李国景 张建才 陈 菲 邓丽萍

(福建省龙岩市气象局,福建 龙岩 364000)

0 引言

面雨量是水文气象的重要参数,能客观反映降水对特定流域的影响。目前,随着区域气象资料的不断丰富完善,国内对由大、中型水电枢纽运行调度和服务的流域气候已有许多研究与应用[1-3]。开展流域面雨量的特征分析与应用研究有利于区域防灾减灾,提高流域面雨量的预报水平,并为特定流域防汛提供科学依据。

棉花滩水库位于龙岩市永定区峰市镇,地处汀江干流棉花滩峡谷河段,属不完全年调节水库,水库流域包含长汀、连城、上杭、武平、永定等5个县(区),集水面积7907 km2,水库面积63 km2,最大库容20.35亿m3,水库具备水力发电、防洪灌溉、保障生产生活用水、优化生态环境等多种重要功能[4]。本文分析了2017—2021年棉花滩水库流域面雨量的时空分布特征及变化情况,尤其是汛期强降水时的特征及变化,以期有效减轻或避免潜在的气象灾害或地质灾害,保障地方经济可持续发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用2017—2021年长汀、连城、武平、上杭、永定等5个县(区)共198个区域自动站汛期(前汛期3—6月、后汛期7—9月)逐日降水资料。

1.2 分析方法

流域面雨量是指某一时段内一定面积上的平均雨量,其定义式为:

(1)

依据《江河流域面雨量等级》(GB/T 20486—2017),江河流域面雨量(24h面雨量值)等级划分为小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～59.9 mm)、大暴雨(60.0～149.9 mm)、特大暴雨(≥150.0 mm)。面雨量计算采用泰森多边形法[5]。泰森多边形法又称垂直平分法,其方法是计算各雨量站的面积权重系数,然后各站点雨量与该站的面积权重相乘后累加。雨量站权重系数的求法为将流域内各相邻雨量站用直线相连,作各连线的垂直平分线,这些线相交后把流域分为若干个多边形,每个多边形内都有一个雨量站。设每个雨量站都以其所在的多边形为控制面积ΔA,控制面积与全流域面积之比(f=ΔA/A)即为该雨量站的权重系数。计算公式如下:

(2)

图1 棉花滩水库流域自动站泰森多边形图

棉花滩水库流域面积较小,区域自动站分布较为均匀,近几年雨量资料较为齐全。因此,算术平均法也适用于面雨量的计算,此方法将流域内所有雨量站的同期降水量累加起来除以总站数。由表1可知,算术平均法与泰森多边形法计算的汛期各月面雨量数值相差较小,最大仅相差1.4 mm。此外,两种方法计算的2017—2021年汛期平均面雨量数值相差也较小,算术平均法计算的结果为1230.7 mm,泰森多边形的计算值为1233.4 mm,两者相差2.7 mm。其中,两者计算的2018年汛期平均面雨量相差最小,仅相差1.0 mm。考虑流域内山区地形地貌、站点密集程度及其他因素的影响,泰森多边形法的计算精度要高于算术平均法,计算棉花滩水库流域面雨量应首选泰森多边形法。

表1 泰森多边形法与算术平均法计算的月面雨量对比 单位:mm

2 棉花滩水库流域汛期面雨量时空分布特征

2.1 汛期面雨量的年变化

2017—2021年棉花滩水库流域汛期面雨量最大为2019年,达1652.3 mm,2021年仅为954.1 mm。2017年、2018年及2020年汛期面雨量居于中位,分别为1341.4 mm、1005.3 mm及1213.9 mm。2017—2021年汛期面雨量数值波动较大,气候倾向率为-56.6 mm/a,整体呈减少趋势。

2.2 汛期各月面雨量的变化

2017—2021年,棉花滩水库流域前汛期面雨量为825.1 mm,占汛期面雨量的66.9%,此时期正处于江南春雨季节,降水最为丰富;后汛期面雨量为408.3 mm,占汛期面雨量的33.1%,这与夏季受副热带高压影响,多雷阵雨天气及台风影响有密切关系。汛期各月面雨量分布呈现高低错落的主峰和副峰特征,如图2所示。主峰位于前汛期的6月,面雨量达329.6 mm,占汛期面雨量的26.7%,次大值在5月,面雨量208.6 mm,占汛期面雨量的16.9%,后汛期的8月出现一个小副峰,面雨量170.7 mm,占汛期面雨量的13.8%。

图2 棉花滩水库流域汛期各月平均面雨量

2.3 汛期各月日面雨量极大值分布

2017—2021年,棉花滩水库流域汛期除了9月,均出现过暴雨以上量级(日面雨量≥30.0 mm)的强降水,如图3所示。9月日面雨量极大值仅为24.9 mm,出现在2020年9月23日;8月日面雨量极大值为36.3 mm。出现大暴雨以上量级(日面雨量≥60.0 mm)强降水的月份只有3月和6月,2017年6月2日出现最大日面雨量,达到81.3 mm;次极大值出现在3月,日面雨量极大值为64.6 mm。

图3 棉花滩水库流域汛期各月日面雨量极大值

2.4 汛期日面雨量频次分布

由表2可知,2017—2021年,棉花滩水库流域汛期内小雨量级日面雨量的降水545次,占汛期全部降水统计样本的64.3%,其中,7月最多,达99次;中雨量级日面雨量的降水186次,占汛期全部降水统计样本的22.0%,其中,8月最多,达38次;大雨量级日面雨量的降水为81次,占汛期全部降水统计样本的9.6%,其中,5月最多,达17次,6月次之,有16次;2017—2021年,汛期日面雨量达到暴雨以上量级的强降水共有35次,占汛期全部降水统计样本的4.1%,年均7次。暴雨以上量级的汛期强降水主要出现在前汛期(3—6月),共出现31次,占汛期强降水总次数的88.6%。其中,6月强降水出现的次数最多,达19次,占汛期强降水总次数的54.3%,5月次之,达6次;暴雨量级日面雨量的降水共有30次,占汛期强降水总次数的85.7%,其中有一半的暴雨集中在6月;大暴雨量级日面雨量的降水共有5次,其中,6月出现4次,3月出现1次,占汛期强降水总次数的14.3%。2017—2021年内后汛期只有7月和8月出现暴雨量级日面雨量的降水,各有2次。2017—2021年汛期内均未出现特大暴雨量级的日面雨量,也未出现降水强度≥90.0mm的日面雨量。

表2 棉花滩水库流域2017—2021年汛期各月不同等级逐日面雨量次数 单位:次

2.5 汛期累积面雨量≥30.0 mm的集中强降水

2017—2021年,棉花滩水库流域汛期日面雨量≥30.0 mm连续出现2 d的集中强降水过程共有7次。日面雨量≥30.0 mm连续出现3 d的集中强降水只有1次,此3d累积面雨量132.9 mm,出现在2017年6月14—16日。日面雨量≥60.0 mm连续出现2 d的集中强降水出现日期在2019年6月23—24日,此2 d累积面雨量为135.1 mm,其中,6月23日面雨量61.3 mm,6月24日面雨量73.8 mm。

采用滑动求和方法[8],得出流域汛期连续3 d以上累积面雨量≥30.0 mm的过程共出现186次。滑动3 d面雨量之和的最大值为146.6 mm,出现在2017年6月2—4日,其中,2017年6月2日面雨量即为2017—2021年最大的日面雨量,另2 d日面雨量均为大雨以上量级。滑动3 d面雨量之和的次大值为142.8 mm,出现日期为2019年6月23—25日。连续5 d以上累积面雨量≥30.0 mm的过程,流域内共出现378次。滑动5 d面雨量之和的最大值为182.0 mm,出现在2019年6月9—13日,5 d中有2 d日面雨量达到暴雨以上量级,分别为72.8 mm和45.3 mm。滑动5 d面雨量之和的次大值为169.7 mm,出现日期在2019年6月10—14日,与出现最大值的日期多数重叠。连续7 d以上累积面雨量≥30.0 mm的过程,流域内共出现438次。滑动7 d面雨量之和的最大值为230.1 mm,出现在2017年6月14—20日,7 d中有4 d日面雨量达到暴雨量级。滑动7 d面雨量之和的次大值为226.0 mm,出现在2017年6月13日—19日,同样与出现最大值的日期较多重叠。

2.6 汛期日面雨量大雨以上量级的降水空间分布

由表2可知,2017—2021年棉花滩水库流域汛期日面雨量达到大雨以上量级的降水共有116次,占全部降水次数的13.7%,平均日面雨量为28.4 mm,其平均降水空间分布如图4所示[9]。汛期平均降水大致呈现北部较少、中南部较多的分布特征。长汀县西北部地区降水基本位于低值区域,平均降水量在24.0 mm左右,其他区域多数处于平均值区域,武平县中部和上杭县中东部地区的降水基本位于高值区域,平均降水量达31.0 mm左右,两县其他区域的降水量数值同样较高,基本在平均值以上;连城县东部和北部地区的降水量也处于较高数值,其他区域的降水量位于平均值附近;永定区西北部降水量数值较高,东南部降水多数处于平均值区域。形成此汛期强降水空间分布不同的原因可能是各地与海洋的距离位置不同,春、夏季期间南方暖湿气流影响区域不一致,其次是受流域内高低起伏的山地丘陵地形及局部降水天气系统的影响,由此出现强弱不同的区域性降水。

图4 2017—2021年棉花滩水库流域汛期日面雨量大雨以上量级平均降水分布图

3 结论

①2017—2021年,龙岩棉花滩水库流域年平均汛期面雨量为1233.4 mm,年汛期面雨量呈减少趋势。前汛期和后汛期的面雨量分别占年汛期面雨量的66.9%和33.1%。6月面雨量达329.6 mm,占汛期面雨量的26.7%。

②棉花滩水库流域的汛期除了9月,均可出现日面雨量达到暴雨以上量级的强降水,出现日面雨量达到大暴雨以上量级强降水的月份只有3月和6月,其中6月出现最大日面雨量,达81.3 mm。

③2017—2021年,棉花滩水库流域汛期日面雨量达到暴雨以上量级的共有35次,占全部降水统计样本的4.1%,年均7次,其中暴雨和大暴雨分别占汛期强降水总次数的85.7%和14.3%。强降水主要出现在前汛期,6月强降水出现的次数最多。此外,汛期日面雨量≥30.0 mm连续出现2 d的集中强降水过程共有7次,连续3 d以上累积面雨量≥30.0 mm的过程共有186次。

④棉花滩水库流域汛期平均降水大致呈现北部较少、中南部较多的分布特征,长汀县西北部地区基本处于降水低值区域,武平县中部和上杭县中东部地区主要处于降水高值区域,连城县中西部和永定区东南部的降水多数位于平均值区域。