1961-2020年沂蒙山区极端降水时空变化特征

时延锋，李福孟，王志峰，李炳旭，张志斌，李福林

(1.山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南 250101;2.济南城建集团有限公司，山东 济南 250000;3.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014)

1 研究背景

在全球变暖的大背景之下，极端气候事件发生的频率越来越高，高温、洪水、干旱等极端气候不仅破坏了生态环境，而且阻碍了经济社会的发展，同时也对人民群众的生命及财产安全造成了严重的威胁[1-4]。其中极端降水为极端气候的重要表现，已得到国内外的广泛关注[5-7]。

由于地形、环境等因素的影响，不同区域的极端气候尤其是极端降水会有明显不同，因此面向区域尺度的极端降水研究是非常必要的。沂蒙山区地处鲁中南山地丘陵区，地貌复杂，以山地、丘陵为主。同时该地区气候变化多样，极端气候增多，尤其是极端降水，加重了该区域的水土流失，甚至容易引发山洪、泥石流等灾害，对人类的生存产生严重影响。然而却鲜有学者针对沂蒙山区的极端降水事件开展研究，故本研究基于沂蒙山区1961-2020年20个国家级气象站的日降水数据，选取了9个极端降水指数，利用5 a滑动平均法、Mann-Kendall法和累积距平法、Morlet小波变换法、泰森多边形及克里金空间插值法对沂蒙山区极端降水的时空变化特征进行了分析，研究结果有助于在全球变暖的大背景下更好地了解沂蒙山区的极端降水，以期为该区域应对未来气候变化、解决水资源短缺问题、防灾减灾等提供理论和数据支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

沂蒙山区位于山东省的中南部(116°34′～119°39′E，34°26′～36°23′N)，属于北方土石山区，总面积约3.26×104km2，涉及27 个县(市、区)。研究区为半湿润暖温带季风气候，降水比较丰富，年均降水量为 700～900 mm，多集中在汛期6-9月份，年平均气温为12～14 ℃。土壤类型有棕壤、褐土、潮土等，地貌复杂，以山地、丘陵为主。自然植被以暖温带落叶阔叶林为主，主要有侧柏、油松、刺槐等。沂蒙山区地形高程及本研究选取的气象站分布见图1。

图1 沂蒙山区地形高程及气象站分布

2.2 数据来源

本研究所选取的20个国家气象站1961-2020年逐日降水数据均来源于国家气象数据共享平台(http://data.cma.cn)，站点分布均匀，数据质量较好。各气象站的基本信息见表1。

2.3 研究方法

(1)极端降水指数的选取。我国通常将日降水量介于25～50 mm和大于50 mm的降水事件定义为大雨和暴雨。但由于不同区域的年降水量差异较大，不能完全按照统一标准进行简单定义。因此，本研究对于极端降水的定义是在参考了世界气象组织提出的极端降水指数的基础上，利用百分位法进行定义的。同时基于研究区现状，参考国内外相关文献[16-20]，选取了9个极端降水指数来进行分析，各极端降水指数及其定义见表2。

表1 选取的20个国家气象站基本信息

表2 极端降水指数名称及定义

(2)时空变化特征分析。在时间序列变化上，本研究采用5 a滑动平均法来分析各极端降水指数的年际变化；利用Mann-Kendall法[21-23]和累积距平法[24-25]两种方法来进行突变检验，以探明各极端降水指数发生突变的情况；基于 Morlet 小波变换法分析各极端降水指数的周期变化，通过MATLAB和Excel分别计算小波系数和小波系数的实部，最后利用Surfer9软件绘制出小波等值线图进行分析，并通过小波方差图中丰、枯的交替来判断各极端降水指数周期的变化规律[26-28]。

空间变化上，主要利用泰森多边形法[29]和空间插值法[30-31]来进行分析。泰森多边形法主要是用来计算研究区范围内的平均降雨量。空间插值法包括反距离加权平均插值法(inverse distance weight，IDW)、趋势面法、样条函数法、克里金法(Kriging)等方法，本文主要利用克里金插值法来进行空间变化特征的分析。

(3)年降水量异常年份判定。将年降水量距平除以标准差，若该比值≥1或≤-1，即为异常偏高或偏低；若该比值≥2或≤-2，即为典型异常偏高或偏低。结合极端降水指数综合表现，确定研究区的极端降水异常年份[32]。

3 结果与分析

3.1 极端降水指数时间变化特征

研究区各极端降水指数随时间的变化趋势如图2和表3所示。由图2和表3可知，除了降水强度(P<0.05)、5 d最大降水量(P<0.05)和1 d最大降水量(P>0.05)呈上升趋势外，大雨日数、年降水量、强降水量、极强降水量、连续干旱日数及连续湿润日数均呈下降趋势，但下降趋势不明显。其中，年降水量、强降水量和极强降水量通过0.05水平的显著性检验；大雨日数、连续干旱日数和连续湿润日数未通过0.05水平的显著性检验。从5 a滑动平均来看，大雨日数、年降水量、强降水量变化趋势相似，均在20世纪70年代和21世纪初出现偏高的情况，即在时间序列上出现双峰型变化，表明年降水量主要受大雨日数和强降水量影响；1 d最大降水量、5 d最大降水量和极强降水量在20世纪70年代出现峰值，90年代后变化平稳，近两年又出现上升趋势；极强降水量经历了20世纪60-70年代初先下降后上升的变化，80年代后波动变化平缓。连续干旱日数和连续湿润日数在研究时段内变化平稳，连续干旱日数基本保持在44～46 d/a，连续湿润日数基本保持在4～5 d/a；降水强度呈波动上升趋势，但基本保持在9～10 mm/d。

综上分析，研究区年降水量和极端降水事件呈不显著减少趋势，但2010年之后，大雨日数、强降水量和极强降水量有增大的趋势，随着降水强度的增大，极端降水的发生概率也相应增大。随着全球气候变暖和水循环加剧，局部地区强对流天气的增多可能导致了沂蒙山区极端降水的增多、增强。

图2 1961-2020年沂蒙山区各极端降水指数年际变化趋势

表3 极端降水各指数变化趋势及速率

3.2 极端降水指数突变分析

借助MATLAB2018b绘制M-K曲线图，并结合累积距平法进行研究区极端降水指数的突变分析，结果如图3、4所示。

综合分析图3、4可知，大雨日数UB和UF曲线在1962、1963和1965年出现3个突变点，且突变点位于置信区间内，UF曲线整体位于0值以下，表明大雨日数处于缓慢减少的阶段，且UF曲线在1980年后超过0.05信度线，表明1980年后大雨日数下降趋势明显，结合累积距平曲线可以看出，1975年之后大雨日数整体呈下降趋势，这与M-K突变检验结果一致。年降水量突变情况与大雨日数类似。同理，1 d最大降水量在1990年之后发生过突变，但突变之后UF曲线没有超过0.05信度线，表明突变不明显，UF曲线在1997年之前基本位于0值以下，1997年之后位于0值以上，表明1日最大降水量在1997年之前基本呈下降趋势，1997年之后呈上升趋势。5 d最大降水量突变情况与1日最大降水量突变情况类似。连续干旱日数在2010年后出现3个突变点，且突变点位于置信区间内，UF曲线未超过0.05信度线，表明连续干旱日数突变不明显。降水强度在1998年发生突变，突变之后变为上升趋势，根据累积距平曲线也可看出，降水强度经历了先减少后增加的过程。

图3 1961-2020年沂蒙山区各极端降水指数M-K曲线

3.3 极端降水指数周期分析

研究区极端降水指数小波周期变换及小波方差结果如图5所示。由图5可以看出，除了大雨日数、1 d最大降水量、连续干旱日数和连续湿润日数4个指标存在3个主周期外，其余指标均存在2个主周期。年降水量、强降水量、极强降水量和降水强度周期变化一致，20 a的振荡周期最显著，为第一主周期，具有全域性且在整个研究期内呈现4个“丰-枯”转换期，其次为15 a的振荡周期明显，为第二主周期，周期变化在2000年以前表现较为强烈。1 d最大降水量和5 d最大降水量均是在18 a的振荡周期最显著，且具有全域性；其次为10 a的振荡周期，1 d最大降水量在6 a为不显著的第三周期。连续干旱日数在15 a尺度的周期变化为第一主周期，具有全域性且在整个研究期内呈现7个“丰-枯”转换期，8 a为第二主周期，3 a为不显著的第三周期，周期变化在1985年以后表现较为强烈。28 a尺度的周期变化为连续湿润日数第一主周期，其次为18 a的振荡周期明显，为第二主周期，周期变化在1970-1995年较为强烈，8 a的周期变化短暂且具有局域性，为第三主周期。大雨日数的第一主周期是22 a，第二和第三主周期分别是30和7 a。

图4 1961-2020年沂蒙山区各极端降水指数累积距平曲线

3.4 极端降水指数空间分布规律

研究区1961-2020年极端降水指数的空间分布规律如图6所示。由图6可以看出，除了连续干旱日数与降水强度外，其他7个指数均是由东南向西北逐渐减少。区域内大雨日数高值区在临沂附近(9.8 d)，低值区在沂源附近(7.9 d)，80%站点的大雨日数多年平均值为8.0～9.5 d，其中，有8个站点大雨日数多年平均值大于9 d。年降水量高值区在临沂附近(855.55 mm)，低值区在曲阜附近(699.95 mm)。1 d最大降水量高值区在临沂附近(108.86 mm)，低值区在沂源附近(86.45 mm)，且75%的站点1 d最大降水量多年平均值在90～105 mm之间。5 d最大降水量高值区在临沂附近(165.76 mm)，低值区在沂源附近(136.81 mm)，且90%的站点5 d最大降水量多年平均值在138～160 mm之间。强降水量高值区在临沂附近(336.04 mm)，低值区在曲阜附近(255.96 mm)，且75%的站点强降水量多年平均值在275～320 mm之间。极强降水量高值区在临沂附近(129.68 mm)，低值区在沂源附近(85.96 mm)，且80%的站点强降水量多年平均值在90～105 mm之间。连续湿润日数高值区在临沂附近(5.3 d)，低值区在平邑附近(4.4 d)。

连续干旱日数整体呈现从东到西递减的趋势，高值区在沂源附近(47.2 d)，低值区在五莲附近(42.67 d)。降水强度整体呈现南高北低的趋势，各站点降水强度多年平均值基本在9～10 mm/d之间，高值区在峄城附近(10.19 mm/d)，低值区在沂源附近(8.66 mm/d)。

图5 1961-2020年沂蒙山区各极端降水指数小波变换及方差

3.5 降水异常年份检测

根据年降水量异常年份判定方法，结合极端降水各指数的年际变化情况，确定研究区1961-2020年极端降水异常年份，结果如图7及表4所示。1980-2000年间为异常年份多发时段，近一半年份为异常偏低。除年降水量外，其他几个极端降水指数也在不同方面揭示了降水异常年份。大雨日数、1 d最大降水量以及强降水量和年降水量的典型异常偏高年份均出现在1964、2003、2020年。除了连续干旱日数在2003年达到最低值以外，其他7个指数的最低值均在年降水总量异常偏低年份范围内。

一般来说，降水异常年份容易发生极端降水或极端干旱，但是，降水正常年份也可能发生极端气候事件。例如，2018年6月25日起的强降水导致山东淄博、潍坊、泰安、日照、临沂、滨州等地遭受不同程度的洪涝灾害。据山东省水文局统计，6月25日至26日下午2点，山东全省平均降水量为77 mm，最大降水量出现在临沂市沂水县辉泉雨量站，达到333 mm。但通过检测发现2018年为正常年份，这表明在研究极端降水事件时要综合考虑多种因素，某次极端降水事件的发生可能受极端天气影响，预测难度大，可预报性低。

图6 1961-2020年沂蒙山区各极端降水指数平均值空间分布特征图

图7 1961-2020年沂蒙山区降水异常年份检测

表4 1961-2020年研究区年降水量异常值出现年份统计表

4 讨 论

由于近年来极端气候事件频发，国内外专家学者越来越重视对极端气候事件时空分布等方面的研究，并取得了大量的研究成果。本文通过对沂蒙山区9个极端降水指数的时间变化趋势、突变、周期及空间分布特征的研究，得出沂蒙山区1961-2020年的极端降水变化不显著，具体表现为1 d最大降水量、5 d最大降水量和降水强度呈现增加的变化趋势，年降水量、大雨日数、强降水量、持续湿润日数呈现下降的变化趋势，这与李胜利等[14]、苏敏等[15]对山东省极端降水指数变化的研究结论基本一致，表明沂蒙山区极端降水变化基本符合山东省极端降水的整体变化特征。降水强度的增加会加剧沂蒙山区的水土流失情况，因此沂蒙山区仍需重视水土保持的相关工作。

极端降水事件由于降水强度大、时段集中，会引起山洪、滑坡、泥石流、城市严重内涝等灾害，给人民的生命安全及财产带来严重威胁。因此急需研究区域尺度的极端降水时空变化特征，该研究对区域合理安排生产、提高防灾减灾能力具有重要的意义。

5 结 论

本研究基于20个国家气象站1961-2020年日降水数据，利用9个极端降水指数，运用5年滑动平均法、Mann-Kendall法和累积距平法、Morlet 小波变换法、泰森多边形法及克里金空间插值等方法，从时间和空间两个角度，分析了沂蒙山区极端降水的变化特征，得出以下主要结论：

(1)研究区1 d最大降水量、5 d最大降水量和降水强度呈上升趋势，大雨日数、年降水量、强降水量、极强降水量、连续干旱日数及连续湿润日数呈下降趋势，但下降趋势均不明显。整体来说，研究区年降水量及极端降水事件呈不显著减少趋势，但2010年之后，大雨日数、强降水量和极强降水量有增加趋势。

(2)Mann-Kendall突变法与累积距平法的检验结果一致，年降水量与大雨日数均是在1980年后下降趋势明显，降水强度在1998年发生突变，突变之后变为上升趋势。极端降水主要存在3个主周期，即18～20、10～15和5～8 a，震荡强度由强到弱。

(3)空间分布上，除连续干旱日数与降水强度外，其他7个指数空间分布相似，基本呈现从东南向西北减少的分布格局；连续干旱日数整体呈现从东到西递减的趋势，降水强度整体呈现南高北低的趋势。

(4)1980-2000年间为异常年份多发时段，近一半年份为异常偏低。大雨日数、1 d最大降水量以及强降水量与年降水量一样，典型异常偏高年份均出现在1964、2003、2020年。