濟南市年降水量系列代表性分析

孫 瑩

（濟南市水文局，山東 濟南 250014）

水文現(xiàn)象本身的時序變化不是純粹獨立的，存在著連續(xù)豐水、平水、枯水以及豐枯交替等周期性變化的現(xiàn)象。濟南市地處華北中緯度地帶，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)。春季干旱多西南風，夏季炎熱多雨，秋季氣爽宜人，冬季寒冷多東北風，導致降雨分布不均，對濟南市社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生極大影響。本文針對濟南市降雨量系列的代表性進行分析。

1 概況

濟南市地處華北中緯度地帶，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)[1]。多年平均降水648.0 mm，降水空間分布不均，總的分布趨勢是由東南往西北遞減。降水年際間變化大，各地年降水量極值比為2.8～4.8，年降水量變差系數(shù)為0.26～0.32。受季風影響，季節(jié)之間的降水量極不均勻。汛期降水集中，多年平均汛期降水量為419 mm～568 mm。

濟南市多年平均水面蒸發(fā)量一般在1000 mm～1300 mm之間，平均水面蒸發(fā)量大于降水量，相對差值呈現(xiàn)由東南向西北的遞增趨勢，干旱指數(shù)為2左右，無霜期為192天～238天[2]。

2 年降水量系列代表性分析

系列代表性，即樣本系列的統(tǒng)計規(guī)律對總體統(tǒng)計規(guī)律的代表程度。由于水文現(xiàn)象本身的時序變化不是純粹獨立的，存在著連續(xù)豐水、平水、枯水以及豐枯交替等周期性變化的現(xiàn)象，系列的代表性取決于是否包含豐、平、枯的整個周期，能否反映水文的周期波動、豐枯交替以及特征值的客觀規(guī)律。降水量的代表性直接影響著水資源評價的精度。

2.1 基本資料

本次評價共選用常年雨量站60個，其中市內(nèi)33個，市外27個。市內(nèi)33個雨量站中，海河區(qū)6個，淮河區(qū)14個，黃河區(qū)13個，平均站網(wǎng)密度248 km2/站，分析年降水量統(tǒng)計參數(shù)的穩(wěn)定性，以及1956年～2008年和1980年～2008年兩個同步期年降水量的偏豐、偏枯程度，研究多年系列豐枯周期變化情況，以綜合評判1956年～2008年和1980年～2008年兩個同步期降水量系列的代表性。

經(jīng)分析，所選資料質(zhì)量比較好、系列完整、面上分布相對均勻且能夠反映地形變化對降水的影響；降水量變化梯度較大的山區(qū)所選站點相對較多，降水量變化梯度較小的平原區(qū)站點分布比較均勻。

評價統(tǒng)一采用1956年～2008年（53年）同步期系列資料，實測資料不足53年的進行了插補。采用相鄰數(shù)站均值移用法，插補缺測站點月雨量資料。插補時注意參證站氣象、下墊面條件與本站的一致性。本次評價共采用38160站月資料，其中實測資料33669站月，插補資料4461站月，實測資料占88.2%。

評價中，根據(jù)實測資料系列長短，將選用站分為主要代表站和輔助站兩類。主要代表站，實測資料系列齊全，是分析評價的主要依據(jù)。輔助站，有部分資料缺測，對分析計算起輔助作用。本次評價，主要站38個，占選用站的63%；輔助站22個，占選用站的37%。

選用站資料全部經(jīng)過合理性檢查。檢查內(nèi)容包括:單站不同系列(指1956年～2008年和1980年～2008年系列)降水量的最大值、最小值、均值和CV值正確與否，插補資料采用的方法是否合理，同一自然地理條件下相鄰站的特征值和統(tǒng)計參數(shù)有無突變現(xiàn)象等。對檢查出的問題進行改正或作其他處理，保證數(shù)據(jù)準確可靠。

2.2 統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定性分析

本次選取市內(nèi)具有60年以上觀測資料的黃臺橋雨量站案例，分析降水統(tǒng)計參數(shù)的穩(wěn)定性。以長系列末端2008年為起點，以年降水量逐年向前計算累積平均值和變差系數(shù)CV值（用矩法進行計算），并進行綜合比較分析。均值、CV等參數(shù)均以最長系列的計算值為標準，從過程線上確定參數(shù)相對穩(wěn)定所需的年數(shù)[3]。

黃臺橋站年降水量逆時序累積平均過程線和逆時序變差系數(shù)CV過程線，見圖1～圖2。

圖1 黃臺橋站年降水量逆時序逐年累積平均過程線

從圖中可看出，降水量均值和CV值逆時序逐年累積平均過程線隨年序變化，其變幅愈來愈小，統(tǒng)計參數(shù)均值和CV值達到穩(wěn)定時間，約30年相對穩(wěn)定，約50年基本穩(wěn)定。

圖2 黃臺橋站CV值逆時序逐年累積平均過程線

2.3 長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析

對比1956年～2008年和1980年～2008年兩個短系列以及長系列的均值和CV值，分析計算短系列與連續(xù)長系列統(tǒng)計參數(shù)的比值，即代表性模數(shù)和Kcvn=Cvn/CcN，式中和分別為長短系列年降水量平均值，CVN和CVn分別長短系列的CV值，從長短系列統(tǒng)計參數(shù)的比較，評定不同長度系列的代表性，見表1。

可以看出，兩個系列的均值和CV值與長系列統(tǒng)計參數(shù)都比較接近，但略微偏大。1956年～2008年系列均值比長系列偏大 2.8%，CV值偏大 3.2%；1980年～2008年系列均值偏大1.1%，CV值偏大6.5%。

總的來說，從統(tǒng)計參數(shù)代表性模數(shù)來看，兩個系列的代表性差異不大，都比較接近總體分布。

表1 黃臺橋站長短系列統(tǒng)計參數(shù)誤差統(tǒng)計表

2.4 長短系列不同年型頻次分析

對不同樣本長系列的頻率曲線[4]代表總體分布，按頻率劃分為 ＜12.5%(豐水年)、12.5%～37.5%（偏豐水年）、37.5%～62.5%（平水年）、62.5%～87.5%（偏枯水年）和＞87.5%（枯水年）5種年型，通過統(tǒng)計不同系列出現(xiàn)的頻次，分析短系列5種年型出現(xiàn)的頻次情況。若短系列5種年型出現(xiàn)的頻次接近于長系列的頻次分布，則認為短系列資料的代表性較好。

表2 黃臺橋站長短系列豐、平、枯年型頻次分析統(tǒng)計表

從表2中可見，兩個短系列5種年型出現(xiàn)的頻次都比較接近長系列的頻次分布，即兩個系列的代表性都比較好，但1956年～2008年系列代表性要比1980年～2008年系列更好一些。

2.5 連豐、連枯水年分析

連豐、連枯分析一般采用偏豐水年和豐水年，Pi＞（PN+0.33σ），相應(yīng)頻率 P＜37.5%；偏枯水年和枯水年，Pi＞（PN+0.33σ），相應(yīng)頻率P＞62.5%。其中，PN為多年平均年降水量；Pi為逐年年降水量；σ為均方差。

根據(jù)黃臺橋站年降水量長系列適線成果，按照上述判別標準，偏豐水年和豐水年年降水量大于708mm，偏枯水年和枯水年年降水量小于582mm。選擇2年或2年以上的連豐年和連枯年，從連豐、連枯分析成果看，降水量豐、枯持續(xù)時間，連豐年數(shù)為2年～3年，連枯年數(shù)為2年～4年，連續(xù)枯水的年數(shù)略多于連續(xù)豐水的年數(shù)。

長系列（1931年～2008年）出現(xiàn)連豐年7次，連豐年數(shù)為2年或3年，其中有4次連豐年數(shù)為2年，3次為3年；出現(xiàn)連枯年6次，連枯年數(shù)為2年～4年，其中有3次連枯年數(shù)長達4年；但長系列總豐年數(shù)30年和總枯年數(shù)29年相差很小。

1956年～2008年系列，出現(xiàn)連豐年5次，其中3次連豐年數(shù)為3年，2次為2年；出現(xiàn)連枯年4次，其中2次連枯年數(shù)為4年，其它2次各為2年和3年；總豐年數(shù)23年，總枯年數(shù)20年，相差不大。

1980年～2008年系列，出現(xiàn)連豐年3次，其中2次連豐年數(shù)為3年，1次為2年；出現(xiàn)連枯年3次，連枯年數(shù)各為2年、3年和4年；總豐年數(shù)12年，總枯年數(shù)11年，相差很小。

總之，根據(jù)連豐、連枯水年分析結(jié)果，1956年～2008年和1980年～2008年兩個系列的代表性都比較好。

3 分析結(jié)果

上述統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定性分析、長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析、長短系列不同年型頻次分析、連豐、連枯水年分析的結(jié)果顯示，1956年～2008年和1980年～2008年兩個系列的代表性都比較好，其中又以1956年～2008年系列代表性要更好一些。

4 結(jié)語

城市化、水土保持、大規(guī)模開發(fā)利用水資源、跨流域調(diào)水等人類活動改變了下墊面條件和水資源時空分布及其相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。水資源評價通過系列一致性分析，間接考慮了人類活動對水資源變化的影響，成果基本滿足水資源綜合規(guī)劃的要求。但有些問題仍舊是不清楚的，對人類活動引起水資源演變情勢變化的主要影響因素及變化機理等還有待進一步研究。