德州市多年降水特征及变化趋势分析

王 霞 ，王丽珠 ，马书涛

（1.德州市水利局，山东 德州 253014；2.德州市水文局，山东 德州 253014）

德州市地处山东省西北部，属于黄泛平原，南与济南以黄河为界。据2017年山东省地下水超采区统计，德州市超采地下水造成的漏斗面积为1682 km2，占总面积的16.3%。德州市的水资源主要来自引用黄河水[1]及贮存汛末雨洪资源相结合。因此对该地区长时间序列的降水特征进行研究分析，不仅有助于加强区域水资源管理和旱涝灾害防治，而且有助于改善该地区的地下水超采及水生态环境问题。

1 分析方法

1.1 降水不均匀系数和降水变差系数

降水量的年内分配均匀情况，采用降水不均匀系数[2]（CL）来表示。公式为：

其中：P0为月均降水量；Pi为超过月均降水量者；n为大于月均降水量的月份个数；P为年均降水量。

不均匀系数的值愈大，说明年降水量的年内分配愈不均匀。

降水量的年际变化情况这里采用变差系数CV表示。CV反映年降水量相对多年平均值的离散程度，反映年降水量在研究时段内的相对变化程度[3]。CV值越大，降水量的年际变化越大；反之，年际变化越小。其公式为：

式中：xi为年降水量，x为多年平均降水量，n为序列长度。

1.2 Mann-kendall法

近年来，Mann-kendall统计检验法常被用来预测如气温、降水、径流等水文气象时间序列资料的长期变化趋势，其方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用水文、气象等非正态分布的数据，并且检测范围宽、认定干扰少、定量化程度高。在Mann-Kendall检验中，对检验的统计变量，对于给定的置信水平α，如果|Z|≥Z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在 α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势；值为正，表示该系列整体具有上升或增加趋势；值为负，表示具有下降或减少的趋势，若|Z|大于等于1.28、1.64和2.32时，表示分别通过了信度90%，95%和99%的显著性趋势检验。

1.3 Matlab小波分析法

小波分析法是在Fourie-transform的基础上构建小波函数，通过某一函数反映多时间尺度变化的方法，能够同时从时域和频域揭示不同时间尺度的变化特性，适合研究具有多时间尺度特性和非平稳特性的水文时间序列[4]。

1.4 线性倾向估计

线性倾向估计是分析气候变化趋势中的一种水文统计方法[5]，其原理是用某一线性方程式表示变量与时间之间的线性关系，即

利用线性倾向估计研究德州地区年降水量的变化趋势，b为正值，说明降水整体有增多趋势；b为负值，说明降水整体为减少趋势；b的绝对值越大，其增多或减少的变化趋势越明显。

2 分析与结果

2.1 年内变化

根据降水统计资料，绘制2000年前后年内降水过程如图1示。从图1可以看出，德州市降水量年内分配不均匀。计算得1950—2017年、1950—1999年、2000—2017年的年降水不均匀系数分别是0.430、0.436、0.415。降水主要集中在夏季，夏季降水占全年降水的68.0%、68.6%、66.3%，汛期（6、7、8、9月）降水量占全年降水量的75.9%、76.3%、74.8%，最大月降水量都出现在7月，占全年降水量的31.3%、32.6%、27.4%，最小月（1月或12月）降水量仅有3.7 mm，只占全年降水量的0.7%。2000年之后年降水量年内分配比2000年之前较均匀，说明2000年之后极端降水天气呈现减少的趋势。

2.2 年际变化

图1 2000年前后年内降水过程

1）降水量的特征值。德州市1950—2017年共68年的统计资料显示，德州市降水量分布不均，年际变化大，Cv为0.27，年降水量最大值Pmax达1 049.8 mm，最小值Pmin仅302.4 mm，极值比为3.47，年降水倾向率为-1.187 mm/a，MK值为-1.18，年降水整体呈下降趋势，但下降趋势没有通过90%显著性检验。1950—1999年年降水整体下降趋势明显，MK值为-1.82，超过了95%的显著性检验。2000—2017年之后Cv为0.24，极值比为2.50，年降水整体呈现上升趋势，趋势不明显，详见表1。

2）年降水量及5年滑动平均。1950—2017年年降水量及五年滑动过程线[6]显示，该地区年降水量在研究时段内整体呈下降趋势，与上述结果一致，年降水量波动性变化较明显。20世纪60年代降水量较为丰富，20世纪80年代降水量较为稀少；70年代中期之前在均值以上波动，中期以后处于均值以下；20世纪90年代至2008年一直在均值以下波动，2009年之后降水较丰富；由5年滑动线性趋势显示，2017年降水量处于均值以下，进入了枯水期时段，如图2。

图2 德州市年降水量变化及5年滑动平均过程

表1 德州市降水量的统计特征

3）非汛期、汛期及年降水量对比分析。对1950—2017年非汛期、汛期及年降水量进行线性估计分析显示：非汛期降水量整体呈现上升趋势，但波动性变化不大；汛期及年降水量变化趋势一致，整体均呈现下降趋势。由于汛期降水量占年降水的比重较大，两者的线性变化形状大体一致。汛期降水量的b值绝对值大于年降水量，说明汛期降水量下降趋势较年降水量下降趋势明显，如图3。

图3 德州市年降水量、汛期及非汛期降水过程

2.3 周期变化特征

在对降水量进行小波分析前，先对数据进行距平处理，以消除随机性，使结果更加合理。

小波实部等值线图显示了1950—2017年年降水及汛期降水在不同时间尺度上的变化特征，年降水及汛期降水变化特征及丰枯交替较一致，在较大的时间尺度上都经历了“枯—丰—枯”的演变特征，而在较小的时间尺度上经历了10次丰枯循环交替，在更小的时间尺度上，则有更多的丰枯循环交替。2016年在大的时间尺度上处于枯水期，而在较小时间尺度上处于丰水期。由小波方差知道第一主周期为24 a，第二主周期为4 a，见图 4。

图4 年降水和汛期降水的小波方差

3 结论

本文根据对德州地区1950—2017年68年的实测逐日降水资料进行统计后加以研究分析，主要得到以下结论：

1）德州市年均降水量为561.6 mm，年降水不均匀系数达0.430，年内分布不均匀，主要集中于汛期（6、7、8、9月）4个月，占到全年的75.9%，最大月降水量占全年降水量的31.3%，最小月仅有0.7%。

2）德州市降水量年际变化大，Cv为0.27，年降水量最大值与最小值之间极值比达3.47，整体呈现下降趋势，年降水倾向率为-1.187 mm/a，MK值为-1.18，没有通过90%显著性检验；5年滑动平均过程线显示年代波动性较明显；非汛期降水量整体呈现上升趋势，汛期与年降水量一致，均呈现下降趋势，汛期的下降趋势较年降水下降趋势明显。

3）2000年之后年降水量年内分配比2000年之前较均匀；2000年之后降水呈现上升趋势，2000年之前降水下降趋势明显，超过了95%的显著性检验。

4）年降水及汛期降水变化特征及丰枯交替较一致，在较大的时间尺度上都经历了“枯—丰—枯”的演变特征，而在较小的时间尺度上经历了10次丰枯循环交替；第一主周期为24 a，第二主周期为4 a。

降水量的统计特征及变化趋势不仅直接关系到德州市的抗旱减灾和农业生产，而且影响着德州市漏斗面积的综合治理及雨洪资源的有效利用，同时也是备受水生态环境的一个重要课题，希望通过对年降水量的详细分析，为德州市生态环境治理课题提供数据参考。