南四湖流域降水集中度和集中期研究

2019-09-24董宁李莉郭红艳李瑞芬王晓默

河北农业科学 2019年3期

董宁，李莉，郭红艳，李瑞芬，王晓默

（山东济宁市气象局，山东济宁 272000）

南四湖位于苏鲁交界处，是中国北方最大的淡水湖泊，全湖面积约1 300 km2，南北长约130 km，东西宽5～25 km，独特的地理位置和气候特征使得该地区蕴藏着丰富的气候资源。近年来，由于降水时空分布不均，南四湖流域持续性暴雨、洪涝等气候灾害频繁发生。目前，针对南四湖流域降水的研究主要集中在降水量变化的趋势和阶段性[1]以及旱涝等级的演变[2]等方面，而对于降水集中程度和集中时段的研究尚处于空白。研究表明，把降水看成矢量，构建降水集中度（PCD）和集中期（PCP）指标度量降水的非均匀分配，能很好地反映降水过程内的时空非均匀性分布特征[3～7]。利用南四湖流域内9 个观测站点的实测日降水资料，运用PCD 和PCP 探究南四湖流域降水时空非均匀分布与演变特征，以期揭示南四湖流域降水的变化规律，可为天气预报提供气候背景信息，也可为整个南四湖流域相关研究提供基础资料和信息参考。

1 数据来源与研究方法

使用位于南四湖流域的济宁、邹城、微山、鱼台、薛城、丰县、沛县、滕州和徐州9 个国家气象站（图1）1981～2014 年逐日降水数据，分析南四湖区域PCD 和PCP的变化规律。其中，丰县、沛县、徐州和鱼台4个站点位于湖的西部，其他5个站点均位于湖的东部。具体方法如下：

从（1）和（2）式可知，PCD 反映的是降水总量在研究时段内各个旬的集中程度，是一个无量纲数。如果某年的降水量集中在某一旬内，则PCD 为极大值1；如果每个旬的降水量都相同，则PCD 为最小值0。可见，PCD 的取值为0～1。其越接近1，表明降水量越集中；越接近0，则表明各旬的降水量较平均。PCP 计算的是合成向量的方位角，指示每个旬降水量合成后的总体效应，反映汛期最大降水量出现在哪个时段[8，12]。

2 结果与分析

2.1 南四湖流域PCD 和PCP 的年际变化特征

图1 南四湖流域各站点的地理位置Fig.1 Location of each weather station in Nansi Laker basin

1841～2014 年南四湖流域PCD 的多年平均值为0.34，且以0.015/10 a（p＜0.05）的速率上升（图2a）。PCD 年际间变化较大，最大值出现在2014 年，为0.52；次大值出现在2012 年和1983 年，为0.51；最小值出现在1999 年，为0.20；次小值出现在1993 年和2001 年，为0.25。PCD 整体变化分为3 个阶段，其中，20 世纪80 年代和2005 年以后的PCD 相对较大，波动也较大，极大值和次大值均出现在这个时段内；1990～2005 年PCD 明显偏小，波动也较小，极小值和次小值均出现在该时段内。

1981～2014 年南四湖流域多年平均的PCP 为8 月上旬，且以0.07/10 a（p＜0.05）的速率上升（图2b）。PCP 最早出现在6 月上旬，分别为1996 年、1997 年和2009 年；最迟出现在10 月中旬，分别为1982 年和2014 年；PCP 出现在第16 旬～第27 旬（汛期）的年份占85.3%。总体来看，PCP 的变化也存在3 个阶段，其中，20 世纪80 年代和2000 年以后的PCP，除个别年份外，相对较大，波动也较大；20 世纪90 年代的PCP 明显偏小，波动也较小。

图2 1981～2014 年南四湖流域PCD（a）和PCP（b）的年际变化Fig.2 Inter-annual variations of PCD（a）and PCP（b）in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

南四湖流域PCD 与PCP 的相关系数为0.52，呈极显著正相关，即：降水集中期出现得越晚，降水集中度越高；反之，降水集中期出现得越早，降水集中度越低[13]。

2.2 南四湖流域PCD 和PCP 的空间分布特征

1981～2014 年南四湖流域PCD 和PCP 的变化特征均表现为湖西地区＞湖东地区（表1 和图3）。

湖西地区4 个站点PCD 的平均值为0.37，最大值（0.38）出现在徐州站，且以0.01/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖东地区5 个站点PCD 的平均值为0.31，且以0.004/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可见，湖东地区的降水集中程度呈缓解趋势；湖西地区的降水集中度高于湖东地区，降水总量较为集中在某一时间段内，且集中的程度呈逐年递增趋势，较易出现洪涝灾害，气象部门应予以重视[14～16]。

表1 1981～2014 年南四湖流域9 个站点的平均PCD 和PCP 值Table 1 The average PCD and PCP of 9 stations in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

图3 南四湖流域东部和西部的PCD（a）和PCP（b）的空间分布Fig.3 Spatial distribution of PCD（a）and PCP（b）in the eastern and western parts of Nansi Lake basin

湖西地区4 个站点PCP 的平均值为23，最大值（24）出现在丰县站，且以0.295/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖东地区5 个站点PCP 的平均值为18.6，且以0.615/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可见，湖西地区一年中最大旬降水量出现较晚，且有延后趋势；湖东地区出现较早，有提前趋势。

2.3 南四湖流域PCD 和PCP 的突变和周期分析

为了明确南四湖流域的PCD 和PCP 是否存在气候突变现象，我们采用M-K 突变检验方法进行突变检测，给定显著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。UF 代表按时间序列顺序排列计算出的统计量序列，UB 代表按时间序列逆序排列计算出的统计量序列。UF 和UB 曲线在0 线以上，表示呈增加趋势；UF 和UB 曲线在0 线以下，表示呈减少趋势[17～19]。在临界线之间，根据UF 与UB 曲线交点的位置，确定南四湖流域PCD 和PCP 均存在一次明显的突变现象，突变点分别位于1986 年和1987 年，PCP 与PCD 的突变时间较为接近（图4）；PCD 和PCP 在2010 年之后突变现象不明显，可能与时间序列较短有关。

利用Morlet 小波变换对极端降水日数变化进行多时间尺度分析[20]，得到南四湖流域PCD 和PCP 的变化特征（图5 和6）。在20 世纪80 年代，PCD 存在2～3 a的周期振荡；后续特征不明显，可能与时间序列较短有关。在20 世纪80 年代，PCP 以4～5 a 的周期振荡为主；2000 年之后，存在3～4 a 的周期振荡。