布特征

3.2 降水年内分配均匀性变化

昭苏县降水年内分配不均匀系数计算结果见图2。从图2可以看出，昭苏县降水量年内分配不均匀系数具有年代际变化，54年不均匀系数变化范围为0.057～1.125，最大值出现在1978年，最小值出现在2010年。54年以来降水不均匀系数呈递减趋势，在1961-1979年降水分布较为均匀，1980年后降水较1980年之前较不稳定，不均匀系数出现较大变化，1980-2014年降水分布较为均匀。

图2 昭苏县降水年内分配不均匀系数

3.3 降水集中度和集中期变化

昭苏县降水集中度及集中期计算结果见图3和图4。从图3可以看出，昭苏县不同时期的降水集中度变化与不均匀系数变化趋势较为一致，降水集中度变化在0.434～0.802之间，多年平均降水集中度为0.596，当集中度大于多年平均值时，当年雨季降水较集中；集中度小于多年平均值，当年雨季降水年内分配均匀。1961-1979年连续19年降水集中度都大于平均值，这19年降水连续趋于集中。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年连续8年、1992-1994年连续3年、1998-2014年连续17年这些年份降水以不集中为主，说明昭苏县降水集中具有一定的连续性。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，最大值出现在1975年为0.802，最小值出现在2014年为0.434，昭苏县降水不稳定。

图3 昭苏县降水集中度年际变化

从图4可以看出，54年以来昭苏县降水集中期波动于146.3～203.2之间，大部分在167.64附近波动。根据方位角转换结果，昭苏县最大降水在6和7两个月份，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。

图4 昭苏县降水集中期年际变化

4 降水量年际变化

4.1 降水量年际变化趋势分析

昭苏县1961-2014年平均降水量为471.46 mm，最大年降水量出现在1981年，为675.8 mm，为多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量为301.5 mm，出现在1979年，仅为多年平均降水的0.64。由昭苏县年降水量变化过程线与滑动平均值过程线(图5)可知，昭苏县年降水量变化较大，波动明显，总体呈上升趋势。1981-2010年降水总量较1961-1980年增长16.6%。

图5 年降水量5年及10年滑动平均变化

4.2 周期分析

昭苏县年降水量小波系列实部值图像见图6。由图6可知，1961-2014年昭苏县降水在整个时间域上具有20～30年尺度的年代际变化周期，并且周期振荡十分显著。在1961-1985年时间尺度上存在7～10年左右的短周期，在1985～2014年之间还存在3～5年的短周期。因此，昭苏县近54年降水量变化并不是只有一个固定周期，而是大、中、小多种周期尺度相互嵌套。

图6 昭苏县年降水量小波系列实部值图像

5 结 论

本文应用不均匀系数、集中度(期)及Morlet小波变换分析等方法对昭苏县1961-2014年降水变化进行分析，得到以下结论：

1) 昭苏县1961-2014年降水量总体表现为缓慢增长趋势。年平均降水量为471.46 mm，最大年降水量出现在1981年，为675.8 mm，为多年平均降水量的1.43倍；最小年降水量为301.5 mm，出现在1979年，仅为多年平均降水的0.64。

2) 昭苏县1961-2014年月平均降水为40.51 mm，降水年内变化规律为4-9月份降水量占全年降水量的85%左右。说明夏秋两季降水较多，春冬两季降水较少。

3) 昭苏县1961-2014年降水年内分配不均匀系数呈递减趋势，降水不均匀性在减弱。同时54年降水集中度的年际变化较大，且具有一定的连续性，总体变化趋势与不均匀系数一致，呈递减趋势。54年中24年年内降水较集中，30年年内降水分布较均匀。根据方位角转换，昭苏县最大降水主要集中在6和7月份。

4) 昭苏县近54年降水序列在时间上具有多尺度特征，主要存在3个尺度的周期，分别是25、8和3年，其中25年尺度年代际周期变化最明显且贯穿整个时间域。