近 50年华北地区降水量时空变化特征研究

第25卷　第2期

自　然　资　源　学　报Vol 125No 12　2010年2月JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Feb .,2010　

收稿日期:2008-06-24;修订日期:2009-10-06。

基金项目:国家科技支撑计划课题(2007BAC03A02);科技专项(2007FY120100);上海市气象局启明星专项(QM200801)。

第一作者简介:张皓(1982-),男,天津市人,硕士,工程师,主要从事作物生长模拟与气候变化影响方面研究。E 2mail:zhangh@cli m ate .sh .cn

3通信作者简介:冯利平,教授,博士生导师,主要从事作物系统模拟、资源利用与气候变化方面的研究。E 2mail:fen 2gl p@cau .edu .cn

近50年华北地区降水量时空变化特征研究

张　皓1,2,冯利平13

(1.中国农业大学资源与环境学院,北京100193;2.上海市气候中心,上海200030)

摘要:利用华北地区(京、津、晋、冀、鲁、豫)92个气象台站近50年的逐日气象数据,采用趋势分析法和小网格法分析华北地区降水量的时空变化规律,并利用GI S 工具实现空间分异表达。结果表明:华北地区降水相对较少,年均降水量为614mm 。年均降水量呈由东南向西北逐渐减少的趋势。春季降水纬向分布明显,而夏季降水经向分布更为突出,秋冬季降水与年降水分布相似。随着年降水量由多到少变化,多雨区由东部沿海向南部地区移动,少雨区呈由中西部地区向中北部地区移动的趋势。该区降水年际变异性强,年降水和夏季降水均呈明显的降低趋势,春季降水略呈升高趋势,冬季降水升高趋势更为明显。1980年为由多雨期向少雨期的转折点,降水量存在8～10a 的显著振荡周期。20世纪60年代为月降水正距平出现最多的时期,而80年代和90年代为月降水负距平出现最多的时期。华北地区降水量季节性差异明显,夏季降水集中,全年65%～85%的降水量集中在6—9月。

关　键　词:华北地区;降水量;趋势分析法;小网格法

中图分类号:P426161+4 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2010)02-0270-10华北地区主要位于半湿润半干旱地区,降水是其水资源的重要来源之一,影响着当地粮食生产、生态环境安全和社会经济的可持续发展。降水量变化的时空分布受季节、纬度和地理因子的影响,具有明显的年际和年内变化特点,对农业生产,特别是部分地区仅依赖雨养条件的农业生产来说,其影响尤为突出。研究华北地区降水量时空变化规律与特征,有助于合理利用降水资源和进行水资源的有效管理。

华北地区降水量的变化特征已有学者做过研究。牛存稳等

[1]分析了华北地区降水年代际变化、年际变化及其产生原因,孙燕等

[2]研究了异常降水在年际和年代际间的变化规律和特征,张利平等[3]归纳出华北地区降水存在的主要周期变化,陈烈庭

[4]对华北地区夏季降水标准差的空间分布和降水距平百分率年际和年代际变化的地域特征进行了分析。目前的研究对降水量空间变化涉及较少,分析精确度也较低,为了更为精确、深入地反映华北地区降水的时空变化特征,本文利用该区92个气象站点近50年逐日降水资料,采用小网格法划分精细化网格,拟合不同分区降水要素方程,采用GI S 逆距离加权插值法,分析华北地区降水的时空变化规律和特征,实现降水变化的空间分异表达,以期为华北地区降水资源科学合理利用和农业生产管理提供理论依据。

2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究271　1　材料与方法

研究区域大致位于东经110°～122°,北纬32°～43°之间,其范围是淮河以北、河套以东至沿海、燕山以南,包括京、津、晋、冀、鲁、豫地区。资料来源于中国气象局在华北地区设立的包括北京、天津、石家庄、郑州、太原、济南等92个气象台站的逐日气象资料和台站信息(图1)。降水记录年代从1951—2005年,部分建站时间较晚的台站,选取从有数据记录开始的年份至2005年的逐日气象资料。

注:1冀北山地,2河北平原西区,3河北平原东区,4黄河中下游,5黄淮平原和山东半岛,

6山西西北山地,7黄土高原,8汉水流域。

图1　华北地区气象台站点及不同降水区域分布

Fig 11　W eather stati ons and distributi on of different p reci p itati on area in North China

111　降水要素方程的建立及检验

地形因素对于山区降水量分布是不可忽视的重要因素,考虑到华北地区的地形除了西部太行山山脉和北部燕山山脉少部分地区外,其余都以平原为主,海拔高度的变化相对比较平缓,研究将宏观地理因素中的纬度(φ)、经度(λ)和海拔高度(h )作为区域降水的影响因子考虑,降水要素方程表示为:

R =a i +b i φ+c i

λ+d i h (1)式中,a i 为常数项,b i ,c i ,d i 分别为纬度(φ)、经度(λ)和海拔高度(h )的系数,i 为分区。

为精确计算各网格点降水量,本研究参考相关文献[4]

,将华北全区分为8个自然区,并进一步细划为23个小区(图1)。对每个降水小区,结合站点降水数据、经纬度和高程数据,拟合12个月降水方程和1个年降水方程,共拟合299个方程。

采用相对误差和拟合指数两个统计量对方程进行检验和误差分析。相对误差和拟合指数表示为:

δ=(S -A )/S (2)

Q =1-AB S (δ

)(3)式中,Q 为拟合指数,δ为相对误差,S 为拟合降水量,A 为实际降水量。拟合指数越接近1效果越好。

112　高程图的生成

将华北地区气象台站的经纬度和海拔高度资料作为属性数据,利用地理信息系统A rc 2

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vie w312a的空间分析功能,使用样条函数内插(Sp line)方法插值[5],生成华北地区海拔高度分级图,即华北地区高程图。

113　降水量的插值

研究[627]认为对于降水站点不是很密集的地区,逆距离加权平均法(I D W)有助于提高预测数据的精度,本文中各月及年降水量的插值采用I D W法。在大比例尺地图上研究区域范围内,以经纬度20′为步长创建20′×20′网格,交点称为网格点,计算确定出580个网格点。利用A rcvie w312a的信息识别功能,将生成的高程图与网格点图层叠加,确定每一网格点的高程值。基于网格点的经纬度及高程值,并结合降水方程,生成近50年各网格点逐月及年降水数据,再进行插值,得到各月及全年降水量在空间上的分布趋势图。

114　降水年型的划分

为了研究降水量在不同降水年型下的空间变化情况,对该地区的降水年型进行划分。以年降水量为主要参考标准,以年降水距平百分率±10%为指标,划分为丰水年、平水年和枯水年3种类型。同时排除洪涝及气象干旱等特殊年份的影响,分别选取1990、1987和1981年作为丰水年、平水年和枯水年的代表年份(表1)。

表1　降水年型及其代表年份

Table1　Rainfall year2type and rep resentative year

年型距平百分率/%降水量/mm出现频数代表年份

丰水年>10>67315111990

平水年-10～1055110～67315311987

枯水年<-10<55110131981

2　结果与分析

211　降水方程建立与检验

根据前面介绍的方法,针对每个降水分区拟合12个月及全年降水方程,共299个方程。将各分区各方程系数绝对值平均化处理得知,绝大多数分区的系数b和c均大于系数d,在23个分区中,有14个分区方程系数表现为b>c>d。偏回归系数的关系表明站点的纬度和经度对降水的拟合贡献较大,且在多数地区纬度对拟合降水量的影响高于经度影响。

利用各气象台站逐月及全年的实际降水数据对拟合值进行验证,以某气象台站所在的小网格区域4个网格点中距离该台站最近格点的拟合值作为该台站的降水量,进行误差分析。结果表明,各月及年的相对误差(δ)绝对值的平均值在5158%～16143%之间,方程的拟合指数(Q)的平均值在0184～0196之间,方程拟合效果较好。

212　降水空间变化特征分析

华北地区近50年年均降水量的空间分布如图2(a)。可以看出,降水量呈明显的纬向分布,有随纬度的增高而减少的趋势,并且由于受到海陆气候的影响,沿海地区的降水量普遍高于内地,有由东南向西北逐渐减少的趋势。降水的高值区位于河南南部信阳、固始一带,年降水量均在900mm以上;河北东部地区年降水在650mm以上,特别是天津北部至遵化、青龙一带,最大降水量可达750mm以上。山西中北部地区由于受到西部五台山等地的地势影响,年降水也可达670mm以上。河北西部地区年降水量为华北地区的最低值,最低降水仅为350mm左右。