山东省多年降水量变化分析

2021-12-09陈干琴刘祖辉

山东水利 2021年11期

季妤，陈干琴，刘祖辉

（山东省水文中心，山东济南250002）

山东省地处黄河下游，东部突出于黄、渤海之间，形成山东半岛，西北部与河北相邻，西接河南，南邻江苏、安徽。山东省位于暖温带季风气候区，全省降水主要受大气环流、季风和地形条件影响，降水量的年际变化较大，年内分配很不均匀。降水量年际年内变化剧烈的这一特点，造成了山东省洪涝、干旱等自然灾害频发，同时也给水资源的开发利用带来了很大困难[1]。本文采用多种方法对山东省年降水量的多年变化过程及周期进行了系统性的分析，以期为洪涝灾害防治及水资源高效利用提供支撑。

1 研究资料与方法

1.1 基本资料

本文采用的降水资料源自按照国家规范进行整编的水文资料，取自山东省水文数据库。结合雨量资料实际情况，在山东省内共选用观测资料质量较好、系列较长的雨量站488处。并基于488处雨量站的年降水量系列，采用泰森多边形法计算了1956—2016年山东省年降水量系列。

1.2 分析方法

本文采用线性回归分析、Mann-Kendall检验、t检验等方法进行降水量趋势及突变分析，应用模比系数、小波变换进行丰枯周期分析。采用的方法详见参考文献[2]~[5]。

2 年降水量多年变化分析

2.1 变化趋势分析

山东省年降水量变化过程线如图1示。由图1可知：1）山东省1956—2016年系列平均年降水量673.0 mm，年降水量在均值附近上下波动，无明显的增大或减小趋势；2）从一元线性趋势线可以看出，山东省降水量呈小幅减小趋势，线性倾向率为-14.5 mm/10 a。

图1 山东省年降水量变化过程线

为了定量分析降水量的变化趋势，采用Mann-Kendall趋势检验法分别计算了山东省全年及各月降水量的统计量Z，结果如图2示。

图2 山东省降水量M-K趋势检验

由图2可知：1）山东省年降水量的Z值为-1.55，表明山东省年降水量呈减小趋势，但减小趋势未通过检验（显著性水平α=0.05，Z的阈值为1.96），年降水量减小趋势不显著；2）各月降水量中，只有2月和5月降水量呈增大趋势，其中5月通过了显著性检验，即5月降水量增大趋势显著；3）其余各月份降水量均呈减小趋势，但均未通过显著性检验，其中减小趋势最大的是3月，减小趋势最小的是8月。

2.2 变化幅度及突变分析

山东省1956—2016年降水系列中，最大年降水量发生在1964年，为1160.6 mm，最小年降水量发生在2002年，为418.4 mm，极差为742.2 mm，极值比为2.8。从各站多年平均年降水量的变差系数来看，全省各地降水量的年际变化较大，Cv值一般为0.2～0.35。Cv值总的变化趋势为由南往北递增，山丘区小于平原区。

采用Mann-Kendall突变检验方法对山东省年降水量进行突变检验，作出相应的UF和UB曲线图如图3示。由图3可知：1）山东省年降水量在1956—2016这61年的时间段内UF值在大部分年份小于零，说明这段时间内山东省年降水量呈现减小趋势，这与上文中M-K趋势检验的结果一致；2）UF、UB曲线相交于数个年份，进一步用t检验分析，1966年双侧检验的显著性水平α=0.018＜0.05，说明1966年前系列与1966年后系列差别显著，即山东省年降水量在1966年发生突变。

图3 山东省年降水量M-K突变检验

2.3 丰枯周期分析

从山东省平均年降水量过程线（图1）可以看出，自1956年以来出现了4个较大的丰水段、4个较大的枯水段。从全省平均年降水量模比系数差积曲线（图4）可以看出，1956—1975年为上升段（丰水期），1976—2001年为下降段（枯水期），自2002年开始又转为上升段。

图4 山东省年降水量模比系数差积曲线

采用小波变换法进一步分析山东省年降水量的变化周期，计算了小波系数及小波方差，并绘制了小波系数图、小波方差图和主周期变化趋势图如图5示。由图5（a）可以看出，年降水量变化过程中存在着20～32年，11～19年以及3～10年的三类尺度的周期变化规律。其中，在20～32年尺度上出现了枯～丰交替的准4次震荡；三个尺度的周期变化在整个分析时段表现得较为稳定，且具有全域性。由图5（b）可以看出，图中存在4个较为明显的峰值，它们依次对应着23年、11年、7年和4年，其中最大峰值对应着23年的时间尺度，说明23年为降水量变化的第一主周期。根据小波方差检验的结果，绘制了控制年降水量变化的第一主周期小波系数图。由图5（c）可以看出，在23年特征时间尺度上，山东省年降水量的变化的平均周期为15年左右，大约经历了4个丰～枯转换。