季 妤，陳干琴，劉祖輝

（山東省水文中心，山東 濟(jì)南250002）

山東省地處黃河下游，東部突出于黃、渤海之間，形成山東半島，西北部與河北相鄰，西接河南，南鄰江蘇、安徽。山東省位于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，全省降水主要受大氣環(huán)流、季風(fēng)和地形條件影響，降水量的年際變化較大，年內(nèi)分配很不均勻。降水量年際年內(nèi)變化劇烈的這一特點(diǎn)，造成了山東省洪澇、干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)，同時(shí)也給水資源的開發(fā)利用帶來(lái)了很大困難[1]。本文采用多種方法對(duì)山東省年降水量的多年變化過(guò)程及周期進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，以期為洪澇災(zāi)害防治及水資源高效利用提供支撐。

1 研究資料與方法

1.1 基本資料

本文采用的降水資料源自按照國(guó)家規(guī)范進(jìn)行整編的水文資料，取自山東省水文數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合雨量資料實(shí)際情況，在山東省內(nèi)共選用觀測(cè)資料質(zhì)量較好、系列較長(zhǎng)的雨量站488處。并基于488處雨量站的年降水量系列，采用泰森多邊形法計(jì)算了1956—2016年山東省年降水量系列。

1.2 分析方法

本文采用線性回歸分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)等方法進(jìn)行降水量趨勢(shì)及突變分析，應(yīng)用模比系數(shù)、小波變換進(jìn)行豐枯周期分析。采用的方法詳見參考文獻(xiàn)[2]~[5]。

2 年降水量多年變化分析

2.1 變化趨勢(shì)分析

山東省年降水量變化過(guò)程線如圖1示。由圖1可知：1）山東省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動(dòng)，無(wú)明顯的增大或減小趨勢(shì)；2）從一元線性趨勢(shì)線可以看出，山東省降水量呈小幅減小趨勢(shì)，線性傾向率為-14.5 mm/10 a。

圖1 山東省年降水量變化過(guò)程線

為了定量分析降水量的變化趨勢(shì)，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分別計(jì)算了山東省全年及各月降水量的統(tǒng)計(jì)量Z，結(jié)果如圖2示。

圖2 山東省降水量M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

由圖2可知：1）山東省年降水量的Z值為-1.55，表明山東省年降水量呈減小趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)未通過(guò)檢驗(yàn)（顯著性水平α=0.05，Z的閾值為1.96），年降水量減小趨勢(shì)不顯著；2）各月降水量中，只有2月和5月降水量呈增大趨勢(shì)，其中5月通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，即5月降水量增大趨勢(shì)顯著；3）其余各月份降水量均呈減小趨勢(shì)，但均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，其中減小趨勢(shì)最大的是3月，減小趨勢(shì)最小的是8月。

2.2 變化幅度及突變分析

山東省1956—2016年降水系列中，最大年降水量發(fā)生在1964年，為1160.6 mm，最小年降水量發(fā)生在2002年，為418.4 mm，極差為742.2 mm，極值比為2.8。從各站多年平均年降水量的變差系數(shù)來(lái)看，全省各地降水量的年際變化較大，Cv值一般為0.2～0.35。Cv值總的變化趨勢(shì)為由南往北遞增，山丘區(qū)小于平原區(qū)。

采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法對(duì)山東省年降水量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，作出相應(yīng)的UF和UB曲線圖如圖3示。由圖3可知：1）山東省年降水量在1956—2016這61年的時(shí)間段內(nèi)UF值在大部分年份小于零，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)山東省年降水量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這與上文中M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果一致；2）UF、UB曲線相交于數(shù)個(gè)年份，進(jìn)一步用t檢驗(yàn)分析，1966年雙側(cè)檢驗(yàn)的顯著性水平α=0.018＜0.05，說(shuō)明1966年前系列與1966年后系列差別顯著，即山東省年降水量在1966年發(fā)生突變。

圖3 山東省年降水量M-K突變檢驗(yàn)

2.3 豐枯周期分析

從山東省平均年降水量過(guò)程線（圖1）可以看出，自1956年以來(lái)出現(xiàn)了4個(gè)較大的豐水段、4個(gè)較大的枯水段。從全省平均年降水量模比系數(shù)差積曲線（圖4）可以看出，1956—1975年為上升段（豐水期），1976—2001年為下降段（枯水期），自2002年開始又轉(zhuǎn)為上升段。

圖4 山東省年降水量模比系數(shù)差積曲線

采用小波變換法進(jìn)一步分析山東省年降水量的變化周期，計(jì)算了小波系數(shù)及小波方差，并繪制了小波系數(shù)圖、小波方差圖和主周期變化趨勢(shì)圖如圖5示。由圖5（a）可以看出，年降水量變化過(guò)程中存在著20～32年，11～19年以及3～10年的三類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在20～32年尺度上出現(xiàn)了枯～豐交替的準(zhǔn)4次震蕩；三個(gè)尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，且具有全域性。由圖5（b）可以看出，圖中存在4個(gè)較為明顯的峰值，它們依次對(duì)應(yīng)著23年、11年、7年和4年，其中最大峰值對(duì)應(yīng)著23年的時(shí)間尺度，說(shuō)明23年為降水量變化的第一主周期。根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制了控制年降水量變化的第一主周期小波系數(shù)圖。由圖5（c）可以看出，在23年特征時(shí)間尺度上，山東省年降水量的變化的平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了4個(gè)豐～枯轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

1）山東省1956—2016年系列平均年降水量673.0 mm，年降水量呈減小趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)不顯著；各月降水量中，2月和5月呈增大趨勢(shì)，其余月份均呈減小趨勢(shì)，僅5月變化趨勢(shì)顯著。

2）山東省降水量的年際變化較為劇烈，極值比為2.8，Cv值一般為0.2~0.35，年降水量在1966年發(fā)生突變。

圖5 山東省年降水量小波分析

3）山東省年降水量變化有明顯的豐、枯水交替出現(xiàn)的特點(diǎn)。23年為山東省年降水量變化的第一主周期。在23年特征時(shí)間尺度上，山東省年降水量的變化平均周期為15年左右，大約經(jīng)歷了4個(gè)豐~枯轉(zhuǎn)換。