德州市多年降水特征及變化趨勢分析

王 霞 ，王麗珠 ，馬書濤

（1.德州市水利局，山東 德州 253014；2.德州市水文局，山東 德州 253014）

德州市地處山東省西北部，屬于黃泛平原，南與濟南以黃河為界。據2017年山東省地下水超采區統計，德州市超采地下水造成的漏斗面積為1682 km2，占總面積的16.3%。德州市的水資源主要來自引用黃河水[1]及貯存汛末雨洪資源相結合。因此對該地區長時間序列的降水特征進行研究分析，不僅有助于加強區域水資源管理和旱澇災害防治，而且有助于改善該地區的地下水超采及水生態環境問題。

1 分析方法

1.1 降水不均勻系數和降水變差系數

降水量的年內分配均勻情況，采用降水不均勻系數[2]（CL）來表示。公式為：

其中：P0為月均降水量；Pi為超過月均降水量者；n為大于月均降水量的月份個數；P為年均降水量。

不均勻系數的值愈大，說明年降水量的年內分配愈不均勻。

降水量的年際變化情況這里采用變差系數CV表示。CV反映年降水量相對多年平均值的離散程度，反映年降水量在研究時段內的相對變化程度[3]。CV值越大，降水量的年際變化越大；反之，年際變化越小。其公式為：

式中：xi為年降水量，x為多年平均降水量，n為序列長度。

1.2 Mann-kendall法

近年來，Mann-kendall統計檢驗法常被用來預測如氣溫、降水、徑流等水文氣象時間序列資料的長期變化趨勢，其方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用水文、氣象等非正態分布的數據，并且檢測范圍寬、認定干擾少、定量化程度高。在Mann-Kendall檢驗中，對檢驗的統計變量，對于給定的置信水平α，如果|Z|≥Z1-α/2，則原假設是不可接受的，即在 α置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢；值為正，表示該系列整體具有上升或增加趨勢；值為負，表示具有下降或減少的趨勢，若|Z|大于等于1.28、1.64和2.32時，表示分別通過了信度90%，95%和99%的顯著性趨勢檢驗。

1.3 Matlab小波分析法

小波分析法是在Fourie-transform的基礎上構建小波函數，通過某一函數反映多時間尺度變化的方法，能夠同時從時域和頻域揭示不同時間尺度的變化特性，適合研究具有多時間尺度特性和非平穩特性的水文時間序列[4]。

1.4 線性傾向估計

線性傾向估計是分析氣候變化趨勢中的一種水文統計方法[5]，其原理是用某一線性方程式表示變量與時間之間的線性關系，即

利用線性傾向估計研究德州地區年降水量的變化趨勢，b為正值，說明降水整體有增多趨勢；b為負值，說明降水整體為減少趨勢；b的絕對值越大，其增多或減少的變化趨勢越明顯。

2 分析與結果

2.1 年內變化

根據降水統計資料，繪制2000年前后年內降水過程如圖1示。從圖1可以看出，德州市降水量年內分配不均勻。計算得1950—2017年、1950—1999年、2000—2017年的年降水不均勻系數分別是0.430、0.436、0.415。降水主要集中在夏季，夏季降水占全年降水的68.0%、68.6%、66.3%，汛期（6、7、8、9月）降水量占全年降水量的75.9%、76.3%、74.8%，最大月降水量都出現在7月，占全年降水量的31.3%、32.6%、27.4%，最小月（1月或12月）降水量僅有3.7 mm，只占全年降水量的0.7%。2000年之后年降水量年內分配比2000年之前較均勻，說明2000年之后極端降水天氣呈現減少的趨勢。

2.2 年際變化

圖1 2000年前后年內降水過程

1）降水量的特征值。德州市1950—2017年共68年的統計資料顯示，德州市降水量分布不均，年際變化大，Cv為0.27，年降水量最大值Pmax達1 049.8 mm，最小值Pmin僅302.4 mm，極值比為3.47，年降水傾向率為-1.187 mm/a，MK值為-1.18，年降水整體呈下降趨勢，但下降趨勢沒有通過90%顯著性檢驗。1950—1999年年降水整體下降趨勢明顯，MK值為-1.82，超過了95%的顯著性檢驗。2000—2017年之后Cv為0.24，極值比為2.50，年降水整體呈現上升趨勢，趨勢不明顯，詳見表1。

2）年降水量及5年滑動平均。1950—2017年年降水量及五年滑動過程線[6]顯示，該地區年降水量在研究時段內整體呈下降趨勢，與上述結果一致，年降水量波動性變化較明顯。20世紀60年代降水量較為豐富，20世紀80年代降水量較為稀少；70年代中期之前在均值以上波動，中期以后處于均值以下；20世紀90年代至2008年一直在均值以下波動，2009年之后降水較豐富；由5年滑動線性趨勢顯示，2017年降水量處于均值以下，進入了枯水期時段，如圖2。

圖2 德州市年降水量變化及5年滑動平均過程

表1 德州市降水量的統計特征

3）非汛期、汛期及年降水量對比分析。對1950—2017年非汛期、汛期及年降水量進行線性估計分析顯示：非汛期降水量整體呈現上升趨勢，但波動性變化不大；汛期及年降水量變化趨勢一致，整體均呈現下降趨勢。由于汛期降水量占年降水的比重較大，兩者的線性變化形狀大體一致。汛期降水量的b值絕對值大于年降水量，說明汛期降水量下降趨勢較年降水量下降趨勢明顯，如圖3。

圖3 德州市年降水量、汛期及非汛期降水過程

2.3 周期變化特征

在對降水量進行小波分析前，先對數據進行距平處理，以消除隨機性，使結果更加合理。

小波實部等值線圖顯示了1950—2017年年降水及汛期降水在不同時間尺度上的變化特征，年降水及汛期降水變化特征及豐枯交替較一致，在較大的時間尺度上都經歷了“枯—豐—枯”的演變特征，而在較小的時間尺度上經歷了10次豐枯循環交替，在更小的時間尺度上，則有更多的豐枯循環交替。2016年在大的時間尺度上處于枯水期，而在較小時間尺度上處于豐水期。由小波方差知道第一主周期為24 a，第二主周期為4 a，見圖 4。

圖4 年降水和汛期降水的小波方差

3 結論

本文根據對德州地區1950—2017年68年的實測逐日降水資料進行統計后加以研究分析，主要得到以下結論：

1）德州市年均降水量為561.6 mm，年降水不均勻系數達0.430，年內分布不均勻，主要集中于汛期（6、7、8、9月）4個月，占到全年的75.9%，最大月降水量占全年降水量的31.3%，最小月僅有0.7%。

2）德州市降水量年際變化大，Cv為0.27，年降水量最大值與最小值之間極值比達3.47，整體呈現下降趨勢，年降水傾向率為-1.187 mm/a，MK值為-1.18，沒有通過90%顯著性檢驗；5年滑動平均過程線顯示年代波動性較明顯；非汛期降水量整體呈現上升趨勢，汛期與年降水量一致，均呈現下降趨勢，汛期的下降趨勢較年降水下降趨勢明顯。

3）2000年之后年降水量年內分配比2000年之前較均勻；2000年之后降水呈現上升趨勢，2000年之前降水下降趨勢明顯，超過了95%的顯著性檢驗。

4）年降水及汛期降水變化特征及豐枯交替較一致，在較大的時間尺度上都經歷了“枯—豐—枯”的演變特征，而在較小的時間尺度上經歷了10次豐枯循環交替；第一主周期為24 a，第二主周期為4 a。

降水量的統計特征及變化趨勢不僅直接關系到德州市的抗旱減災和農業生產，而且影響著德州市漏斗面積的綜合治理及雨洪資源的有效利用，同時也是備受水生態環境的一個重要課題，希望通過對年降水量的詳細分析，為德州市生態環境治理課題提供數據參考。