山東省近55年來極端降水的時空變化與災害效應研究

蘇 敏，岳大鵬，趙景波，王曉寧

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119)

0 引言

在全球氣候變化影響下，區域以及全球的水循環呈加劇趨勢，降水以及強降水的空間分布發生了顯著變化[1-2]。IPCC第5次評估報告指出：在總降水量增大的區域，極端降水事件極有可能以更大的比例增加，即使在部分平均降水量減少的地區，極端強降水事件也存在增加趨勢[3]。極端降水會誘發干旱、洪澇、滑坡、泥石流等災害，嚴重威脅著人民生命和財產安全[4-5]，引起各國學者的廣泛關注，是當前研究的熱點問題?？卒h等從“全球-大洲-區域”3個尺度對比分析了極端降水的時空格局變化研究結果，指出極端降水相對于平均降水對自然因子和人文因子的響應更加敏感[6]。翟盤茂等指出中國極端強降水平均強度和極端強降水值都呈增加趨勢，極端強降水事件也趨于增多[7]。龍妍妍等研究表明，極端降水事件空間分布具有明顯的區域性差異，在長江中下游地區、華南地區、西北地區表現為增加趨勢，在東北地區、華北地區、西南部分地區表現為減少趨勢[8]。景丞等利用區域氣候模式CCLM對2016～2050年中國極端降水事件進行預估，結果表明：在未來不同情景下，均有可能發生強度或影響面積超過基準期最大值的事件，其中影響面積大的事件多發生在華北和東北，強度大的事件多發生在西南和華南[9]。

山東省受地理位置、水文氣象、地形地貌等因素的影響，年內降水時空的分布差異明顯，旱澇災害頻繁發生，嚴重的旱澇災害給人民生產生活與生態環境帶來了不利影響。因此很多學者研究了山東省極端降水的時空演變特征。董旭光等利用山東省121個氣象站1961～2010年逐日降水觀測數據，分析了山東省近50 a來的降水日數和降水強度的氣候特征、變化趨勢和變異場、突變、周期性等特征，認識到山東省降水日數總體呈極顯著減少趨勢，大雨日數減少和暴雨強度增強的趨勢較明顯[10]。郭元喜等采用線性趨勢法對山東省年極端降水量、年極端降水頻率、年極端降水強度、大雨日數、暴雨日數進行了研究，發現極端降水事件在山東省境內呈減少趨勢[11]。李勝利等利用山東省117個氣象站1961～2010年逐日降水觀測數據，選取了9個極端降水指數，分析了區域內長時段及短時段極端降水的時間變化趨勢和空間分布規律，指出不同地區2個時段各極端降水指數的變化趨勢并不相同，短時段各地區不同極端降水指數的變幅更大[12]。張勝平等基于山東省建國以來氣溫與水文資料研究了氣候變化對山東降水及極端天氣氣候事件的影響，指出隨著氣候的變化，山東省年降水量及汛期降水量呈減少趨勢，導致極端天氣氣候事件出現的頻率、強度都呈增大的趨勢[13]。范蘇丹等通過對山東省117個測站夏季逐日降水資料的統計分析，指出全省大部分地區夏季極端降水頻次和強度都存在增加趨勢，尤其在魯中及其以南地區呈明顯增加趨勢[14]。但是，前人研究多集中于山東省極端降水的變化特征，并未具體分析極端降水變化與氣象災害事件之間的關系及其空間差異。本文對近55 a來山東省極端降水的時空變化特征進行進一步研究，討論極端降水指數的時空變化及其引發的氣象災害空間差異，以期為研究區災害防控提供理論依據。

1 研究區概況、數據來源與方法

1.1 研究區概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游地區，界于北緯34°23′～38°24′、東經114°47′～122°43′之間。山東省呈現中部突起四周凹陷平坦的地貌，其中中部山地突起，西南、西北低洼平坦，西部及北部為黃河沖積平原，中南部為山地丘陵，東部半島以起伏和緩的山地丘陵為主。山東省氣候屬典型的溫帶大陸性季風氣候區，地處副熱帶與西風帶過渡地帶，華北平原與江淮平原之間。降水量時空分布不均，多年(1961～2015年)平均降水量為676.3 mm，年最大降水量達1121.1 mm(1964年)，而最小僅427.0 mm(2002年)；年內差異明顯，汛期(4～9月)和主汛期(6～8月)降水量分別占到全年降水量的85%、62%。在空間上，降水量呈現由東南向西北逐漸減小的趨勢[15]。

1.2 數據來源與研究方法

本文所用降水數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)提供的地面日值數據集。由于研究區氣象站點的建站時間不同，資料的年份長短不一且存在一些缺測數據，剔除了缺測較多的臺站，缺測5 a以內的站點按照實際年份計算，最后選取了山東省22個氣象站點的逐日降水數據(圖1)。

選用世界氣象組織(WMO)發布的21種極端天氣指數中的9項極端降水指數(表1)，通過RClimDex軟件計算得到各氣象站點的極端降水指數值。采用線性回歸法和5 a滑動平均法分析極端降水時間序列的趨勢變化。利用M-K突變檢驗聯合滑動t檢驗檢測極端降水的突變情況。利用Morlet小波分析法檢測極端降水的周期變化規律。利用普通克里金空間插值方法分析極端降水的空間分布規律。

圖1 山東省氣象站點分布圖

表1 極端降水指數名稱及其定義

2 結果與分析

2.1 山東省近55 a來極端降水時間變化趨勢分析

利用線性回歸和5 a滑動平均法得到了1963～2017年山東省各極端降水指數時間變化趨勢(圖2、表2)。僅有持續濕期通過0.05水平的顯著性檢驗，表明持續濕期在近55 a間下降趨勢顯著，但變化幅度較小，傾向率為-0.13 d/10 a。持續干期、極端強降水量、降水強度呈不顯著的增加趨勢，其傾向率分別為0.43 d/10 a、1.57 mm/10 a、0.11 mm/(10 a)d。從5 a滑動平均來看，持續干期在20世紀60年代到80年代較為平穩，90年代波動起伏較大，21世紀變化的幅度較小。極端強降水量在20世紀60年代后期、80年代至90年代中期有明顯的上升趨勢，其余時段以下降為主，降水強度與極端強降水量的變化趨勢基本一致。其余6個極端降水指數都呈下降趨勢。從5 a滑動平均來看，持續濕期在20世紀90年代前呈現明顯的下降趨勢，后期略有上升。年降水量、強降水量、大雨日數、日最大降水量、5 d最大降水量呈不顯著的下降趨勢，傾向率分別為-9.64 mm/10 a、-1.08 mm/10 a、-0.12 d/10 a、-0.05 mm/10 a、-0.94 mm/10 a。年降水量、強降水量、大雨日數在20世紀80年代前、2000年后上升與下降趨勢的波動明顯，1980～2000年間較為平穩。日最大降水量、5 d最大降水量都在20世紀70年代和2006年后明顯下降。

2.2 山東省近55 a極端降水突變分析

對1963～2017年山東省各站點極端降水指數均值進行M-K突變檢驗(圖3)，并結合滑動t檢驗判斷突變點。由圖3可知，持續干期的UF和UB曲線在置信區間有多個交點，UF曲線基本處于0之上，但沒有超過0.05顯著性水平區間，結合滑動t檢驗，發現沒有明顯的突變年份。持續濕期的UF和UB曲線在1968年、1971～1972年之間、1972～1973年之間、1974～1975年之間有4個交點，在1975年前呈波動的上升-下降趨勢，1975年后呈下降趨勢，在1980年后呈顯著的下降趨勢，結合滑動t檢驗，可知持續濕期在1975年發生突變。年降水量的UF和UB曲線在置信區間有多個交點，UF曲線基本處于0之下，僅有一年超過0.05顯著性水平區間，結合滑動t檢驗，年降水量在1975年發生突變。強降水量的UF和UB曲線在1964和1965年之間、1998年、2002年、2014年、2017年出現交點，結合滑動t檢驗，可確定強降水量在2002年發生突變。極端強降水量的UF和UB曲線相交于1993年，并通過滑動t檢驗驗證，表明極端強降水量在1993年發生突變。大雨日數的UF和UB曲線在置信區間有多個交點，結合滑動t檢驗，可知大雨日數在1975年、2002年發生了突變。日最大降水量、5 d最大降水量的UF和UB曲線有若干交點，結合滑動t檢驗，沒有發現明顯的突變年份。降水強度的UF和UB曲線相交于1964年、1993年、2014年左右，結合滑動t檢驗，降水強度在1993年發生突變。

圖2 山東省極端降水指數的時間變化

表2 極端降水指數變率分析

2.3 山東省近55 a來極端降水周期分析

對1963～2017年山東省各站點極端降水指數均值進行小波分析，得到小波系數等值線圖。圖4中實線表示正值，代表極端降水指數值較大；虛線表示負值，代表極端降水指數值較小。由圖4可知，持續干期存在2～5 a、7～8 a、10～14 a三類尺度的周期變化規律，其中2～5 a的周期變化在21世紀表現明顯；7～8 a的周期變化出現在20世紀70年代至80年代初；10～14 a的周期變化規律在20世紀70年代之后表現明顯。總體來看，10～14 a周期是主導周期，呈現“少-多-少-多-少-多”的變化。持續濕期存在3～5 a、7～10 a、18 a三類尺度的周期變化規律，其中3～5 a的周期變化表現不明顯；7～10 a的周期變化較為復雜；18 a的周期在20世紀80年代末至21世紀初比較明顯，呈現“多-少-多”的變化。年降水量存在2～5 a、7～9 a、18 a三類尺度的周期變化規律，其中2～5 a的周期變化表現不明顯且不連續；7～9 a的周期變化在70年代中期之前表現明顯；18 a的周期變化出現在20世紀70年代中期之后，且表現明顯，呈現“少-多-少-多”的變化。強降水量存在2～5 a、7～9 a、15～18 a三類尺度的周期變化規律，其中2～5 a的周期變化表現不明顯；7～9 a的周期變化在20世紀60年代及70年代表現明顯；15～18 a的周期變化在20世紀80年代至21世紀初比較明顯，呈現“多-少-多”的變化。極端強降水量存在2～5 a、7～9 a、15 a三類尺度的周期變化規律，其中2～5 a的周期變化不明顯且不連續；7～9 a的周期變化貫穿整個研究時段；15 a的周期僅出現在21世紀；7～9 a周期總體表現出“多-少-多-少-多-少-多-少-多-少-多”的變化。

圖3 山東省極端降水指數的M-K突變檢驗

大雨日數存在2～5 a、7～8 a、18 a三類尺度的周期變化規律，其中2～5 a的周期變化不明顯且不連續；7～8 a的周期變化在20世紀70年代初之前較為明顯；18 a的周期變化最為強烈，出現在20世紀70年代中期之后，呈現“少-多-少-多”的周期變化。日最大降水量存在6～8 a、16 a兩類尺度的周期變化規律，其中6～8 a的周期變化不連續；16 a的周期出現在20世紀90年代之后，較為明顯，呈現“多-少-多”的周期變化。5 d最大降水量的周期分布與日最大降水量基本一致，總體呈現“多-少-多”的周期變化。降水強度存在6～8 a、18 a兩類尺度的周期變化規律，其中6～8 a的周期表現不明顯且不連續；18 a的周期表現最為強烈，呈現“少-多-少-多”的周期變化。由此可知，各極端降水指數存在更長時間尺度的周期變化，但由于數據時長限制并未顯現。

2.4 山東省近55 a來極端降水空間差異

利用克里金空間插值獲得1963～2017年山東省9個極端降水指數的變化趨勢在區域上的連續空間分布。從圖5可以看出，各極端降水指數呈現出較為顯著的空間差異。持續干期在西部地區與東部沿海地區增加趨勢明顯，從東部及西部向中部增加趨勢逐漸減弱；章丘、濰坊、平度一帶以北地區呈現下降趨勢。持續濕期整體呈下降趨勢，從北向南下降趨勢逐漸增加；僅有威海及成山頭2個站點呈微弱上升趨勢。年降水量增減幅度變化較大，膠東半島及魯東南地區下降趨勢明顯，減幅為0～31.61 mm/10 a，以威海市成山頭減幅最顯著；濟南、章丘附近增加趨勢明顯，增幅為0～17.53 mm/10 a，以濟南增幅最顯著。強降水量在魯西北及魯中部分地區、膠東半島北部地區增加趨勢明顯；從中部向東部及西部下降趨勢逐漸增強，在魯東南地區下降趨勢最明顯。極端強降水量呈增加趨勢的站點占大多數，在魯西北、魯中、魯西南部分地區增加趨勢顯著；其余站點呈下降趨勢，以膠東半島東部下降趨勢最顯著。大雨日數和降水強度變化幅度較小，大雨日數變化趨勢位于-0.36～0.31 d/10 a之間，降水強度變化趨勢位于-0.15～0.38 mm/(10 a)d之間。大雨日數呈增加趨勢的站點主要分布于魯中地區；除中部地區外，其他地區呈微弱下降趨勢，從西部到東部下降趨勢逐漸增強。降水強度在魯中及魯西北部分地區以及膠東半島北部增加趨勢明顯；僅有莒縣、海陽附近地區呈明顯下降趨勢。日最大降水量的東西向變化明顯，龍口、沂源、費縣一帶以東呈下降趨勢，以西呈增加趨勢。5 d最大降水量在魯西北地區增加趨勢明顯，魯東南地區下降趨勢明顯，從中部向西北部增加趨勢逐漸增強，從中部向東南部地區下降趨勢逐漸增強?？傮w來看，山東省1963～2017年極端降水在中部及西北部部分地區呈增加趨勢，在半島南部以及東南沿海地區呈下降趨勢，這與華北其他地區的相關研究結論基本一致[16]。

圖4 山東省極端降水指數周期變化

3 討論

3.1 極端降水變化引起的旱災與空間差異

在全球及全國氣候變暖的大背景下，山東氣候呈變暖趨勢，年降水量減少，“暖干化”日趨嚴重[17-18]。山東省年降水量、大雨日數、強降水量、持續濕期等極端降水指數呈下降趨勢，持續干期增加，加劇了干旱化趨勢。徐澤華等研究指出：除魯中山地呈濕潤化態勢外，其他地區均有變干的態勢[19]。結合本文中極端降水指數的變化趨勢，魯西北部分地區以及膠東半島南部的干旱趨勢最為明顯，容易發生旱災。旱災是山東省各種自然災害中發生頻率最高、影響范圍最廣、涉及面積最大的一種自然災害，嚴重制約了山東省的國民經濟發展和農業生產[20]。據統計，1949～2008年間，山東省共發生399次不同程度的旱災，平均每年發生6.65次。2002年，全省17個市均發生了程度不同的嚴重干旱，67.2萬hm2農作物枯死，直接經濟損失達260億元[21]。2010年9月21日至2011年2月24日，山東省出現有氣象水文記錄以來無有效降水持續時間最長、覆蓋范圍最廣的最嚴重的秋冬連旱天氣，全省3441.7萬人受災，農作物受災面積達325.7萬hm2，直接經濟損失91.5億元[22]。從統計數據來看，山東省遭遇的旱災頻次是逐年增長的，1949～1958年間發生旱災25次，1969～1978年間40次，而1999～2008年間高達59次[20]。1977～2004年間，全省每年平均受災面積為245.5萬hm2，相比1961～1976年間的年平均值增加了102.7萬hm2，受災面積也在擴大[23]。

圖5 山東省極端降水指數空間差異

3.2 極端降水變化引起的洪澇災害與空間變化

由于降水量在空間以及時間分布上的非均勻性，山東省比較容易形成旱澇災害[24]。據統計，1949～2008年間，山東省共發生洪澇災害217次，年均發生3.62次，總體上洪澇災害發生頻次呈增長趨勢[20]。強降水是引發洪澇災害的直接原因，洪澇災害的發生與強降水有密切關系[25]，而降水強度的增加對洪災加劇可以起到重要的作用[26]。山東省年降水量集中在汛期，特別是7、8月份，個別年份全年降水量甚至集中在一、二次特大暴雨之中，容易引發洪澇災害[27]。近年來，山東省年降水量、大雨日數等極端降水指數呈下降趨勢，但持續干期、降水強度及極端強降水呈增加趨勢，表明降水越來越集中，干旱與洪澇可能同時增多。苑文華等研究指出：山東省大部分地區干旱化及洪澇災害為加重趨勢，其中魯西北、膠東半島等地干旱化趨勢嚴重，大暴雨洪澇災害也在增多；魯中暴雨以上的洪澇災害及其引發的地質災害增多；魯西南、魯東南暴雨洪澇災害減少[28]。這與本文中極端降水指數變化趨勢空間分布較為一致。洪澇災害是山東省僅次于干旱的一大氣象災害，對人類生活、農業生產、社會經濟等造成巨大的影響。2007年7月18日，濟南遭遇特大暴雨，創下1958年有紀錄以來1 h內最大降雨量，市區1 h最大降水量達151 mm，2 h達167.5 mm，3 h達180 mm，均是有氣象記錄以來的歷史最大值。2013年7月29日至30日，山東省出現大范圍強降雨過程，引發嚴重洪澇災害，造成全省10個市共計89.93萬人受災，農作物受災9萬hm2，成災5.48萬hm2，1.41萬hm2絕收，直接經濟損失達7.3億元。

3.3 極端降水變化可能引起干熱風災害

干熱風是一種高溫、低濕，并伴有一定風力，具有干、熱、風3個氣象要素特征的農業氣象災害性天氣，主要危害小麥[29]。干熱風災害出現在小麥揚花灌漿期間，而山東省是中國小麥生產第二大省，干熱風天氣嚴重影響了小麥生長，導致小麥顯著減產[30]。近年來，風速顯著下降減輕了山東省干熱風的強度，干熱風威脅總體在減輕[31]，魯西北、魯中等干熱風多發區、危害集中區減輕趨勢更明顯。但在極端降水變化影響不同時期和不同區域溫度、濕度、風速等氣象要素組合的背景下，部分年份仍存在發生較重干熱風的可能[32]。如2001年和2014年小麥灌漿期間，黃淮海地區均出現了持續時間較長、重度干熱風面積較廣的干熱風天氣。干熱風災害具有突發性和局地性特點，在山東省“暖干化”加劇的背景下，極端降水的變化會對干熱風災害時空分布格局產生重要影響，當地仍需高度重視干熱風災害的防御工作。

山東作為農業大省，極端降水變化導致氣候變率升高，造成極端天氣氣候事件頻率和強度增加。干旱、洪澇、干熱風等災害頻繁出現，對農業生產產生巨大影響，造成嚴重的經濟的損失，因此研究極端降水的時空演變規律及其災害效應對于合理安排生產、提高防災減災能力有重要意義。

4 結論

(1)1963～2017年山東省極端降水指數的變化趨勢不顯著，僅有持續濕期呈顯著下降趨勢，年降水量、強降水量、大雨日數、日最大降水量、5 d最大降水量呈不顯著下降趨勢，極端強降水量、持續干期和降水強度呈不顯著增加的趨勢。

(2)突變檢驗表明，各極端降水指數中，持續濕期、年降水量在1975年發生突變，強降水量在2002年發生突變，大雨日數在1975年、2002年發生突變，極端強降水量、降水強度在1993年發生突變。持續干期、日最大降水量、5 d最大降水量突變不明顯。

(3)小波分析顯示，各極端降水指數存在2～5 a、6～9 a、15～18 a左右的周期變化，近10 a都處在“偏大期”。

(4)在空間上，持續干期在西部地區與東部沿海地區增加趨勢明顯，持續濕期整體呈下降趨勢。其余7個極端降水指數在魯東南地區及膠東半島南部下降趨勢明顯，在魯中及魯西北的部分地區增加趨勢明顯。

(5)旱澇災害變化空間分布與相關的極端降水指數變化趨勢基本一致。西北部和膠東半島持續干期明顯增加，旱災也呈增加趨勢；西北部及中部山區極端降水量和降水強度增加，洪澇災害也在加劇。此外，該區極端降水的變化導致干熱風總體減少，但是在部分地區未來發生干熱風災害的可能性增加。山東省應當有針對性地采取有效的防災減災措施，減少損失。