山東省年降水量系列代表性分析

季 妤，劉祖輝，劉廣魯

（1.山東省水文中心，山東 濟南 250002；2.棗莊市水文中心，山東 棗莊 277000）

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，除膠東半島東部沿海外，大陸性氣候顯著。全省降水主要受大氣環流、季風和地形條件影響，降水量年際變化較大，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較大困難[1]。

本文采用多種方法對山東省年降水量的多年變化過程、周期及系列代表性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，在山東省內選用觀測資料質量較好、系列較長的雨量站共有488處，其中，長系列雨量代表站3處，分別為：臨清站（資料系列1918—2016年）、黃臺橋站（資料系列1931—2016年）、青島站（資料系列1899—2016年）。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

本文采用趨勢分析、模比系數等方法分析研究了山東省年降水量趨勢、周期特征，并通過統計參數的穩定性分析及長短系列統計參數的對比進行系列代表性評價。采用的方法在相關文獻中有詳細的介紹，這里不再贅述[2-5]。

2 年降水量多年變化分析

從山東省平均年降水量過程線（見圖1，其中1916—1955年降水資料取自《山東省水情手冊》）可以看出：山東省1956—2016年系列平均年降水量673.0mm，年降水量的多年變化過程具有明顯的豐、枯水交替出現的特點；自1916年以來出現了4個較大的豐水段、6個較大的枯水段。連豐連枯是山東省年際變化的特征之一。

圖1 山東省年降水量過程線圖

從山東省平均年降水量模比系數差積曲線（見圖2）可以看出：1916—1945年為差積曲線下降段（枯水期），1946—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，且在每一個上升段或下降段內都有若干個較小的上升或下降的波動段。這表明山東省年降水量出現了60年左右的變化周期，如果今后的變化能重復以往的變化過程，則山東省將于2035年左右進入枯水期。

圖2 山東省年降水量模比系數差積曲線圖

3 年降水量系列代表性分析

年降水量系列代表性，一般是指某一具有可靠性和一致性的年降水量樣本分布對總體分布的代表性。本次選用3個長系列代表站的年降水量資料，通過年降水量統計參數的穩定性分析，以及1956—2016年、1956—2000年和1980—2016年3個同步期年降水量統計參數、不同年型頻次與長系列的對比分析，綜合評判3個同步期降水量系列的代表性[6]。

3.1 統計參數穩定性分析

以長系列末端2016年為起點，將3個代表站年降水量逆時序逐年累積計算其均值和變差系數Cv值，并點繪均值、Cv值過程線（見圖3、圖4），其中變差系數Cv值采用矩法計算值。以長系列的計算值為標準，從過程線上確定統計參數相對穩定所需的年數[7]。

圖3 代表站年降水量均值逆時序逐年累積過程線

圖4 代表站年降水量系列Cv值逆時序逐年累積過程線

由圖3和圖4可看出，年降水量均值和Cv值逆時序逐年累積平均過程線隨年序變化，其變幅愈來愈小。3個代表站年降水量均值和Cv值達到穩定時間，分別約為30年和15年。

3.2 不同長度系列統計參數對比分析

根據3個代表站的年降水量資料，分別截取1956—2016年、1956—2000年和1980—2016年3個統計年限的年降水量系列，并計算各短系列和長系列年降水量均值和變差系數Cv值見表1[8]。

表1 年降水量長短系列統計參數對比分析

3個系列中，對于臨清站，1956—2016年系列的代表性最好，1956—2000年系列的代表性次之，1980—2016年系列的代表性最差；對于黃臺橋站，1980—2016年系列的代表性最好，1956—2000年系列、1956—2016年系列代表性偏差；對于青島站，1956—2000年系列的代表性最好，1956—2016年系列的代表性次之，1980—2016年系列的代表性最差。綜合比較，3個代表站1956—2016年系列的代表性相對較好。

3.3 不同系列不同年型的頻次分析

以適線后的長系列頻率曲線代表總體分布，將年降水量劃分為豐、偏豐、平、偏枯、枯水年5種年型，統計長短系列不同年型的出現頻次，詳見表2。

表2 年降水量不同系列不同年型頻次對比分析

3個系列中，對于臨清站，1956—2000年系列代表性較好，其次為1956—2016年，1980—2000年系列代表性較差。黃臺橋站1980—2016年系列代表性較好，其次為1956—2016年，1956—2000年系列代表性較差。青島站1956—2016年系列代表性較好，其余兩個短系列的代表性較差。綜合比較，3個代表站1956—2016年系列的代表性相對較好。

4 結論

1）山東省1956—2016年系列平均年降水量673.0mm，年降水量變化有明顯的豐、枯水交替出現的特點。連豐連枯是山東省年際變化的特征之一。

2）山東省年降水量出現了60年左右的變化周期，且在每一個上升段或下降段內都有若干個較小的上升或下降的波動段。

3）綜合3個代表站系列分析的結果，1956—2016年系列的代表性相對較好，1956—2000年系列的代表性次之，1980—2016年系列的代表性較差。代表站3個短系列中，1956—2016年和1956—2000年兩個系列都是略微偏豐的；青島站和臨清站1980—2016年系列略微偏枯；黃臺橋站1980—2016年系列略微偏豐。