山东省暴雨时空变化特征分析

陈鲁凤 刘 杰 蔡斌斌

(山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590)

0 引言

极端降水事件对人类生产生活有着相当重要的影响,近年来国外科学家对全球各地极端降水的趋势和极值等变化进行了大量研究[1]。1998年,KARL等[2]指出20世纪相比于19世纪的美国年降水量增加了8%,而增加的降水量大部分归因于暴雨量和暴雨日数的增加。ROY等[3]发现整个19世纪期间印度的极端降水事件发生的频率处在增加状态中,并且增加趋势明显。全球陆地各气象站降水观测数据显示,在过去20世纪期间,中低纬度地区强降水事件发生的频率普遍增加[4]。

中国极端降水事件的变化趋势存在明显的区域性差异[5]。杨金虎等[6]通过对全国各个气象站的降水数据研究,发现中国的西北部、青藏高原、长江中下游地区和东南沿海地区的极端降水事件呈现明显的增加的趋势。闵屾等[7]通过分析中国20世纪的极端降水事件,研究发现了中国极端降水事件具有时间维度上的持续性和空间分布的区域性等特点。

本次研究在借鉴其他学者研究理论及方法的基础上[8],运用山东省20个气象站点的近44年的日降水数据来分析山东省暴雨的时空分布及变化特征。希望通过这一研究,能在一定基础上揭示山东省暴雨的时空变化特征,对人们的生产生活提供一定帮助。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

降水数据来源于中国气象科学数据共享网,由于研究时间区间跨度较大,数据精度到日降水量且要有连续性,所以经过筛选选取了山东省境内具有代表性的 20个气象站点,这20个站点除莱芜和枣庄外均匀分布在山东省的每个地级市内,并且在沿海多降水地区如烟台威海等地境内平均有两个气象站点,这样的选择能对山东省暴雨有更全面的分析。确定站点后,获取了各站点1970—2013年的月降水量和日降水量数据。

在识别降水量的基础上确定暴雨事件,其关键是确定暴雨的阈值。本次研究采用绝对阈值的方法定义降水日和暴雨日,即根据国家降水等级划分标准,日降水量≥ 0.1 mm确定为一个降水日,日降水量≥ 50 mm为一个暴雨日[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 反距离权重空间插值法

反距离权重法是一种常用而简便的空间插值方法,它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均,离插值点越近的样本点赋予的权重越大[10]。相比于其他插值方法,反距离权重法(Inverse Distance Weight，IDW)插值的自然邻近关系具有良好的自适应分布特性,其结合自然邻近关系,可有效地解决参考点分布不均匀问题,是一种自适应的反距离权重的插值方法[11]。

1.2.2气候倾向率

用xi表示样本量为n的某一气候变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi与ti之间的一元线性回归方程

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(1)

式(1)的含义是用一条合理的直线表示气候变量x与其时间t之间的关系,其中a为常数,b为回归系数[12]。对观测数据xi及相应的时间ti,回归系数b和常数a的最小二乘法估计为

(2)

(3)

其中,b× 10即气候倾向率,单位为mm/10a。回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向,b>0,说明随时间t的增加x呈上升趋势,b值越大,上升趋势越明显,b< 0,说明随时间t的增加x呈下降趋势,b值越小,下降趋势越明显[13]。

1.2.3小波分析

小波分析能清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期,充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势,并能对系统未来发展趋势进行定性估计[14]。当选择好合适的小波函数后,通过小波变换获得小波系数,然后利用相关软件绘制小波系数等值线图[15]。

2 山东省降水量时空变化特征

2.1 降水量年际变化特征

通过对山东省近44年来的平均降水量趋势分析(图1)发现，1970—2013年山东省平均最低降水量出现在2002年,为416.0 mm;最高出现在2003年,为924.4 mm,相差达508.4 mm。在44年的时间里,降水量的总体趋势是上升的,气候倾向率达到0.91 mm/10a。

图1 年降水量趋势图

对山东省近44年来的平均降水日数趋势分析(图2)发现。1970—2013年山东省最少降水日最少出现在1999年,为59.1 d;最多出现在2003年,为93.5 d,相差近34 d。在44年的时间里,降水日数的总体趋势是减少的,降水日数倾向率为-1.73 d/10a,且减少较明显。

图2 年降水日数趋势图

2.2 年降水量空间分布特征

通过对各站点的年均降水量和年均降水日数空间特征分析,发现年均降水量和年均降水日数的空间分布特征具有很强的一致性。其受纬度因素、海陆因素以及地形因素的影响,由东南向西北逐渐减少,呈明显的带状分布,并且有明显的高低值中心。如图3～4所示，审图号为GS(2020)4814号。

图3 年降水量空间分布图

图4 年降水日数空间分布图

3 山东省暴雨时空变化特征

3.1 暴雨时间变化特征

通过对山东省近44年来的年均暴雨量趋势分析(图5)发现。1970—2013年山东省平均最低暴雨量出现在2002年,为95.87 mm;最高出现在2007年,为317.62 mm。在44年的时间里,降水量的总体趋势是增加的,气候倾向率达到5.34 mm/10a。

图5 暴雨量趋势图

对山东省近44年来的年均暴雨日数趋势分析(图6)发现。1970—2013年山东省最少暴雨日最少出现在2002年,为0.67 d;最多出现在1990年,为4.07 d,相差近3.4 d。在44年里,暴雨日数倾向率为0.05 d/10a,暴雨日数的总体趋势是增加的。

图6 暴雨日数趋势图

对近44年来山东省不同年代年暴雨降水量和年降水量、年暴雨日数和年暴雨日数的贡献率进行分析(表1)。结果显示，暴雨降水量对年降水量的贡献很大,且暴雨降水量年代贡献率之和一般稳定在25%以上,表明暴雨降水量是山东省降水量的重要组成部分。

表1 暴雨贡献率 单位：%

3.2 暴雨空间分布特征

分析山东省年均暴雨降水量空间分布如图7～9所示,审图号为GS(2020)4814号。年均暴雨量、暴雨日数和暴雨强度存在三个明显的高值中心,分别在泰山山地地区、鲁东南山地丘陵地区和山东半岛上的威海地区;而明显的低值中心有两个,分别是山东西部的聊城市和山东省北部的滨州市。其都受纬度海陆和地形因素影响:(1)受到纬度地带性的影响,整体上呈现出自南向北递减的趋势;(2)受到海陆因素的影响,在整体上呈现出自沿海向内陆递减的规律,因此,在靠近海岸的处于山东半岛的烟台威海地区形成高值地区;而山东省北部的德州和西部的聊城靠近内陆,形成明显的低值地区;(3)受到受地形因素影响,表现在山地地区降水较多,这也是泰山山地地区和鲁中鲁南的山地丘陵地区形成明显的高值中心的原因。

图7 暴雨量分布图

图8 暴雨日数分布图

图9 暴雨强度分布图

3.3 暴雨空间变化特征

在山东省年均暴雨降水量空间变化趋势图中(图10),年均暴雨降水量变化率在空间分布上存在明显差异。从图10中可以看出，暴雨降水倾向率值存在3个明显的高值中心,即威海市、淄博中部和菏泽西部,说明这些地方暴雨降水量的增加趋势显著;而暴雨降水量倾向率值存在3个明显的低值中心,包括潍坊北部、临沂南部枣庄和德州西北部,说明这些地区暴雨降水量减少趋势较明显;而在山东的其他地区,暴雨降水量倾向率在0上下浮动不大,说明高地区的暴雨降水量变化趋势不明显。

图10 暴雨量变化图

在山东省年均暴雨日数空间变化趋势图中(图11),年均暴雨日数变化趋势在空间分布上差异明显。从图11中可以看出，暴雨降水倾向率值存在3个明显的高值中心,即济南中部地区、淄博中部地区和菏泽西部地区,说明这些地方暴雨日数的变化趋势处在增加状态中,并且增加趋势显著;而暴雨降水量倾向率值存在1个明显的低值中心,位于鲁南部的临沂枣庄地区,说明此地区暴雨日数变化趋势处在明显地减少趋势;而在山东的其他地区,暴雨日数倾向率在0上下,说明这些地区的暴雨日数变化趋势不明显。

图11 暴雨日数变化图

在山东省年均暴雨强度空间变化趋势图中(图12),年均暴雨强度变化趋势在空间分布上差异明显。从图12中可以看出，暴雨强度倾向率数值存在1个明显的高值中心,即滨州地区,说明此地暴雨强度的变化呈现增加趋势,并且增加趋势显著;而暴雨降水强度倾向率值存在1个明显的低值中心,位于聊城西部,说明此地区暴雨强度变化呈现明显的下降趋势;而在山东的其他地区,暴雨强度倾向率在0上下,说明这些地区的暴雨强度变化趋势不明显。

图12 暴雨强度变化图

暴雨空间变化特征图10～12，审图号为GS(2020)4814号。

4 结束语

本研究通过对山东省近44年来山东省暴雨降水的时间和空间的变化特征分析得出以下结论:

(1)山东省年降水量呈现整体缓慢增加趋势,年降水日数呈现不明显的下降趋势。山东省的降水量、降水日数的空间分布特征受纬度和海陆因素的影响,呈现出由南向北递减和由东部沿海向西北内陆递减的分布规律。

(2)山东省近44年来暴雨降水量和暴雨日数呈现明显的上升趋势,并且在时间变化上具有明显的一致性,即暴雨降水量随暴雨水日数的增多而增多,也表明山东省的暴雨强度在时间变化上也呈现上升趋势。

(3)山东省的暴雨降水量、暴雨日数和暴雨强度的空间分布特征都受纬度、海陆和地形因素的影响,呈现出由南向北递减和由东部沿海向西北内陆递减的分布规律,并且在泰山地区形成暴雨发生的高频地带。

(4)山东省暴雨降水量、暴雨日数和暴雨强度的空间变化趋势各有不同,其中,暴雨量变化趋势与暴雨强度变化趋势在空间分布上具有明显的一致性。

整体看来,山东暴雨特征主要与位置地形有很大关系:受海陆因素影响,沿海地区暴雨强度较大,而山东西北部地区暴雨强度较小;收地形因素影响,泰安山地地区一直是暴雨发生的高频地带。通过分析确定了暴雨事件高发地区,可以通过采取相关措施,降低暴雨对人们生产生活带来的不利影响,包括城市定时清理河道和下水道,防止暴雨时发生堵塞造成城市内涝;居民增加暴雨危机意识,养成关注天气提前防范的良好意识等。

本研究分析了1970—2013年中国山东省地区的暴雨气候变化特征,为以后相关研究提依据。但强降水变化过程和机理,以及人类活动对强降水的影响等较为复杂,有待于在今后研究中进行进一步探讨。