1959-2018年山东省降水时空分布特征与洪旱演变规律

卢书梅，杨传国，谷黄河

( 1.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098;2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

1 研究背景

气候变暖是20世纪全球气候变化的显著特征[1]。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)报告[2]预估未来全球气候变暖仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986-2005年的基础上将升高0.3℃～4.8℃。在未来气候变暖的背景下，中纬度大部分陆地区域和湿润的热带地区的强降水强度可能加大、发生频率可能增加，全球降水将呈现“干者越干、湿者越湿”的趋势[2-3]。我国的气候与环境也发生了明显的变化，在过去2000年中，中国温度变化的最大年代际变幅为1.1℃，百年际变幅为0.6℃[4]。在气候变化的背景下，我国各个地方的降水量均发生不同程度的变化[5-7]。山东省人口众多，是我国的农业大省、华东沿海经济较为发达的省份，但同时又是我国自然灾害较为频发的一个省份，其中又以洪旱灾害发生次数最多，对人类生产生活的影响也较大[8-9]。2018和2019年连续两年山东省中部地区的台风极端降雨造成了严重的经济社会损失。对气候变化条件下山东省降水量时空分布变化的研究关系到国计民生，受到众多学者的广泛关注。

利用旱涝史料及观测气象水文数据研究降水量变化特征及不同尺度洪旱事件变化规律已有众多研究成果。燕玉超等[10]利用1960-2013年的气温和降水数据，探究了近54年山东省的旱涝灾害与气候变化特征。刘健等[11]利用小波变换方法分析山东省1961-2015年降水的周期变化特征，并预测山东省未来15年将处于枯水期。徐泽华等[12]综合利用皮尔逊相关系数、反距离加权平均、Mann-Kendall检验以及小波分析等方法，分析了山东近30年降水时空分布特征及其影响因素。杨传国等[13]运用突变检验、频率计算、小波分析等方法分析淮河流域过去500年洪水干旱的时空分布特征和演变规律。何庆龙等[14]采用滑动平均、Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法，研究延安市降水的年代际时空分布特征。彭菊等[15]利用累积距平、回归拟合等方法研究贵州省1960-2014年的年、最大月降水量的时空变化特征。Bi等[16]利用1644-1911年的降水和旱涝资料，研究中国北方地区洪旱时空分布特征及干旱、洪水在不同时间尺度上的变化规律，研究发现山东地区的降水量明显高于其他地区。

本文以滑动平均、Mann-Kendall检验、小波分析、Z指数等多种方法对山东省1959-2018年的降水变化特征进行分析，并探讨其60年来的洪旱演变规律，以期为认识区域降雨分布特征和极端事件演变规律提供科学依据，减少洪旱灾害带来的影响。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本文所用数据资料来自国家气象信息中心整理的1951-2018年山东省22个地面气象观测站测得的降水日数据值，所用资料经过初步的质量检测。考虑到站点序列的完整性，本文以山东省1959-2018年共60 a逐日降水量数据为基础进行研究，根据测站的实际情况利用历史资料及邻近测站降水量数据对缺测日资料进行插补(2016、2018年部分站点缺测2003-01-03-10日数据)，并检验其相关性，以保证资料的精度以及降水序列的完整性。区域平均降水量通过泰森多边形法计算获得。研究区泰森多边形及气象站点分布如图1所示。

图1 研究区泰森多边形及气象站点分布

2.2 研究方法

应用Mann-Kendall突变检验法来分析年均降水量的变化趋势及突变情况，该法检测范围宽，人为性小，定量化程度高[17]。采用Z指数法[18]划分山东省的洪旱等级，Z指数法假设某一时段内的降水量服从Person-Ⅲ分布，对其进行正态化处理，转化为以Z为变量的标准正态公式，转换公式如下：

(1)

表1 Z值旱涝等级指标

Morlet小波分析法主要用来分析多年平均降水量的不同时间尺度特征及洪旱演变周期，该方法是傅里叶分析法的突破与发展，通过小波实部等值线分布，既能反映气候序列不同尺度周期变化的大小，还能反映变化的时间位置，在气候分析方面具有较强的适用性[19]。

3 降水时空变化特征分析

3.1 时间变化特征

1959-2018年山东省年降水量变化趋势和M-K突变检验结果见图2，春、夏、秋、冬四季降水量变化趋势见图3。

图2 1959-2018年山东省年降水量变化趋势和M-K检验图

图3 1959-2018年山东省春、夏、秋、冬四季降水量变化趋势

由图2、3可知，1959-2018年山东省多年平均降水量为671.2 mm，具有显著的年代际变化特征，总体上以1.67 mm/a的速率下降，前20年下降趋势明显，但近40年降雨趋势性变化特征不显著(图2(a))。春、夏、秋、冬四季多年平均降水量分别为100.3、416.1、124.9、28.3 mm。四季平均降水量变化各不相同(图3)。冬季和春季降水无明显变化趋势；夏季降水量占全年降水量的62%，总体以1.33 mm/a的速率下降，通过了0.05的显著水平检验，且与年降水量变化特征一致；秋季降水量下降速率较夏季缓慢，为0.63 mm/a。

M-K突变检验结果(图2(b))表明，1960-1964年UF>0，说明山东省降水量在此段时间内呈增加趋势，其中1961和1964年并达到0.05的显著水平；1966年之后UF<0，表明山东省降水量自1966年以来整体上一直处于减少趋势，并在1974年左右发生显著性突变，由湿润期进入干旱期。2000年之后全省降水量呈现增加趋势，近几年来有所减少。四季降水量的突变检验表明(图略)，夏季和秋季存在突变点，突变时间在1970年代初期，降水量由多变少；冬季和春季降水量突变特征不显著。

3.2 空间分布特征

利用反距离权重插值法绘出山东省1959-2018年平均降水量和倾向率的空间分布图，如图4所示。由图4(a)可以看出，山东省降水量在空间上呈从鲁东南部到鲁西北部递减的趋势。鲁中的泰山站因设在山顶高海拔位置，年均降水量大于900 mm；其次是鲁南的日照、临沂以及枣庄等地区，年均降水量在800～900 mm之间；再次是鲁东半岛的石岛、海阳以及青岛等地区，年均降水量在700～800 mm之间。降水的低值中心主要位于鲁西的朝阳、聊城以及鲁北的惠民县、东营和龙口等地区，其年均降水量小于600 mm。图4(b)显示，山东省大部分地区的降水量呈减少的变化趋势，其中下降速率较快的有成山头、石岛、海阳等东部半岛地区，下降幅度达4.62～5.38 mm/a；济南、兖州、枣庄下降速率较慢，下降幅度为0.06 mm/a左右，而全省中部沂源山区的多年平均年降水量呈现上升趋势，上升幅度为0.69～1.45 mm/a。从整体来看，东部的降水量下降幅度大于西部，其中成山头下降幅度最大，达5.38 mm/a。

图4 1959-2018年山东省年降水量及其变化倾向率空间分布

图5给出了1959-2018年山东省四季降水量变化倾向率的空间分布。由图5可看出，春季鲁西地区降水量略有增加，鲁东地区呈缓慢减少趋势；夏季降水量全省整体上呈现减少趋势，鲁东沿海和鲁西地区尤为显著，潍坊和枣庄夏季降水量有一定的增加；秋季降水量全省呈一致性减少趋势；而冬季全省降水量变化不显著，鲁中地区有所减少。

图5 1959-2018年山东省春、夏、秋、冬季降水量变化倾向率空间分布

4 洪旱演变及周期分析

4.1 洪旱时空分布特征

应用Z指数法对山东省1959-2018年旱涝等级进行统计，结果见表2。表2表明，1959-2018年，山东省发生重涝3次，分别发生在1964、1990和2003年，占比为5%，其中以1964年的洪涝灾害最为严重，导致山东全省成灾面积达279.47×104hm2，最大受灾面积达329.87×104hm2，严重影响了惠民、济宁等地区人们的生产生活；发生大涝3次，分别发生在1962、1971和1974年，占比5%；发生偏涝13次，占样本序列总数的21.6%，分别发生在1960、1961等13个年份，其中1960-1961、2004-2005、2007-2008年为连续偏涝年；发生偏旱5次，占比8.3%;发生大旱6次,占比10%；发生重旱4次，占比6.7%，分别发生在1981、1986、1989、2002年，如1981年重旱事件，全省受旱面积达412.27×104hm2，成灾面积229.47×104hm2，受灾人口达2 100.8×104人。

表2 1959-2018年山东省旱涝等级统计

计算各站点近1959-2018年不同等级洪旱事件发生次数，利用反距离权重插值法插绘出其空间分布图如图6所示。由图6可看出，重涝主要发生在鲁西、鲁南及鲁东沿海地区，其中菏泽、青岛等地重涝发生次数最多。大涝主要发生在鲁西、鲁北及鲁东南地区，其中朝阳、德州、东营、临沂等地大涝发生次数最多。重大涝灾主要发生在鲁西地区，其中尤以鲁南四湖、徒骇马颊河一带涝灾最为严重，鲁中部的泰山、沂山以及半岛地区洪灾相对较轻。洪灾主要发生在夏秋季节，与季节内降水量大小密切相关。

图6 1959-2018年山东省重涝、大涝、大旱、重旱发生次数的空间分布

1959-2018年来山东省旱灾频繁，主要发生在鲁中、鲁北及半岛地区，其中沂源、朝阳、潍坊、莱阳、枣庄等地区旱灾较为严重，重旱和大旱空间分布呈反相位关系，表明全省重大旱灾分布显著。干旱主要发生在春季和夏季，有些年份出现春夏连旱，如1988、1989年等。

4.2 洪旱演变周期分析

多年平均年降水量序列的小波实部等值线可以显示出降水量序列在不同时间尺度下的周期变化及其位相方面的信息，正负峰在不同时间尺度表现出最大振幅，正值对应部分洪涝期和相对较高降水期，负值对应部分干旱期。

1959-2018年山东省降水量的多时间尺度频率分布和小波方差如图7所示，四季降水量序列的实部时频分布如图8所示。

由图7可看出，存在明显的16和27 a的低频周期，山东省年降水量经历了3次丰枯变化；高频周期年代际特征显著，1960年代、1990年前后和2000年代4～5 a的周期突出，表明该时段洪旱灾害频繁发生。

图7 1959-2018年山东省年降水量序列的实部时频分布和小波方差图

由图8可以看出，春季5～10年的周期突出，横跨整个研究序列，15 a左右的周期主要出现在1980年以前。夏季23～30 a的低频周期和3～6 a的高频周期最为显著，与春季类似，1980年之前也具有15 a左右的周期特征；夏季降水量与年均降水量的周期变化最为相近，表明夏季降水对年降水具有较强的控制作用。秋季15 a左右的周期变化最为突出，而5 a左右的高频周期主要分布在1970年之前和2000年之后。冬季20 a左右的周期变化最为显著，同时整个序列具有5～10 a的周期变化。

图8 1959-2018年山东省春、夏、秋、冬季降水量序列的实部时频分布

5 结 论

(1)1959-2018年山东省年均降水量地区差异大，总体呈现从鲁东南向鲁西北递减的梯度变化趋势，而降水量线性倾向率变化则呈现西增东减的相反变化趋势，东部及南部降水量减少速度较西部与北部快。多年平均年降水量以1.67 mm/a的速率下降，以1974和1990年为两个时间节点，1959-2018年降水量经历了“丰-枯-丰”的周期变化，其中，1970年以前降水量较多。M-K检验结果显示，近60年来山东省多年平均年降水量突变发生在1970年代初，前20年降水下降趋势显著，后40年降水变化总体平稳。其中夏季降水变化特征与年降水变化特征一致，秋季降水以0.63 mm/a的速度减少，而春冬季降水变化趋势不显著。

(2)1959-2018年山东省旱灾、涝灾发生频率较高。从年际尺度看，重大涝灾平均每10 a发生一次，重大旱灾平均每7～8 a发生一次；从季节尺度看，涝灾主要发生在6-9月份，春旱以及晚秋干旱比较严重。从空间上看，鲁西、鲁南地区是洪灾频发区，而旱灾在全省均有分布，鲁中和半岛地区是重旱灾害频发区。

(3)在洪旱演变规律方面，小波分析结果显示近60年来山东省多年平均年降水量序列存在27、16和5 a左右的周期，其中27 a时间尺度的周期振荡最强，在此时间尺度下，山东省经历了“丰-枯-丰”的周期变化；1960年代、1990年前后和2000年代洪旱灾害频繁。四季周期变化不同，夏季降水量的周期变化与全年降水量的周期变化最相近。