1959-2018年山東省降水時空分布特征與洪旱演變規(guī)律

盧書梅，楊傳國，谷黃河

( 1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

氣候變暖是20世紀(jì)全球氣候變化的顯著特征[1]。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)報告[2]預(yù)估未來全球氣候變暖仍將持續(xù)，21世紀(jì)末全球平均地表溫度在1986-2005年的基礎(chǔ)上將升高0.3℃～4.8℃。在未來氣候變暖的背景下，中緯度大部分陸地區(qū)域和濕潤的熱帶地區(qū)的強降水強度可能加大、發(fā)生頻率可能增加，全球降水將呈現(xiàn)“干者越干、濕者越濕”的趨勢[2-3]。我國的氣候與環(huán)境也發(fā)生了明顯的變化，在過去2000年中，中國溫度變化的最大年代際變幅為1.1℃，百年際變幅為0.6℃[4]。在氣候變化的背景下，我國各個地方的降水量均發(fā)生不同程度的變化[5-7]。山東省人口眾多，是我國的農(nóng)業(yè)大省、華東沿海經(jīng)濟較為發(fā)達的省份，但同時又是我國自然災(zāi)害較為頻發(fā)的一個省份，其中又以洪旱災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多，對人類生產(chǎn)生活的影響也較大[8-9]。2018和2019年連續(xù)兩年山東省中部地區(qū)的臺風(fēng)極端降雨造成了嚴重的經(jīng)濟社會損失。對氣候變化條件下山東省降水量時空分布變化的研究關(guān)系到國計民生，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

利用旱澇史料及觀測氣象水文數(shù)據(jù)研究降水量變化特征及不同尺度洪旱事件變化規(guī)律已有眾多研究成果。燕玉超等[10]利用1960-2013年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，探究了近54年山東省的旱澇災(zāi)害與氣候變化特征。劉健等[11]利用小波變換方法分析山東省1961-2015年降水的周期變化特征，并預(yù)測山東省未來15年將處于枯水期。徐澤華等[12]綜合利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、反距離加權(quán)平均、Mann-Kendall檢驗以及小波分析等方法，分析了山東近30年降水時空分布特征及其影響因素。楊傳國等[13]運用突變檢驗、頻率計算、小波分析等方法分析淮河流域過去500年洪水干旱的時空分布特征和演變規(guī)律。何慶龍等[14]采用滑動平均、Mann-Kendall突變檢驗、小波分析等方法，研究延安市降水的年代際時空分布特征。彭菊等[15]利用累積距平、回歸擬合等方法研究貴州省1960-2014年的年、最大月降水量的時空變化特征。Bi等[16]利用1644-1911年的降水和旱澇資料，研究中國北方地區(qū)洪旱時空分布特征及干旱、洪水在不同時間尺度上的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)山東地區(qū)的降水量明顯高于其他地區(qū)。

本文以滑動平均、Mann-Kendall檢驗、小波分析、Z指數(shù)等多種方法對山東省1959-2018年的降水變化特征進行分析，并探討其60年來的洪旱演變規(guī)律，以期為認識區(qū)域降雨分布特征和極端事件演變規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)，減少洪旱災(zāi)害帶來的影響。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文所用數(shù)據(jù)資料來自國家氣象信息中心整理的1951-2018年山東省22個地面氣象觀測站測得的降水日數(shù)據(jù)值，所用資料經(jīng)過初步的質(zhì)量檢測。考慮到站點序列的完整性，本文以山東省1959-2018年共60 a逐日降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行研究，根據(jù)測站的實際情況利用歷史資料及鄰近測站降水量數(shù)據(jù)對缺測日資料進行插補(2016、2018年部分站點缺測2003-01-03-10日數(shù)據(jù))，并檢驗其相關(guān)性，以保證資料的精度以及降水序列的完整性。區(qū)域平均降水量通過泰森多邊形法計算獲得。研究區(qū)泰森多邊形及氣象站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)泰森多邊形及氣象站點分布

2.2 研究方法

應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗法來分析年均降水量的變化趨勢及突變情況，該法檢測范圍寬，人為性小，定量化程度高[17]。采用Z指數(shù)法[18]劃分山東省的洪旱等級，Z指數(shù)法假設(shè)某一時段內(nèi)的降水量服從Person-Ⅲ分布，對其進行正態(tài)化處理，轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)公式，轉(zhuǎn)換公式如下：

(1)

表1 Z值旱澇等級指標(biāo)

Morlet小波分析法主要用來分析多年平均降水量的不同時間尺度特征及洪旱演變周期，該方法是傅里葉分析法的突破與發(fā)展，通過小波實部等值線分布，既能反映氣候序列不同尺度周期變化的大小，還能反映變化的時間位置，在氣候分析方面具有較強的適用性[19]。

3 降水時空變化特征分析

3.1 時間變化特征

1959-2018年山東省年降水量變化趨勢和M-K突變檢驗結(jié)果見圖2，春、夏、秋、冬四季降水量變化趨勢見圖3。

圖2 1959-2018年山東省年降水量變化趨勢和M-K檢驗圖

圖3 1959-2018年山東省春、夏、秋、冬四季降水量變化趨勢

由圖2、3可知，1959-2018年山東省多年平均降水量為671.2 mm，具有顯著的年代際變化特征，總體上以1.67 mm/a的速率下降，前20年下降趨勢明顯，但近40年降雨趨勢性變化特征不顯著(圖2(a))。春、夏、秋、冬四季多年平均降水量分別為100.3、416.1、124.9、28.3 mm。四季平均降水量變化各不相同(圖3)。冬季和春季降水無明顯變化趨勢；夏季降水量占全年降水量的62%，總體以1.33 mm/a的速率下降，通過了0.05的顯著水平檢驗，且與年降水量變化特征一致；秋季降水量下降速率較夏季緩慢，為0.63 mm/a。

M-K突變檢驗結(jié)果(圖2(b))表明，1960-1964年UF>0，說明山東省降水量在此段時間內(nèi)呈增加趨勢，其中1961和1964年并達到0.05的顯著水平；1966年之后UF<0，表明山東省降水量自1966年以來整體上一直處于減少趨勢，并在1974年左右發(fā)生顯著性突變，由濕潤期進入干旱期。2000年之后全省降水量呈現(xiàn)增加趨勢，近幾年來有所減少。四季降水量的突變檢驗表明(圖略)，夏季和秋季存在突變點，突變時間在1970年代初期，降水量由多變少；冬季和春季降水量突變特征不顯著。

3.2 空間分布特征

利用反距離權(quán)重插值法繪出山東省1959-2018年平均降水量和傾向率的空間分布圖，如圖4所示。由圖4(a)可以看出，山東省降水量在空間上呈從魯東南部到魯西北部遞減的趨勢。魯中的泰山站因設(shè)在山頂高海拔位置，年均降水量大于900 mm；其次是魯南的日照、臨沂以及棗莊等地區(qū)，年均降水量在800～900 mm之間；再次是魯東半島的石島、海陽以及青島等地區(qū)，年均降水量在700～800 mm之間。降水的低值中心主要位于魯西的朝陽、聊城以及魯北的惠民縣、東營和龍口等地區(qū)，其年均降水量小于600 mm。圖4(b)顯示，山東省大部分地區(qū)的降水量呈減少的變化趨勢，其中下降速率較快的有成山頭、石島、海陽等東部半島地區(qū)，下降幅度達4.62～5.38 mm/a；濟南、兗州、棗莊下降速率較慢，下降幅度為0.06 mm/a左右，而全省中部沂源山區(qū)的多年平均年降水量呈現(xiàn)上升趨勢，上升幅度為0.69～1.45 mm/a。從整體來看，東部的降水量下降幅度大于西部，其中成山頭下降幅度最大，達5.38 mm/a。

圖4 1959-2018年山東省年降水量及其變化傾向率空間分布

圖5給出了1959-2018年山東省四季降水量變化傾向率的空間分布。由圖5可看出，春季魯西地區(qū)降水量略有增加，魯東地區(qū)呈緩慢減少趨勢；夏季降水量全省整體上呈現(xiàn)減少趨勢，魯東沿海和魯西地區(qū)尤為顯著，濰坊和棗莊夏季降水量有一定的增加；秋季降水量全省呈一致性減少趨勢；而冬季全省降水量變化不顯著，魯中地區(qū)有所減少。

圖5 1959-2018年山東省春、夏、秋、冬季降水量變化傾向率空間分布

4 洪旱演變及周期分析

4.1 洪旱時空分布特征

應(yīng)用Z指數(shù)法對山東省1959-2018年旱澇等級進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。表2表明，1959-2018年，山東省發(fā)生重澇3次，分別發(fā)生在1964、1990和2003年，占比為5%，其中以1964年的洪澇災(zāi)害最為嚴重，導(dǎo)致山東全省成災(zāi)面積達279.47×104hm2，最大受災(zāi)面積達329.87×104hm2，嚴重影響了惠民、濟寧等地區(qū)人們的生產(chǎn)生活；發(fā)生大澇3次，分別發(fā)生在1962、1971和1974年，占比5%；發(fā)生偏澇13次，占樣本序列總數(shù)的21.6%，分別發(fā)生在1960、1961等13個年份，其中1960-1961、2004-2005、2007-2008年為連續(xù)偏澇年；發(fā)生偏旱5次，占比8.3%;發(fā)生大旱6次,占比10%；發(fā)生重旱4次，占比6.7%，分別發(fā)生在1981、1986、1989、2002年，如1981年重旱事件，全省受旱面積達412.27×104hm2，成災(zāi)面積229.47×104hm2，受災(zāi)人口達2 100.8×104人。

表2 1959-2018年山東省旱澇等級統(tǒng)計

計算各站點近1959-2018年不同等級洪旱事件發(fā)生次數(shù)，利用反距離權(quán)重插值法插繪出其空間分布圖如圖6所示。由圖6可看出，重澇主要發(fā)生在魯西、魯南及魯東沿海地區(qū)，其中菏澤、青島等地重澇發(fā)生次數(shù)最多。大澇主要發(fā)生在魯西、魯北及魯東南地區(qū)，其中朝陽、德州、東營、臨沂等地大澇發(fā)生次數(shù)最多。重大澇災(zāi)主要發(fā)生在魯西地區(qū)，其中尤以魯南四湖、徒駭馬頰河一帶澇災(zāi)最為嚴重，魯中部的泰山、沂山以及半島地區(qū)洪災(zāi)相對較輕。洪災(zāi)主要發(fā)生在夏秋季節(jié)，與季節(jié)內(nèi)降水量大小密切相關(guān)。

圖6 1959-2018年山東省重澇、大澇、大旱、重旱發(fā)生次數(shù)的空間分布

1959-2018年來山東省旱災(zāi)頻繁，主要發(fā)生在魯中、魯北及半島地區(qū)，其中沂源、朝陽、濰坊、萊陽、棗莊等地區(qū)旱災(zāi)較為嚴重，重旱和大旱空間分布呈反相位關(guān)系，表明全省重大旱災(zāi)分布顯著。干旱主要發(fā)生在春季和夏季，有些年份出現(xiàn)春夏連旱，如1988、1989年等。

4.2 洪旱演變周期分析

多年平均年降水量序列的小波實部等值線可以顯示出降水量序列在不同時間尺度下的周期變化及其位相方面的信息，正負峰在不同時間尺度表現(xiàn)出最大振幅，正值對應(yīng)部分洪澇期和相對較高降水期，負值對應(yīng)部分干旱期。

1959-2018年山東省降水量的多時間尺度頻率分布和小波方差如圖7所示，四季降水量序列的實部時頻分布如圖8所示。

由圖7可看出，存在明顯的16和27 a的低頻周期，山東省年降水量經(jīng)歷了3次豐枯變化；高頻周期年代際特征顯著，1960年代、1990年前后和2000年代4～5 a的周期突出，表明該時段洪旱災(zāi)害頻繁發(fā)生。

圖7 1959-2018年山東省年降水量序列的實部時頻分布和小波方差圖

由圖8可以看出，春季5～10年的周期突出，橫跨整個研究序列，15 a左右的周期主要出現(xiàn)在1980年以前。夏季23～30 a的低頻周期和3～6 a的高頻周期最為顯著，與春季類似，1980年之前也具有15 a左右的周期特征；夏季降水量與年均降水量的周期變化最為相近，表明夏季降水對年降水具有較強的控制作用。秋季15 a左右的周期變化最為突出，而5 a左右的高頻周期主要分布在1970年之前和2000年之后。冬季20 a左右的周期變化最為顯著，同時整個序列具有5～10 a的周期變化。

圖8 1959-2018年山東省春、夏、秋、冬季降水量序列的實部時頻分布

5 結(jié) 論

(1)1959-2018年山東省年均降水量地區(qū)差異大，總體呈現(xiàn)從魯東南向魯西北遞減的梯度變化趨勢，而降水量線性傾向率變化則呈現(xiàn)西增東減的相反變化趨勢，東部及南部降水量減少速度較西部與北部快。多年平均年降水量以1.67 mm/a的速率下降，以1974和1990年為兩個時間節(jié)點，1959-2018年降水量經(jīng)歷了“豐-枯-豐”的周期變化，其中，1970年以前降水量較多。M-K檢驗結(jié)果顯示，近60年來山東省多年平均年降水量突變發(fā)生在1970年代初，前20年降水下降趨勢顯著，后40年降水變化總體平穩(wěn)。其中夏季降水變化特征與年降水變化特征一致，秋季降水以0.63 mm/a的速度減少，而春冬季降水變化趨勢不顯著。

(2)1959-2018年山東省旱災(zāi)、澇災(zāi)發(fā)生頻率較高。從年際尺度看，重大澇災(zāi)平均每10 a發(fā)生一次，重大旱災(zāi)平均每7～8 a發(fā)生一次；從季節(jié)尺度看，澇災(zāi)主要發(fā)生在6-9月份，春旱以及晚秋干旱比較嚴重。從空間上看，魯西、魯南地區(qū)是洪災(zāi)頻發(fā)區(qū)，而旱災(zāi)在全省均有分布，魯中和半島地區(qū)是重旱災(zāi)害頻發(fā)區(qū)。

(3)在洪旱演變規(guī)律方面，小波分析結(jié)果顯示近60年來山東省多年平均年降水量序列存在27、16和5 a左右的周期，其中27 a時間尺度的周期振蕩最強，在此時間尺度下，山東省經(jīng)歷了“豐-枯-豐”的周期變化；1960年代、1990年前后和2000年代洪旱災(zāi)害頻繁。四季周期變化不同，夏季降水量的周期變化與全年降水量的周期變化最相近。