山東省暴雨時空變化特征分析

陳魯鳳 劉 杰 蔡斌斌

(山東科技大學 測繪與空間信息學院，山東 青島 266590)

0 引言

極端降水事件對人類生產生活有著相當重要的影響,近年來國外科學家對全球各地極端降水的趨勢和極值等變化進行了大量研究[1]。1998年,KARL等[2]指出20世紀相比于19世紀的美國年降水量增加了8%,而增加的降水量大部分歸因于暴雨量和暴雨日數的增加。ROY等[3]發現整個19世紀期間印度的極端降水事件發生的頻率處在增加狀態中,并且增加趨勢明顯。全球陸地各氣象站降水觀測數據顯示,在過去20世紀期間,中低緯度地區強降水事件發生的頻率普遍增加[4]。

中國極端降水事件的變化趨勢存在明顯的區域性差異[5]。楊金虎等[6]通過對全國各個氣象站的降水數據研究,發現中國的西北部、青藏高原、長江中下游地區和東南沿海地區的極端降水事件呈現明顯的增加的趨勢。閔屾等[7]通過分析中國20世紀的極端降水事件,研究發現了中國極端降水事件具有時間維度上的持續性和空間分布的區域性等特點。

本次研究在借鑒其他學者研究理論及方法的基礎上[8],運用山東省20個氣象站點的近44年的日降水數據來分析山東省暴雨的時空分布及變化特征。希望通過這一研究,能在一定基礎上揭示山東省暴雨的時空變化特征,對人們的生產生活提供一定幫助。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

降水數據來源于中國氣象科學數據共享網,由于研究時間區間跨度較大,數據精度到日降水量且要有連續性,所以經過篩選選取了山東省境內具有代表性的 20個氣象站點,這20個站點除萊蕪和棗莊外均勻分布在山東省的每個地級市內,并且在沿海多降水地區如煙臺威海等地境內平均有兩個氣象站點,這樣的選擇能對山東省暴雨有更全面的分析。確定站點后,獲取了各站點1970—2013年的月降水量和日降水量數據。

在識別降水量的基礎上確定暴雨事件,其關鍵是確定暴雨的閾值。本次研究采用絕對閾值的方法定義降水日和暴雨日,即根據國家降水等級劃分標準,日降水量≥ 0.1 mm確定為一個降水日,日降水量≥ 50 mm為一個暴雨日[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 反距離權重空間插值法

反距離權重法是一種常用而簡便的空間插值方法,它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均,離插值點越近的樣本點賦予的權重越大[10]。相比于其他插值方法,反距離權重法(Inverse Distance Weight，IDW)插值的自然鄰近關系具有良好的自適應分布特性,其結合自然鄰近關系,可有效地解決參考點分布不均勻問題,是一種自適應的反距離權重的插值方法[11]。

1.2.2氣候傾向率

用xi表示樣本量為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對應的時間,建立xi與ti之間的一元線性回歸方程

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(1)

式(1)的含義是用一條合理的直線表示氣候變量x與其時間t之間的關系,其中a為常數,b為回歸系數[12]。對觀測數據xi及相應的時間ti,回歸系數b和常數a的最小二乘法估計為

(2)

(3)

其中,b× 10即氣候傾向率,單位為mm/10a?；貧w系數b的符號表示氣候變量x的趨勢傾向,b>0,說明隨時間t的增加x呈上升趨勢,b值越大,上升趨勢越明顯,b< 0,說明隨時間t的增加x呈下降趨勢,b值越小,下降趨勢越明顯[13]。

1.2.3小波分析

小波分析能清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期,充分反映系統在不同時間尺度中的變化趨勢,并能對系統未來發展趨勢進行定性估計[14]。當選擇好合適的小波函數后,通過小波變換獲得小波系數,然后利用相關軟件繪制小波系數等值線圖[15]。

2 山東省降水量時空變化特征

2.1 降水量年際變化特征

通過對山東省近44年來的平均降水量趨勢分析(圖1)發現，1970—2013年山東省平均最低降水量出現在2002年,為416.0 mm;最高出現在2003年,為924.4 mm,相差達508.4 mm。在44年的時間里,降水量的總體趨勢是上升的,氣候傾向率達到0.91 mm/10a。

圖1 年降水量趨勢圖

對山東省近44年來的平均降水日數趨勢分析(圖2)發現。1970—2013年山東省最少降水日最少出現在1999年,為59.1 d;最多出現在2003年,為93.5 d,相差近34 d。在44年的時間里,降水日數的總體趨勢是減少的,降水日數傾向率為-1.73 d/10a,且減少較明顯。

圖2 年降水日數趨勢圖

2.2 年降水量空間分布特征

通過對各站點的年均降水量和年均降水日數空間特征分析,發現年均降水量和年均降水日數的空間分布特征具有很強的一致性。其受緯度因素、海陸因素以及地形因素的影響,由東南向西北逐漸減少,呈明顯的帶狀分布,并且有明顯的高低值中心。如圖3～4所示，審圖號為GS(2020)4814號。

圖3 年降水量空間分布圖

圖4 年降水日數空間分布圖

3 山東省暴雨時空變化特征

3.1 暴雨時間變化特征

通過對山東省近44年來的年均暴雨量趨勢分析(圖5)發現。1970—2013年山東省平均最低暴雨量出現在2002年,為95.87 mm;最高出現在2007年,為317.62 mm。在44年的時間里,降水量的總體趨勢是增加的,氣候傾向率達到5.34 mm/10a。

圖5 暴雨量趨勢圖

對山東省近44年來的年均暴雨日數趨勢分析(圖6)發現。1970—2013年山東省最少暴雨日最少出現在2002年,為0.67 d;最多出現在1990年,為4.07 d,相差近3.4 d。在44年里,暴雨日數傾向率為0.05 d/10a,暴雨日數的總體趨勢是增加的。

圖6 暴雨日數趨勢圖

對近44年來山東省不同年代年暴雨降水量和年降水量、年暴雨日數和年暴雨日數的貢獻率進行分析(表1)。結果顯示，暴雨降水量對年降水量的貢獻很大,且暴雨降水量年代貢獻率之和一般穩定在25%以上,表明暴雨降水量是山東省降水量的重要組成部分。

表1 暴雨貢獻率 單位：%

3.2 暴雨空間分布特征

分析山東省年均暴雨降水量空間分布如圖7～9所示,審圖號為GS(2020)4814號。年均暴雨量、暴雨日數和暴雨強度存在三個明顯的高值中心,分別在泰山山地地區、魯東南山地丘陵地區和山東半島上的威海地區;而明顯的低值中心有兩個,分別是山東西部的聊城市和山東省北部的濱州市。其都受緯度海陸和地形因素影響:(1)受到緯度地帶性的影響,整體上呈現出自南向北遞減的趨勢;(2)受到海陸因素的影響,在整體上呈現出自沿海向內陸遞減的規律,因此,在靠近海岸的處于山東半島的煙臺威海地區形成高值地區;而山東省北部的德州和西部的聊城靠近內陸,形成明顯的低值地區;(3)受到受地形因素影響,表現在山地地區降水較多,這也是泰山山地地區和魯中魯南的山地丘陵地區形成明顯的高值中心的原因。

圖7 暴雨量分布圖

圖8 暴雨日數分布圖

圖9 暴雨強度分布圖

3.3 暴雨空間變化特征

在山東省年均暴雨降水量空間變化趨勢圖中(圖10),年均暴雨降水量變化率在空間分布上存在明顯差異。從圖10中可以看出，暴雨降水傾向率值存在3個明顯的高值中心,即威海市、淄博中部和菏澤西部,說明這些地方暴雨降水量的增加趨勢顯著;而暴雨降水量傾向率值存在3個明顯的低值中心,包括濰坊北部、臨沂南部棗莊和德州西北部,說明這些地區暴雨降水量減少趨勢較明顯;而在山東的其他地區,暴雨降水量傾向率在0上下浮動不大,說明高地區的暴雨降水量變化趨勢不明顯。

圖10 暴雨量變化圖

在山東省年均暴雨日數空間變化趨勢圖中(圖11),年均暴雨日數變化趨勢在空間分布上差異明顯。從圖11中可以看出，暴雨降水傾向率值存在3個明顯的高值中心,即濟南中部地區、淄博中部地區和菏澤西部地區,說明這些地方暴雨日數的變化趨勢處在增加狀態中,并且增加趨勢顯著;而暴雨降水量傾向率值存在1個明顯的低值中心,位于魯南部的臨沂棗莊地區,說明此地區暴雨日數變化趨勢處在明顯地減少趨勢;而在山東的其他地區,暴雨日數傾向率在0上下,說明這些地區的暴雨日數變化趨勢不明顯。

圖11 暴雨日數變化圖

在山東省年均暴雨強度空間變化趨勢圖中(圖12),年均暴雨強度變化趨勢在空間分布上差異明顯。從圖12中可以看出，暴雨強度傾向率數值存在1個明顯的高值中心,即濱州地區,說明此地暴雨強度的變化呈現增加趨勢,并且增加趨勢顯著;而暴雨降水強度傾向率值存在1個明顯的低值中心,位于聊城西部,說明此地區暴雨強度變化呈現明顯的下降趨勢;而在山東的其他地區,暴雨強度傾向率在0上下,說明這些地區的暴雨強度變化趨勢不明顯。

圖12 暴雨強度變化圖

暴雨空間變化特征圖10～12，審圖號為GS(2020)4814號。

4 結束語

本研究通過對山東省近44年來山東省暴雨降水的時間和空間的變化特征分析得出以下結論:

(1)山東省年降水量呈現整體緩慢增加趨勢,年降水日數呈現不明顯的下降趨勢。山東省的降水量、降水日數的空間分布特征受緯度和海陸因素的影響,呈現出由南向北遞減和由東部沿海向西北內陸遞減的分布規律。

(2)山東省近44年來暴雨降水量和暴雨日數呈現明顯的上升趨勢,并且在時間變化上具有明顯的一致性,即暴雨降水量隨暴雨水日數的增多而增多,也表明山東省的暴雨強度在時間變化上也呈現上升趨勢。

(3)山東省的暴雨降水量、暴雨日數和暴雨強度的空間分布特征都受緯度、海陸和地形因素的影響,呈現出由南向北遞減和由東部沿海向西北內陸遞減的分布規律,并且在泰山地區形成暴雨發生的高頻地帶。

(4)山東省暴雨降水量、暴雨日數和暴雨強度的空間變化趨勢各有不同,其中,暴雨量變化趨勢與暴雨強度變化趨勢在空間分布上具有明顯的一致性。

整體看來,山東暴雨特征主要與位置地形有很大關系:受海陸因素影響,沿海地區暴雨強度較大,而山東西北部地區暴雨強度較小;收地形因素影響,泰安山地地區一直是暴雨發生的高頻地帶。通過分析確定了暴雨事件高發地區,可以通過采取相關措施,降低暴雨對人們生產生活帶來的不利影響,包括城市定時清理河道和下水道,防止暴雨時發生堵塞造成城市內澇;居民增加暴雨危機意識,養成關注天氣提前防范的良好意識等。

本研究分析了1970—2013年中國山東省地區的暴雨氣候變化特征,為以后相關研究提依據。但強降水變化過程和機理,以及人類活動對強降水的影響等較為復雜,有待于在今后研究中進行進一步探討。