水循环时空变化的规律性分析

虽然地球上的水循环是周而复始、循环反复的,但各水平衡要素并不是不随时间变化,而是有节律性和周期性,有时强度小、有时强度大,有张有弛。最典型的是以年为周期的丰水季节和枯水季节的交替变化。此外还有以数年为周期、数十年为周期、数百年为周期、乃至数千年为周期的枯水与丰水的交替变化。

以年为周期的丰枯变化可以由地球围绕太阳的公转来解释。随着地球在公转轨道上运行,地球上不同地区的太阳入射角、接受的太阳辐射都会发生以年为周期的变化,从而使得各地的气流方向、强度和降水出现以年为周期的变化。

更长周期的丰枯变化,虽然还没有完全研究清楚,但已经发现太阳黑子活动的强弱、地球自转轴角度的偏移、地球公转轨道面的偏移等,对包括降水丰枯在内的气候变化具有重要影响。

水循环的时间变化,使得降水、径流、蒸发等各个水循环要素的时程分布不均匀。这是导致水多时洪水泛滥、水少时干旱缺水的根本原因。

水循环要素的时间变化可以分为趋势性成分、周期性成分和随机性成分。用数学表达式可以表示为:(www.xing528.com)

式中:X表示某一水循环要素;t为时间;a、b、c、ω、θ为参数;ε为随机项;表示趋势项,趋势项可以是线性的,i取值为1,也可以是非线性的,i=1,2,3,…;∑cjsin(ωjt+θj)表示周期项,j=1,2,3,…。

如果一个时间系列在某一时点前后发生明显改变,我们就称其为突变。水循环要素突变现象是一种非线性变化,突变现象的检验是序列阶段划分的基础,它不仅在一定程度上揭示了该流域水循环过程的本质,而且对于整个流域的有效调控有重要作用。掌握水循环演变规律,除分析总体趋势外,还必须判断并检验水循环演化过程中水循环要素突变发生的时间、次数以及变化幅度。

当获得水循环要素的时间系列数据后,就可以用数学统计方法对其趋势性成分、周期性成分、随机性成分以及突变特性进行分析。

自然水循环即水的自然供给,不仅在时间上不均匀,而且在空间上也很不均匀。降水、径流、蒸发等所有水文要素都存在空间差异。正是因为降水和蒸发空间差异大,才造成了地球上湿润区和干旱区的差别,有些地方水多成灾,有些地方水少不够用。