1970-2019年濟南市極端降水事件時空變化特征

趙芹蕊, 徐立榮, 時延鋒, 徐征和, 徐 晶, 許功偉

(1.濟南大學 水利與環境學院, 濟南 252000; 2.山東建筑大學 市政與環境工程學院, 濟南 250101)

近年來，極端降水事件的頻率和強度不斷增加，已成為全球氣候變化及其影響領域的熱點問題[1-2]。IPCC調查報告顯示，全球氣候變暖日趨嚴重，人類活動與全球氣候變暖及極端氣候變化存在關聯[3]。極端氣候事件對氣候變化的敏感性和重要性均高于氣候平均值，對自然系統的威脅也高于氣候平均值[4]。隨著全球氣候變暖，年降水量增加的地區極端降水事件普遍也呈增加趨勢，有些年降水量減小的地區，極端降水總量及發生頻率也在增加[5]。目前，極端降水事件已經引起全球范圍的關注。國內外學者利用全球各地不同地區降水資料對極端降水事件進行了不同方向的研究。國外學者在美國[6]、加拿大[7]、泰國[8]、日本[9]、歐洲[10]等不同區域尺度的研究表明不同地區極端降水變化趨勢不盡相同。國內有許多學者在省域尺度[11]、流域尺度[12]、區域尺度[13]和全國尺度[14]等不同尺度研究極端降水的變化規律，對國內氣候變化研究及人類生產生活方面有重要影響。

雖然目前國內對極端降水事件的研究很多，但針對濟南市的極端降水研究相對較少，李鵬等[15]利用1972—2016年24個降水站點、6個極端降水指標以及1985年、2000年、2015年3期Landsat遙感影像資料進行分析，站點及極端降水指標相對較少且主要分析研究了濟南市雨島效應及城市化發展對降水量的影響。劉錚瑤等[16]利用1951—2012年濟南市的逐日降水資料分析得出極端降水事件多發生在持續降水中且極端性增強，進入21世紀后極端降水事件有明顯突變增加趨勢。由于濟南市汛期(7—8月)降水集中，在短時間內暴雨易成災，且南繞丘陵，北環孤山，中心城區地勢低洼，南高北低的地勢導致汛期雨洪漲猛落緩，高水位持續時間長，若不能及時排出，暴雨在城區周圍匯集會短時間內形成強大的雨水徑流，在市區北部的低洼地區形成積水，造成城市內澇現象。

城市建設也是引起城市內澇的原因之一[17]。城市建設使得中心城區不斷擴大，導致城市下墊面發生巨大變化，地面嚴重硬化，嚴重影響到濟南市地面的滲透性和滯水性，且城市排水系統仍需完善，這些都導致濟南市易發生洪澇災害。且進入21世紀以來，濟南市洪澇災害頻發，尤其2007年“7·18”超強特大暴雨造成慘重的人員及財產損失[18]。本文在前人研究基礎上，利用49個雨量站站點的降水資料對濟南市1970—2019年50 a間的極端降水事件的時空變化進行分析，以期揭示濟南市極端降水變化趨勢及周期規律，為城市防洪工作提供參考。

1 研究區概況

濟南(35°59′—37°35′N，16°02′—117°55′E)地處中國華東地區、山東省中西部、華北平原東南部邊緣，全市總面積10 244 km2。濟南市南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低。濟南市地形特征及49個雨量站站點位置分布見圖1。濟南市地形可劃分3帶：北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區帶。濟南位于中緯度地帶，由于受太陽輻射、大氣環流和地理環境的影響，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，一年之中，在不同季節，全市處在不同大氣環流控制之下，構成了春暖、夏熱、秋爽、冬寒四季變化分明的氣候。夏季不僅炎熱，且多降水，雨熱同季。

圖1 濟南市DEM及雨量站站點分布

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文所采用的1970—2019年49個雨量站站點的逐日降水資料來源于濟南市水文局，并經過較為嚴格的質量控制。由于2019年萊蕪市并入濟南，所以本文選取原濟南市48個雨量站站點和萊蕪雨量站站點進行研究分析。對于部分站點的少數空缺值，采用插值平均方法進行插補。

2.2 研究方法

根據《降水量等級(GB/T28592—2012)》，國內將降水劃分成4個等級，小雨(0～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(≥50.0 mm)。我國將50 mm的日降水量作為極端降水事件的閾值，但由于全國不同地區不能完全按照統一標準進行簡單定義，所以本文參考近年來研究極端降水指數的國內外文獻[19-20]，定義12個極端降水指數(表1)，其中極端降水采用國際上通用的百分位法來計算閾值。具體方法是把1970—2019年逐年日降水量按升序排列，將第95個百分位的50 a平均值作為極端降水事件的閾值[13]。各站點50 a間日降水數據的描述性統計特征見表2。運用線性趨勢法和5 a滑動平均法[21-22]分析極端降水指數時間序列上的變化趨勢，Mann-Kendall突變分析法[5]分析突變情況，Morlet小波分析法[15]分析指數的周期規律。最后用ArcGIS 10.7克里金插值法進行空間插值，分析極端降水指數在空間尺度上的分布規律。

表1 極端降水指數名稱及定義

表2 站點降水量描述性統計特征 mm

續表2

3 結果與分析

3.1 極端降水指數時間變化特征

1970—2019年濟南市極端降水指數隨時間變化趨勢見圖2，各指數變化情況見表3。由圖2、表3可知，除連續干旱日數(p<0.05)和年降水強度(p<0.05)呈下降趨勢外，其余10個極端降水指數均呈上升趨勢。其中，大雨日數(p>0.05)，1日最大降雨量(p>0.05)，5日最大降雨量(p>0.05)、極端降水強度(p>0.05)、極端降水比率(p<0.05)、連續濕潤日數(p>0.05)6個指數呈小幅上升趨勢；雨日日數(p<0.05)、極端降水日數(p<0.001)、極端降水總量(p<0.05)、年降水量(p<0.05)4個指數呈明顯上升趨勢；年降水強度(p<0.05)呈小幅下降趨勢；連續干旱日數(p<0.05)呈明顯下降趨勢。

從5 a滑動平均來看，大雨日數和年降水強度在20世紀90年代后期和21世紀初均出現偏高的情況，即在上升過程中出現雙峰形的變化；1日最大降雨量、5日最大降雨量和極端降水強度變化情況相似，在20世紀90年代后期均出現峰值，這與劉煥彬等[23]的研究結果相似；極端降水比率變化平穩，基本保持在0.2%～0.4%；連續濕潤日數在1978年達到峰值后于2010年達到第二峰值。雨日日數與極端降水日數在2010年后呈明顯上升趨勢；極端降水總量和年降水量在20世紀90年代有明顯高值；連續干旱日數在20世紀80年代末90年代初呈明顯下降趨勢。

總的來說，年降水量以及極端降水事件呈增多趨勢，尤其進入21世紀，雨日日數與極端降水日數明顯上升，且從圖2中可以看出，年降水量經歷了20世紀70—90年代的枯水段，轉變為20世紀90年代—21世紀初的豐水段，之后經歷一個小的枯水段之后又處于豐水段。這與李鵬等[15]利用滑動平均法得到的濟南市年降水量的“枯”“豐”年份大體一致。說明濟南市的年降水量及極端降水總量呈上升趨勢，且近年來由于全球氣候變暖以及夏季臺風影響，更應該注重與完善城市排水工作，減少城市內澇風險。

3.2 Mann-Kendall突變分析結果

降水的趨勢性分析整個的變化趨勢，而對降水的突變性進行分析能夠反映出極端降水指數的內部變化特征[24]。借助Matlab2018b對濟南市極端降水指數進行M-K突變分析，繪制M-K曲線見圖3。由圖3可知，雨日日數UB和UF曲線相交于2008年，且相交點位于置信區間內，UF曲線在2010年超過信度線，達到0.05顯著水平，說明雨日日數存在明顯突變，突變年份為2008年，由一個相對較少期轉變為一個相對較多期。同理可知，極端降水日數、連續干旱日數以及年降水量也發生明顯突變，突變年份分別為2011年、2008年、1994年；極端降水總量的UB和UF曲線交點太多，且UF曲線在2019年超過信度線，表明極端降水總量日趨增加為突變現象，在研究期內極端降水總量發生了4次突變，突變年份大致為：1997年、2003年、2010年、2015年；大雨日數、1日最大降雨量、5日最大降雨量、極端降水強度、極端降水比率以及年降水強度的UB和UF曲線交匯點較多，說明在研究期內發生多次突變，但UF曲線沒有超過0.05信度線，說明這6個指數發生了突變，但突變不明顯未達到顯著水平，連續濕潤日數UB和UF曲線相交于2010年，突變后UF曲線一直處于上升狀態，說明連續濕潤日數處于緩慢增加狀態，但未達到顯著水平，說明突變不明顯。

圖2 1970-2019年濟南市極端降水指數時間變化趨勢

表3 1970-2019年濟南市極端降水指數變化情況

圖3 1970-2019年濟南市極端降水指標M-K突變趨勢

3.3 極端降水指數周期分析

本文利用小波分析理論，借助MATLAB2018b計算小波系數，然后借助Furfer15繪制等值線圖，研究極端降水指數的Morlet連續復小波變換周期的變化規律。濟南市1970—2019年極端降水指數小波分析圖見圖4，實線表示小波系數正值區，代表極端降水指數較大，虛線表示小波系數負值區，代表極端降水指數較小。

從圖4和表4中可以看出，雨日日數、大雨日數、極端降水比率、連續濕潤日數、5日最大降水量和年降水量6個指數有4個主周期，其余6個指數有3個主周期。極端降水指數普遍存在22～27 a，14～17 a，7～10 a，4～5 a的主周期。1日最大降雨量、極端降水總量、極端降水強度、年降水強度的周期變化一致，22 a的振蕩周期最顯著，為第一主周期，具有全域性且在整個研究期內呈現7個豐枯交替的周期性變化，其次為12 a的振蕩周期明顯，為第二主周期，5 a的周期變化短暫具有局域性，為第三主周期。大雨日數、連續濕潤日數、年降水量的周期變化相似，22 a的振蕩周期最顯著，為第一主周期，具有全域性且在整個研究期內呈現7個豐枯交替的周期性變化，其次為14～15 a的振蕩周期明顯，為第二主周期，4～5 a的周期變化短暫具有局域性，為第三主周期。

注：實線為小波系數正值，虛線為小波系數負值。

表4 1970-2019年濟南市極端降水指數周期變化特征

3.4 極端降水指數空間變化趨勢

統計濟南市1970—2019年50 a間每個站點的極端降水指數的平均值，然后利用ArcGIS 10.7克里金插值法進行空間插值，結果見圖5。

濟南市雨日日數除了萊蕪站數值較大外(110.86 d)，整體呈從西北向東南遞減趨勢，低值地區位于橫河、韓倉、官營等地區，雨日日數小于27 d；大雨日數整體從東南向西北有遞減趨勢，大雨日數基本都在5～8 d，有18個站點的大雨日數大于7 d，有21個站點的大雨日數在6～7 d，整體變化不大。1日最大降雨量和5日最大降雨量整體呈從東南向西北遞減趨勢，1日最大降雨量基本都在70～95 mm，低值區在白橋附近(68.85 mm)，高值區在石匣附近(105.05 mm)。5日最大降雨量基本在110～148 mm，低值區在白橋附近(107.23 mm)，高值區在石匣附近(157.74 mm)。

極端降水日數、極端降水總量、極端降水比率變化趨勢相似，整體呈從東南向西北遞減趨勢，極端降水日數基本在2～3 d，高值區在萊蕪(14.9 d)。極端降水總量基本在124～223 mm，低值區在白橋附近(113.74 mm)，高值區在萊蕪附近(439.57 mm)。極端降水比率基本在0.25%～0.33%，高值區在萊蕪附近(0.58%)。極端降水強度整體呈從西北向東南遞減趨勢，極端降水強度基本在59～80 mm/d，低值區在萊蕪附近(32.52 mm/d)，高值區在官營(82.30 mm/d)、橫河(82.40 mm/d)附近。

連續干旱日數整體呈從西北到東南遞減趨勢，連續干旱日數基本在78～161 d，低值區在萊蕪附近(48.8 d)，高值區在橫河(161.18 d)、官營(161.5 d)附近。連續濕潤日數整體呈從東南到西北遞減趨勢，連續濕潤日數基本在3.5～4.5 d，低值區在韓倉附近(3.32 d)，高值區在萊蕪附近(4.42 d)。年降水量整體呈從東南到西北遞減趨勢，年降水量基本在447～680 mm，低值區在白橋附近(375.81 mm)，高值區在萊蕪附近(748.48 mm)。年降水強度整體呈從西向東經歷先增加后減小的趨勢，年降水強度基本在10～23 mm/d，萊蕪站年降水強度為3.67 mm/d，與其他站點相差較大。

4 討 論

在以往極端降水事件的研究中，大多數學者都是基于極端降水閾值、百分位法設置極端降水指數[13]。本文對濟南市近50 a來極端降水進行分析，對比之前學者對濟南市降水的研究，本文利用更多的雨量站站點數據和選取了更多的極端降水指數。但由于萊蕪剛并入濟南市，萊蕪區站點較少，僅有一個，且相對原濟南其他區縣雨量站站點數量少、密度小，導致結果準確性可能會受一定影響，若后期有萊蕪區其他站點數據進行補充，會提高研究的準確性。此外，有學者認為研究氣候變化時應注意城市化效應的影響，但是如何剔除人類活動的影響目前沒有公認的合理有效的方法[25]。

南部山區年降水量相對較大，雨日日數及大雨日數也相對平原地區較多，且多分布暴雨及特大暴雨。這可能是由于南部多山，夏季暖濕氣流從東南來，在南部山區受到阻擋，暖濕氣流抬升，水汽易凝結形成降水。且南部山區植被覆蓋率較低，地形起伏較大，導致水土流失嚴重，當有暴雨突襲時，不僅容易發生城市內澇，更有可能導致山體滑坡和泥石流。不僅如此，隨著城區南擴，城市化進程推進，南部山區面積一再縮小，植被覆蓋率降低，地面大面積硬化，不利于水土保持。所以更應該注重南部山區的防洪工作。研究濟南市尤其是南部山區的降水特性，對合理利用雨水資源，解決水資源持續性利用問題有指導意義。

5 結 論

(1) 近50 a來，研究區雨日日數、極端降水日數、極端降水總量、年降水量4個指數呈上升趨勢，上升速率分別為3.83 d/10 a，0.18 d/10 a，10.74 mm/10 a，31.04 mm/10 a。大雨日數、1日最大降雨量、5日最大降雨量、極端降水強度、極端降水比率、連續濕潤日數6個指數呈不明顯上升趨勢，上升速率分別為：0.19 d/10 a，3.53 d/10 a，5.33 d/10 a，0.02 mm/(d·10 a)，0.09%/10 a，0.15 d/10 a。年降水強度呈不明顯下降趨勢，下降速率為0.1 mm/(d·10 a)。連續干旱日數呈明顯下降趨勢，下降速率為16.5 d/10 a。且進入21世紀后，受全球氣候變暖加快以及夏季臺風的影響，世界大范圍地區降水量增多，濟南也不例外。年降水量的增多主要是由于雨日日數和極端降水總量增多所造成的。

圖5 1970-2019年濟南市極端降水指標空間分布特征

(2) 研究區雨日日數、極端降水日數、極端降水總量、連續干旱日數及年降水量4個指標發生明顯突變。其中，雨日日數和連續干旱日數在2008年發生突變，極端降水日數在2011年發生突變，極端降水總量存在多個突變年，分別為1997年、2003年、2010年和2015年，年降水量在1994年發生突變。其他極端降水指數或不發生突變或突變不明顯不具有統計學意義。通過M-K突變分析可以得出未來雨日日數和年降水量將會增多，極端降水事件的發生也會增加。進入21世紀后極端降水事件的突發性增強，濟南市的極端降水總量增多，可見城市內澇的風險增加，因此完善城市排水工作，降低城市內澇風險極為重要。

(3) 通過小波分析發現極端降水指數普遍存在22～27 a，14～17 a，7～10 a，4～5 a的振蕩周期。雨日日數、大雨日數、極端降水比率、連續濕潤日數和年降水量5個指數有4個主周期，其余7個指數有3個主周期。

(4) 在空間上，濟南市大雨日數、1日最大降雨量、5日最大降雨量以及年降水量高值區基本集中在原濟南市中心城區、南部山區和萊蕪附近，低值區集中在東北部平原地區。