¹云南省水文水资源局楚雄分局，云南 楚雄

²长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北 襄阳

收稿日期：2022年2月21日；录用日期：2022年3月17日；发布日期：2022年3月23日

摘要

随着经济的快速发展，楚雄州水资源量不足的问题已是社会普遍关注的问题，而楚雄州内水资源均由大气降水形成，且降水量时空变化和地区分布直接影响地表径流量变化。研究降水量及其变化和分布，对水资源量研究具有重要意义。因此，本文根据楚雄州第三次水资源调查评价，选择了26个具有1956~2016年长系列雨量站资料作为主要计算站，其他具有1980~2016年资料的52个站作为参考，采用ArcGis软件自动绘制和人工经验修订相结合的方法绘制楚雄州1956~2016年多年平均降水量、Cv等值线图，并用面积加权法量算出楚雄州及各县(市)多年平均降水量。并根据降水的影响因素分析楚雄州降水量年内分配、水平地带和垂直分布规律、年际变化特征，为楚雄州水资源量分析和防洪减灾等提供参考作用。

关键词

降水量计算，时空变化和地区分布特征，分析，楚雄州

Analysis of Spatial-Temporal Variation and Regional Distribution Law in Annual Mean Precipitation over Chuxiong Prefecture, Yunnan Province

Yanfen Zeng¹, Jin Tu²

¹Chuxiong Hydrology and Water Resources Bureau of Yunnan Province, Chuxiong Yunnan

²Hanjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey, Changjiang Water Resources Commission, Xiangyang Hubei

Received: Feb. 21^st, 2022; accepted: Mar. 17^th, 2022; published: Mar. 23^rd, 2022

ABSTRACT

With the rapid development of economy, the problem of shortage of water resources has been widespread concern; within the current conditions, the water resources are formed by atmospheric precipitation, and precipitation temporal variation and regional distribution directly affect the surface runoff change, rainfall and its variation and distribution, and research on water resources is of great significance. Therefore, according to the third water resources survey and evaluation in Chuxiong Prefecture, 26 rain stations with data from 1956 to 2016 were selected as the main calculation stations, and the other 52 stations with data from 1980 to 2016 were selected as the reference. The annual average precipitation and Cv contour map of Chuxiong Prefecture from 1956 to 2016 were drawn by the method of ArcGis software automatic drawing and manual experience revision, and the annual average precipitation of Chuxiong Prefecture and all counties (cities) were calculated by area weighting method. According to the influencing factors of precipitation, the annual distribution, horizontal and vertical distribution and inter-annual variation characteristics of precipitation in Chuxiong Prefecture are analyzed, which can provide a reference for water resources quantity analysis and flood control and disaster reduction in Chuxiong Prefecture.

Keywords:Precipitation Calculation, Spatio-Temporal Variation and Regional Distribution Characteristics, Analysis, Chuxiong Prefecture

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1. 前言

随着全球气候变暖，水循环加速，大气中平均水汽含量增加，降水时空分布格局的明显变化导致气候变化对人类生存环境的影响更加明显，如致使洪涝频发和干旱加剧等，已经威胁到人类赖以生存的粮食、水等基本条件的维持。

云南省位于我国西南方位，境内汇集了长江、珠江、西南诸河3个水资源一级区。区域水资源丰富，但各地降水量差异很大。目前研究人员对于云南省的降水变化已有一定的研究，刘稳 [1] 等根据云南省多年降水数据分析了云南省降水量的时空变化并进行了周期分析，胡嘉佳 [2] 等结合正交经验函数，以昆明某区域为研究范例，对其年季降水时空变化特征进行时空解译。

随着经济的快速发展，楚雄州需水量增大，水资源量不足的问题已是社会普遍关注的问题，而楚雄州内水资源均由大气降水形成，且降水量时空变化和地区分布直接影响地表径流量变化。本文根据楚雄州第三次水资源调查评价，选择了26个具有1956~2016年长系列雨量站资料作为主要计算站，其他具有1980~2016年资料的52个站作为参考，研究云南省降水量的时空变化的基础上进一步研究其地区分布，为楚雄州水资源量分析和防洪减灾等提供一定参考作用。

2. 自然地理位置、气候特征及河流水系

楚雄州位于横断山脉和云贵高原的过渡地带，在东经100˚43'~102˚30'，北纬24˚13'~26˚30'之间，属云贵高原西部、滇中高原的主体部位，东接春城昆明市，北连四川省攀枝花市和凉山彝族自治州，西邻大理白族自治州、丽江市，南界玉溪市、普洱市，是省会昆明市西出滇西七州市及缅甸国的必经之地，故有“省垣门户”、“迤西咽喉”之称 [3]。全州国土面积28,448.2 km²，总人口273.9万人，总耕地面积366,467 hm²。境内多山，山地面积占总面积的90%以上，其间山峦叠嶂，诸峰环拱，谷地错落，溪河纵横，素有“九分山水一分坝”之称。

楚雄州属亚热带高原季风气候，夏秋季受来自印度洋面、孟加拉湾气流影响，湿润深厚，水气充沛，冬春季受流经北非、中东以及印度次大陆的气流影响，温暖干燥，降水量偏少。由于受地形影响，山高谷深，气候的区域差异和垂直变化明显，州内寒、温、热3种气候类型俱全，具有立体气候的特点，其中元谋盆地和金沙江、元江河谷素有“天然温室”之称。州内大部份地区日照值大。全州总的气候特征是冬夏短、春秋季长，季节变化不明显；年温差小，日温差大；干湿季分明，雨热同季；日照充足，霜期较短；降水量偏少，春夏旱重；同时由于地形海拔的差异，形成的气象、水文要素时空分布复杂，小气候特征明显 [4]。

楚雄州境内共有100 km²以上河流101条，有50 km²以上河流184条，分属长江、红河两流域，州境分水岭以北为长江流域，范围涉及除双柏县外的8县1市地区，流域面积占全州总面积的58.3%；主要支流自西向东有：渔泡江、多底河、湾碧河、万马河、蜻蛉河、龙川江、勐果河、黑鲁拉河等，流向都是由南向北，在平面上呈树枝状和平行状水系 [5]。州境南部为红河流域，流域涉及双柏全县及南华、禄丰、楚雄3县市的部分地区，流域面积占全州面积的41.7%；主要有礼社江、马龙河、绿汁江以及13条小支流，均系从北向南流。

3. 降水量分析计算

3.1. 采用资料及代表性分析

3.1.1. 资料采用情况

考虑雨量系列代表性的要求，降水量系列统一采用1956~2016年(61年)和1980~2016年。根据楚雄州第三次水资源调查评价中的统计成果，经插补延长，全州具有1956~2016年完整系列的降水站点有26个，站网密度9个/万km²；具有1980~2016年完整系列的降水站点有52个，选用雨量站点统计成果见表1。

表1. 各流域选用雨量站点统计表

3.1.2. 资料代表性分析

选取观测资料在61年以上且包含1956~2016年系列、1956~2000和1980~2016年系列的雨量站，分别计算长系列、61年系列、45年系列、37年系列等四个系列的统计参数及不同频率的年降水量，分析评价1956~2016年、1956~2000年和1980~2016年系列的代表性。采取统计参数稳定性分析和频次分析两种方法来论证长短系列的代表性。

1) 统计参数的稳定性分析是基于长系列统计参数比短系列统计参数的代表性相对较好这一基本假定，即长系列统计参数更接近于总体，故以长系列统计参数为标准来检验短系列资料的代表性 [6]。以2016年为起点，计算系列长度n = 5、10、15、20等每5年滑动的统计参数。然后用均值模数Kx和Kx − 1，变差系数模数K_Cv和K_Cv−1作为评定不同系列长度统计参数稳定性的标准。

分析结果表明：① 均值模数大都在20年以后逐渐趋于稳定。20年后Kx的变化范围在0.95~1.05内的占总统计站数的93%；若将变化范围缩小到0.98~1.02，则约有74%以上的站数能满足要求。因此，降水量多年平均值的代表性结果显示：当降水量系列长度达到20年以后，绝大部分系列的均值基本趋于稳定，仅有极少数站系列的均值变化幅度较大；当系列长度达到40年以上时，Kx值在1.0附近很小的范围内波动，而Kx − 1已接近于0，说明均值已经趋于稳定。② K_Cv的变化较均值不易稳定。大部份雨量站降水量系列需在20年以上C_v值的变化范围才慢慢缩小，当系列到达40年以后，K_Cv的变化逐渐趋近1.0，基本稳定下来，也就是说资料系列达到40年以上的站C_v值才有较好的代表性(表2，图1，图2)。

表2. 楚雄州主要降水代表站的Kx、K_Cv计算成果表

图1. 楚雄水文站Kx值过程线

图2. 楚雄水文站K_Cv值过程线

2) 频次分析。选取3个资料系列比较长的站点作为分析依据，判断有限样本与总体的偏离程度，用系列频率计算适线后的频率曲线代替总体分布，按频率小于12.5%、12.5%~37.5%、37.5%~62.5%、62.5%~87.5%、大于87.5%分别将年降水量划分为丰水年、偏丰年、平水年、偏枯年、枯水年五种年型，按这个标准分别统计不同系列出现的频次百分比，并以此来论证不同系列频率曲线经验点据分布的代表性，根据五种年型出现的频次接近总体频次分布，则可判断系列的代表性是否良好。分析结果表明：61年资料系列各频次接近长系列各频次的百分比，因而其代表性较好。37年资料系列各频次与长系列各频次有一定差异，即该系列代表性稍差。主要代表站年降水量长短系列丰、平、枯水年出现频次见表3。

表3. 代表雨量站长短系列频次分析计算表

3.2. 降水量分析计算

根据26个具有1956~2016年长系列雨量站资料作主要计算站，其他具有近30年资料的50个站作参考，对各站降雨资料，首先采用公式(1)计算其经验频率 $p$，而后采用公式(2)计算均值 $\bar{x}$，变差系数 $c_v$ 和偏态系数C_S等统计参数，计算公式如下：

$p=\frac{m}{n+1}\times 100\%$ (1)

$\bar{x}=\frac{x_1+x_2+\cdots x_n}{n}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}xi}$，$c_v=\sqrt{\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{\left(ki-1\right)}^2}}{n-1}}$，$ki=\frac{xi}{\bar{x}}$ (2)

上述公式中：xi—降雨量，m—系列顺位，n—系列项数。降水资料系列经与理论频率曲线进行适线后(取C_s = 2C_v)，确定最终采用的统计参数值 $\bar{x}$，$c_v$，C_S [7]。由计算得到的各站降水量均值、 $c_v$ 成果，根据县级行政分区图、地形地貌，森林植被和气候特征采用ArcGis软件自动绘制和人工经验修订相结合的方法绘制楚雄州1956~2016年多年平均降水量、 $c_v$ 等值线图，并用面积加权法量算楚雄州及各县(市)多年平均降水量见表4。

表4. 楚雄州及各县(市)多年平均降水量成果表

4. 降水量年内分配、水平地带和垂直分布规律、年际变化特征分析

4.1. 降水量影响因素

由于地理环境因素的影响，气象要素分布较为复杂。楚雄州位于云南高原腹地，连绵的哀牢山横亘在本州西南部，使楚雄州处于西南气流的大背风坡一侧，盛夏的东南气流虽沿元江河谷北上，由于沿途地势不断抬高，以及受乌蒙山余脉的影响，水气含量减少，所以影响楚雄州的东南气流一般情况下不会造成大范围的强降水天气，使楚雄州成为云南省降水量最少的地区之一 [8]。另外，楚雄州地形呈畚箕状，向东南开口，影响的楚雄州的冷空气多数由东向西推进，横贯楚雄州中部，北部地区反而较中部地区受冷空气影响的次数要少，因此在相同海拔高度上，中部地区气温要比北部、南部偏低。北部的金沙江沿岸地带，四周高山环抱，地形封闭，越山气流的效应明显，因而气温较高，雨量较少 [9]。

4.2. 降水量年内分配和水平地带分布分析

全州降水量偏少，年均降水量800~1100 mm，是全省最干旱的地区 [10]。从年内分配过程来看，全州降雨量较为集中，降水量主要集中在汛期(5~10月)，一般占全年的80.8%~95.7%，枯期(11~4月)降水量一般占4.3%~19.2%。连续最大四个月降水量占全年降水量百分比的变化范围为61.3%~83.0%，最大的是元谋等干旱坝区，最小是礼社江右岸等丰水地区。全州最大四个月降水量的出现时间一般为6~9月，降水量的年内分配十分不均，干旱地区降水量年内分配更不均匀。降水量的年内分配不均，直接造成水资源的分配不均。在枯季，水资源的需求最大，但降水量少，形成巨大的供需矛盾，对农业生产极为不利。

在选用的52个雨量站中，实测最大年降水量为双柏县岔河站1986年的2062.8 mm，最小是大姚县皮苴黑站1997年307.5 mm，两者相差6.7倍。就多年平均降水量而言，最大值为双柏岔河站，达1629.2 mm，最小为元谋县多克水文站为639.5 mm，两者相差约3倍。大气环流和水汽来源决定了楚雄州年降水量总的分布趋势是由北部、中部向东、南、西三面逐渐增多。根据年降水量的大小，把楚雄州降水量分为多雨区、中雨区和少雨区 [11]。① 多雨区(降水量 ≥ 1200 mm)：西南部多雨区：主要分布在南华县五台山、马街、兔街，楚雄市西舍路、双柏县腭嘉一带；② 少雨区(降水量 < 700 mm)：金沙江河谷少雨区，主要分布在元谋县姜驿、江边；③ 其余地区都属中雨区 [12]。

4.3. 降水量降水量垂直变化分析

楚雄州地形极为复杂，山高谷深，在高山区的局部范围内，年降水量随高程增加而增大，为了分析降水在山区的分布规律，解决高山无资料地区降水量的问题。根据实测资料、地形、气候条件等，选择52个分析区建立降水–高程关系分析规律(图3、图4)。共采用52个雨量站的多年平均降水量和站点高程资料，分区建立降水–高程的关系，长江流域I线是姚安县栋川镇、太平镇、官屯乡一带；II线主要是大姚县金碧镇、龙街镇、桂花镇、姚安县弥兴镇、左门乡，元谋县元马镇、物茂乡、黄瓜园镇、老城乡；III线指禄丰县广通镇、土官镇，元谋县羊街镇及牟定县范围内；IV线是永仁县中和街镇、永兴乡，大姚县石羊镇，V线是指元谋县姜驿乡。红河流域I线是指楚雄市大地基乡、三街镇，双柏县妥甸镇、法脿镇；II线是指双柏县安龙堡乡、大庄镇，禄丰县一平浪镇、和平镇、中村乡、仁兴镇、碧城镇，III线是双柏县大麦地镇、爱尼山乡、独田乡，IV线是礼社江左岸，V线是礼社江右岸。

图3. 楚雄州长江流域(1956~2016年)降水量与高程关系图

图4. 楚雄州红河流域(1956~2016年)降水量与高程关系图

4.4. 降水量年际变化分析

从选用的52个雨量站降水资料看，各站最大年降水量与最小年降水量的比值最大为4倍，大于3倍的站有4个，大于2倍的站有43个，其余的在2倍以下。由此可见，降水量的年际变化大，变化较大的是降水量较少的干旱地区，变化较小的是降水量较多的湿润地区。年降水量变差系数C_v值的大小，是体现降水量多年变化的指标。C_v值大表示各年间的降水量变化大，反之则小。全州各单站的C_v值变化范围在0.14~0.24之间。从C_v等值线图看，全州没有明显的地带性规律，只是降水量多的地区的C_v值普遍比降水量少的地区小。受大气环的影响，楚雄州各地降水量系列丰水年和枯水年交替出现，具有明显的周期性，据统计一般是枯水年组多于丰水年组，且枯水年组出现的频次高，持续时间较长。特别是2003~2005年和2009~2013年的枯水年组，影响较大，导致多年平均降水量减少。

4.5. 降水量年内分配情况分析

全州选取12个系列长且各月资料都齐全的雨量代表站，分析不同频率的降水量月分配。典型年的选择依据是：1) 实测年降水量接近某一保证率的年降水量；2) 月分配对农业需水和径流调节等较为不利；3) 所选典型年，其年、月降水量均为实测值。从年内分配过程来看，降水量主要集中在汛期(5~10月)，一般占全年的80.8%~95.7%，枯期(11~4月)降水量一般占4.3%~19.2%。连续最大四个月降水量占全年降水量百分比的变化范围为61.3%~83.0%，最大的是元谋等干旱坝区，最小是礼社江右岸等丰水地区。全州最大四个月降水量的出现时间一般为6~9月，降水量的年内分配十分不均，干旱地区降水量年内分配更不均匀。典型代表站月降水量分配过程见图5。降水量的年内分配不均，直接造成水资源的分配不均。在枯季(11~4月)，水资源的需求最大，但降水量少，形成巨大的供需矛盾，对农业生产极为不利 [13] [14]。

图5. 典型代表站月降水量分配过程图

5. 结论

1) 楚雄州降水量资料系列30年以上已具有代表性，40年以上资料系列代表性较好。

2) 楚雄州多年平均降水量879.1 mm，在县(市)级行政区中其中南华县最大为939.7 mm、元谋县最小为736.8 mm。

3) 降水量受地形地势、地貌、植被、地理位置及局部小气候等因素的影响，时空分配和地区分布极不均匀，年际变化大：地区总的分布趋势是由北部、中部向东、南、西三面逐渐增多，降水随高程增加而增大。降水量主要集中在汛期(5~10月)，一般占全年的80.8%~95.7%，枯期(11~4月)降水量一般占4.3%~19.2%。全州各单站的C_v值变化范围在0.14~0.24之间；从C_v等值线图看，全州没有明显的地带性规律，只是降水量多的地区的C_v值普遍比降水量少的地区小。楚雄州各地降水量系列丰水年和枯水年交替出现，具有明显的周期性。

文章引用

曾艳芬,涂 进. 云南省楚雄州多年平均降水量时空变化及地区分布规律分析
Analysis of Spatial-Temporal Variation and Regional Distribution Law in Annual Mean Precipitation over Chuxiong Prefecture, Yunnan Province[J]. 气候变化研究快报, 2022, 11(02): 170-179. https://doi.org/10.12677/CCRL.2022.112017

参考文献