1950—2019年诸城市多时间尺度降水特征分析

2021-12-09张英杰管西柯于爱玲

山东水利 2021年11期

张英杰，管西柯，于爱玲

（1.诸城市水利局，山东诸城262200；2.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；3.诸城市墙夼水库运营维护中心，山东诸城262200）

诸城市位于山东半岛东南部，总面积2183km2。根据1950—2019年系列，诸城市年均降水量705.7 mm，人均水资源量不足400 m3，属于严重缺水区。受气候变化影响，诸城市气温呈显著上升趋势，据对诸城市1961年以来气温变化分析[1]，诸城市气温上升速度为0.38℃/10 a。气温升高进一步加剧了水资源短缺和极端气候事件的发生。因此，研究诸城市降水特征的变化规律对深化认识该地区气候变化对降水的影响至关重要。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

数据来源于诸城市水利局1950—2019年30个雨量站70年的监测数据。将各月按照季节划分：春季（3~5月）、夏季（6~8月）、秋季（9~11月）、冬季（12~次年2月）。按照汛期时间划分：汛前（1~5月）、汛期（6~9月）、汛后（10~12月）。降水数据处理采用泰森多边形法将点雨量转化为面雨量，并计算诸城市月降水量、季节降水量、汛前、汛期、汛后降水量及年降水量。

1．2 研究方法

由于降水具有随机性且年际变化起伏较大的特点，降水的变化规律难以直观显示。因此，在对降水变化规律分析时通常采用5年滑动平均法[2-4]。该方法可以根据降水的时序数据，逐项滑动计算5年降水的时序平均值，从而达到消除降水随机波动影响，使降水变化规则能够更直观展现的目的。对降水变化趋势分析通常采用降水倾向率[5-7]来描述降水时序数列的线性变化趋势。分析某一时间尺度降水变化趋势对整体降水变化趋势的影响程度通常用变化趋势贡献率来表示。

2 结果分析

2.1 年降水特征分析

诸城市1950—2019年降水量变化规律及距平百分比，见图1。由图1（a）可知，诸城市近70年平均降水量为705.7 mm，年最大降水量是年最小降水量的3.1倍，其中最大降水量发生在1964年（1 328.2 mm），最小降水量发生在1988年（427.0 mm），年际变化较大。从降水倾向率来看，诸城市年降水量存在明显的减少趋势，减少速率为31.76 mm/10a。从5年滑动平均降水量的变化趋势来看，诸城市降水量总体呈现出增减交替的波动性减少趋势且存在一个6~20年的增减变化周期。从年内不同季节降水量来看，诸城市的降水主要集中在夏季，占全年降水量的62%，冬季降水量最少，仅占全年降水量的5.1%，春秋两季降水量相近，秋季降水略多于春季，春季降水占全年降水量的14.9%，秋季降水占全年降水量的18%。

对1950—2019年降水量做距平百分比见图1（b），诸城市降水丰枯情况呈现出1975年之前降水量较多，存在连续丰水年系列，1975年之后，降水量减少趋势明显，连续枯水年发生次数较多。具体来看，诸城市1950—1974年是一个降水量较为丰富时期，有12年是偏丰或者特丰水年，仅5年为偏枯或者特枯水年。1975年之后，诸城市降水量减少趋势明显，45年内枯水年发生了24次，丰水年仅9次，且1977—1992年间，发生了连续的枯水年。

图1 诸城市年降水量变化规律及距平百分比

2.2 季节降水特征分析

诸城市1950—2019年各季节降水变化及变化规律见图2。从季节降水量年际变化来看，诸城市各季降水量存在年际变化较大的情况。其中，春季最大降水量发生在1963年（274.8 mm），最小降水量发生在1986年（18.1 mm），最大降水量是最小降水量的15.18倍；夏季最大降水量发生在1971年（937 mm），最小降水量发生在1992年（188.6 mm），最大降水量是最小降水量的4.97倍；秋季最大降水量发生在1961年（315 mm），最小降水量发生在1988年（11.6 mm），最大降水量是最小降水量的27.16倍；冬季最大降水量发生在1998年（79.8 mm），最小降水量发生在1999年（0 mm）。

图2 诸城市季节降水变化及变化规律

从降水倾向率来看，诸城市四季降水都呈现出减少趋势，其中夏季降水减少速率最为显著，降水倾向率高达23.63 mm/10 a；冬季减少速率最小，仅为0.63 mm/10 a；春季、秋季减少速率接近，但秋季降水减少速率略大于春季，秋季降水倾向率为4.22 mm/10 a，春季降水倾向率为3.27 mm/10 a。从不同季节降水量对全年降水量的变化趋势的贡献率来看，夏季降水的变化趋势对全年降水变化趋势的贡献率最大，为74.41%；冬季的贡献率最小，为1.98%；秋季的贡献率为13.3%；春季的贡献率为10.31%。全年降水变化减少趋势的主要原因在于诸城市夏季降水的减少。

从季节内月降水的构成来看，诸城市春季降水5月份最多，占比达47.2%；4月份次之，为34%，3月份最少，为18.8%。夏季降水7、8月份占比相近，7月份略多于8月份，7月份占比为41.8%；8月份占比38.2%，6月份占比20%。秋季降水主要集中在9月份，占比超过了秋季降水的1/2，为52.5%；10月份占比次之，为27.9%；11月份占比最少，为19.6。冬季降水较为均匀，12、1、2月降水量占比分别为33.8%，25.5%，39.3%。

2.3 汛前、汛期、汛后降水特征分析

按照汛期时间，将余年划分为汛前期（1~5月）、汛期（6~9月）、汛后期（10~12月）3个时间段，分析诸城市降水的特征。

1950—2019年诸城市汛前期、汛期、汛后期降水量见图3。汛前期、汛期、汛后期降水量变化都表现为下降趋势。汛期下降速率最大，为25.07 mm/10 a，汛前期下降速率大于汛后期，汛前期下降速率为4.07 mm/10 a，汛后期下降速率为2.62 mm/10 a。从汛前、汛期、汛后降水量年际变化来看，汛前期最大降水量为305.7 mm，最小降水量为25.7 mm，最大值是最小值的11.89倍，年际差异较大；汛期最大降水量为1 016.3 mm，最小降水量为233.7 mm，最大值是最小值的4.35倍，年际差异明细；汛前期最大降水量为166.3 mm，最小降水量为0.8 mm，最大值是最小值的207.88倍，年际差异极大。从汛前期、汛期、汛后期降水量对全年降水量变化规律的贡献率来看，汛期的贡献率最大，为78.95%，汛前期贡献率为12.8%，汛后期贡献率为8.25%。诸城市降水量减少主要集中在汛期降水的减少。

图3 汛前期、汛期、汛后期降水量及变化规律

从不同时期内各月降水量构成来看，汛前期降水量主要集中在3、4、5月，占汛前期总降水量的80.6%。其中5月份占比最大，为38%；1月份最小，仅为7.4%。汛期降水主要集中与7、8月，占汛期总降水量的69.2%，两月降水量占比相近，7月（36%）略大于8月（33.1%），6、9月降水量占比相近，6月（17.2%）略大于9月（13.6%）。汛后期降水主要集中于10、11月，占汛后期总降水量的77.5%，10月（46.6%）大于11月（30.9%），12月占比22.5%。

2.4 月降水特征分析

以月时间尺度分析诸城市1950—2019年降水变化特征见图4。从降水倾向率看，以7月为例，降水量呈下降趋势，最大减少速率为17.61 mm/10 a；以8月为例，降水量呈增长趋势，最大增长速率为2.04 mm/10 a。用同样的方法对其余月份进行分析，1~6月、9~11月降水量均呈现不同程度的减少趋势，其中4月、10月降水量减少速率在2~3 mm/10 a；3月、9月降水量减少速率在1~2 mm/10 a之间；1月、2月、6月、11月降水量减少速率小于1 mm/10 a；5、12月降水量呈增加趋势，5月增长速率为1.15 mm/10 a，12月增长速率最小为0.16 mm/10 a。

图4 1950—2019年诸城市1～12月降水量及其变化趋势

从降水量减少贡献率来看，对全年降水倾向率贡献最大的是7月（55.45%），其次为6月（25.39%），6、7两月的合计贡献率达到80.85%，年降水量减少主要原因在6、7月份降水的减少。对季节降水倾向率的贡献率来看，春季主要是4月份降水量的减少，其贡献率为89.6%；夏季主要是7月份降水量减少，其贡献率为74.52%；秋季主要是10月份降水量的减少，其贡献率为54.27%；冬季主要是1、2月份降水量的减少，贡献率分别为53.97%，71.43%。对汛前期、汛期、汛后期降水倾向率的贡献来看，汛前期主要是3、4月份降水量的减少，贡献率分别为36.61%，71.99%；汛期主要是6、7月降水量的减少，贡献率分别为32.15%，70.24%；汛后期主要是10月份降水量的减少，其贡献率为87.4%。