山東省多年降水量變化分析

季 妤，陳干琴，劉祖輝

（山東省水文中心，山東 濟南250002）

山東省地處黃河下游，東部突出于黃、渤海之間，形成山東半島，西北部與河北相鄰，西接河南，南鄰江蘇、安徽。山東省位于暖溫帶季風氣候區，全省降水主要受大氣環流、季風和地形條件影響，降水量的年際變化較大，年內分配很不均勻。降水量年際年內變化劇烈的這一特點，造成了山東省洪澇、干旱等自然災害頻發，同時也給水資源的開發利用帶來了很大困難[1]。本文采用多種方法對山東省年降水量的多年變化過程及周期進行了系統性的分析，以期為洪澇災害防治及水資源高效利用提供支撐。

1 研究資料與方法

1.1 基本資料

本文采用的降水資料源自按照國家規范進行整編的水文資料，取自山東省水文數據庫。結合雨量資料實際情況，在山東省內共選用觀測資料質量較好、系列較長的雨量站488處。并基于488處雨量站的年降水量系列，采用泰森多邊形法計算了1956—2016年山東省年降水量系列。

1.2 分析方法

本文采用線性回歸分析、Mann-Kendall檢驗、t檢驗等方法進行降水量趨勢及突變分析，應用模比系數、小波變換進行豐枯周期分析。采用的方法詳見參考文獻[2]~[5]。

2 年降水量多年變化分析

2.1 變化趨勢分析

山東省年降水量變化過程線如圖1示。由圖1可知：1）山東省1956—2016年系列平均年降水量673.0 mm，年降水量在均值附近上下波動，無明顯的增大或減小趨勢；2）從一元線性趨勢線可以看出，山東省降水量呈小幅減小趨勢，線性傾向率為-14.5 mm/10 a。

圖1 山東省年降水量變化過程線

為了定量分析降水量的變化趨勢，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法分別計算了山東省全年及各月降水量的統計量Z，結果如圖2示。

圖2 山東省降水量M-K趨勢檢驗

由圖2可知：1）山東省年降水量的Z值為-1.55，表明山東省年降水量呈減小趨勢，但減小趨勢未通過檢驗（顯著性水平α=0.05，Z的閾值為1.96），年降水量減小趨勢不顯著；2）各月降水量中，只有2月和5月降水量呈增大趨勢，其中5月通過了顯著性檢驗，即5月降水量增大趨勢顯著；3）其余各月份降水量均呈減小趨勢，但均未通過顯著性檢驗，其中減小趨勢最大的是3月，減小趨勢最小的是8月。

2.2 變化幅度及突變分析

山東省1956—2016年降水系列中，最大年降水量發生在1964年，為1160.6 mm，最小年降水量發生在2002年，為418.4 mm，極差為742.2 mm，極值比為2.8。從各站多年平均年降水量的變差系數來看，全省各地降水量的年際變化較大，Cv值一般為0.2～0.35。Cv值總的變化趨勢為由南往北遞增，山丘區小于平原區。

采用Mann-Kendall突變檢驗方法對山東省年降水量進行突變檢驗，作出相應的UF和UB曲線圖如圖3示。由圖3可知：1）山東省年降水量在1956—2016這61年的時間段內UF值在大部分年份小于零，說明這段時間內山東省年降水量呈現減小趨勢，這與上文中M-K趨勢檢驗的結果一致；2）UF、UB曲線相交于數個年份，進一步用t檢驗分析，1966年雙側檢驗的顯著性水平α=0.018＜0.05，說明1966年前系列與1966年后系列差別顯著，即山東省年降水量在1966年發生突變。

圖3 山東省年降水量M-K突變檢驗

2.3 豐枯周期分析

從山東省平均年降水量過程線（圖1）可以看出，自1956年以來出現了4個較大的豐水段、4個較大的枯水段。從全省平均年降水量模比系數差積曲線（圖4）可以看出，1956—1975年為上升段（豐水期），1976—2001年為下降段（枯水期），自2002年開始又轉為上升段。

圖4 山東省年降水量模比系數差積曲線

采用小波變換法進一步分析山東省年降水量的變化周期，計算了小波系數及小波方差，并繪制了小波系數圖、小波方差圖和主周期變化趨勢圖如圖5示。由圖5（a）可以看出，年降水量變化過程中存在著20～32年，11～19年以及3～10年的三類尺度的周期變化規律。其中，在20～32年尺度上出現了枯～豐交替的準4次震蕩；三個尺度的周期變化在整個分析時段表現得較為穩定，且具有全域性。由圖5（b）可以看出，圖中存在4個較為明顯的峰值，它們依次對應著23年、11年、7年和4年，其中最大峰值對應著23年的時間尺度，說明23年為降水量變化的第一主周期。根據小波方差檢驗的結果，繪制了控制年降水量變化的第一主周期小波系數圖。由圖5（c）可以看出，在23年特征時間尺度上，山東省年降水量的變化的平均周期為15年左右，大約經歷了4個豐～枯轉換。

3 結論

1）山東省1956—2016年系列平均年降水量673.0 mm，年降水量呈減小趨勢，但減小趨勢不顯著；各月降水量中，2月和5月呈增大趨勢，其余月份均呈減小趨勢，僅5月變化趨勢顯著。

2）山東省降水量的年際變化較為劇烈，極值比為2.8，Cv值一般為0.2~0.35，年降水量在1966年發生突變。

圖5 山東省年降水量小波分析

3）山東省年降水量變化有明顯的豐、枯水交替出現的特點。23年為山東省年降水量變化的第一主周期。在23年特征時間尺度上，山東省年降水量的變化平均周期為15年左右，大約經歷了4個豐~枯轉換。