黃河三角洲地區(qū)降水時序變化特征研究

劉 健，林 琳，陳學(xué)群，管清花

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟南 250013)

地理學(xué)上，黃河三角洲是指1855年黃河改道后沖積的以利津縣為頂點、北至徒駭河口、南至小清河口，主體在東營市境內(nèi)的呈扇狀三角形的地區(qū)，其面積約5450km2，是我國最大的三角洲。黃河三角洲位于沿海開放地帶，經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，是我國重要的石油生產(chǎn)基地，也是我國具有戰(zhàn)略發(fā)展意義的黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分，經(jīng)濟地位特殊而重要[1]。

黃河三角洲淡水資源短缺，這是阻礙和制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的 “瓶頸”。降水和黃河客水是黃河三角洲區(qū)域重要的淡水水源。在當(dāng)前我國全面實行最嚴格水資源管理制度的大背景下，黃河來水不穩(wěn)定，以及當(dāng)?shù)亟邓淖兓?，對黃河三角洲地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展將產(chǎn)生重要的影響[2]。國內(nèi)外學(xué)者對黃河三角洲地區(qū)展開了一些研究工作。蓋世民等[3]和劉晉秀等[4]利用20世紀60—90年代資料對黃河三角洲地區(qū)的氣候變化趨勢和年際、夏季的降水變化特征進行了分析，但資料的時間序列較老。近年來，對降水的研究主要集中在對區(qū)域淺層地下水和氣候生產(chǎn)力的影響方面[2，5]，而專門系統(tǒng)地針對黃河三角洲地區(qū)降水序列變化特征的研究較少。筆者以黃河三角洲區(qū)域內(nèi)5個氣象站1961—2007年逐日實測降水資料為基礎(chǔ)，運用氣象科學(xué)常用的計算和分析方法，分析近50年來黃河三角洲降水序列年際、年內(nèi)變化特征。研究結(jié)果不僅有助于更好地了解區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)過程，而且對區(qū)域水利工程建設(shè)規(guī)劃、水資源季節(jié)調(diào)蓄，乃至對保障區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和提高人民生活水平都具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)選擇與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)選擇

本研究數(shù)據(jù)由中國氣象局國家氣候信息中心氣候資料室提供，數(shù)據(jù)包括黃河三角洲地區(qū)5個氣象站1961—2007年逐日降水資料。5個氣象站包括1個國家級氣象站(東營站)、4個省級氣象站(廣饒站、利津站、墾利站和河口站)。各氣象站空間位置見圖1。

圖1 黃河三角洲D(zhuǎn)EM高程及氣象站位置

5個氣象站逐日降水資料缺失率均在0.87%以下。對缺失的資料采用時間插值和空間插值兩種方法進行插補處理[6]。5個氣象站的逐日實測降水資料均采用Von Neumann ration、Cumulative deviations和Bayesian procedures 3種統(tǒng)計量方法進行均一性檢驗，結(jié)果表明均通過95%的置信度檢驗[7-8]。

采用泰森多邊形法(Thiessen method)對黃河三角洲地區(qū)5個氣象站逐日面降水量數(shù)據(jù)進行處理，泰森多邊形的劃分見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢與突變研究方法

本次研究對降水變化趨勢和突變研究采用氣象計算中常用的曼-肯德爾法(Mann-Kendall，以下簡稱MK法)。MK法通過構(gòu)造正序列(UF)和逆序列(UB)進行計算，根據(jù)正逆序列統(tǒng)計量的曲線判斷氣象要素的變化趨勢和突變特征。當(dāng)正序列(UF)的值為正，表示序列呈上升趨勢；當(dāng)正序列(UF)的值為負，表示序列呈下降趨勢。當(dāng)正、逆序列統(tǒng)計量的曲線超過臨界直線時，表示序列上升或下降趨勢顯著。如果正序列(UF)和逆序列(UB)兩曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。MK法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，比較適用于類型變量和順序變量[9-10]。

1.2.2 周期研究方法

對周期變化特征的研究采用小波分析法。小波分析法(wavelet analysis method)是一種信號處理方法，是傅里葉(Fourier)思想的延伸和拓展，其核心是小波變換。基于放射群的不變性，小波變換把一個時間序列分解為時間和頻率兩部分，從而分辨時間序列在不同尺度上的演變特征[11-12]。小波分析的關(guān)鍵和難點是選擇合適的基小波。與實型小波相比，復(fù)數(shù)小波更能真實反映時間序列各尺度周期性大小及其在時域中的分布，因此，本文選擇比較常用的復(fù)Morlet小波作為基小波[13]。復(fù)Morlet小波變換的實部和模是兩個重要的變量，實部表示不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和位相信息，模表示特征時間尺度信號的強弱[14-15]。

通過小波變換得到一個尺度-時間函數(shù)，若要從中準確判斷哪個尺度的周期對降水序列的變化起主要作用，需要借助小波方差來進行小波分析檢驗[15]。

對于長度為n的離散時間序列，小波方差的計算公式為

(1)

式中：a為尺度；xj為時間；V(a)為尺度a、時間xj處的小波系數(shù)平方W2(a，xj)的均值。

對于復(fù)小波系數(shù)，W2(a，xj)則為系數(shù)模的平方，小波方差的各個峰值分別對應(yīng)顯著周期[16]。當(dāng)小波系數(shù)達到最大值時，小波系數(shù)的尺度與序列周期吻合最好。

本研究周期變化特征采用數(shù)據(jù)為月時間尺度，為消除降水序列中季節(jié)變化及短期誤差的干擾，需要對序列進行標準化處理：

(2)

2 降水年變化特征

根據(jù)氣象站實測數(shù)據(jù)，黃河三角洲多年(1961—2007年)平均降水量為621.1mm，且其降水量年際變化懸殊，年降水量的最大值與最小值的比值約為4.5。黃河三角洲地區(qū)1961—2007年年均降水量年代距平見表1。由表1可見，20世紀60年代和70年代黃河三角洲地區(qū)的降水量距平為正，說明該段時期內(nèi)降水量偏多，而進入80年代以后，降水量距平為負，說明該段時間降水量偏少。其中80年代降水量最少，其距平百分比達-31.93%。進入90年代和21世紀，降水量距平雖然仍為負值，但與80年代相比，降水量距平在逐步增加。

表1 黃河三角洲1961—2007年年均降水量年代距平

圖2是1961—2007年黃河三角洲年際降水量線性變化趨勢圖。從圖2可以看出，自1961年以來，黃河三角洲降水呈現(xiàn)逐步下降趨勢，下降率為99.3mm/10a。采用MK法對年降水量進行突變檢驗(圖3)，結(jié)果顯示，在1977年左右降水量出現(xiàn)突變，之后下降迅速，下降趨勢通過99%的置信度檢驗。

圖2 1961—2007年黃河三角洲年際降水量線性變化趨勢

圖3 1961—2007年黃河三角洲降水量MK法突變檢驗

圖4為月標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻圖，表明了降水在不同時間尺度上的周期震蕩。圖4顯示，黃河三角洲在大于564個月、100～150個月、小于50個月尺度上存在震蕩變化。由于序列最大為564個月，本研究不考慮大于564個月的周期變化。因此，黃河三角洲地區(qū)降水可能存在100～150個月的周期變化，也可能存在低于50個月的周期變化。

圖4 月標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻

采用小波方差對準確的變化周期進行檢驗(圖5)，發(fā)現(xiàn)降水序列小波方差出現(xiàn)約3個峰值，其中最高峰出現(xiàn)在尺度98處，表明該尺度下周期震蕩最強，說明黃河三角洲年降水存在98個月(約8～9a)的第一主周期，同時還存在51個月(約4～5a)和31個月(2～3a)的次周期。

圖5 月降水序列小波方差

不同時間尺度對應(yīng)的降水結(jié)構(gòu)不同，小尺度的變化多嵌套在較大尺度內(nèi)。在8～9a的主變化周期下(圖6)，黃河三角洲降水量經(jīng)歷了5.5個周期的循環(huán)交替，其中，1961—1986年周期變化特征明顯，經(jīng)歷了豐→枯→豐→枯→豐→枯的變化；1986—1995年周期變化特征則不明顯；進入1996年后周期變化特征明顯，在2007年左右達到了枯水期的低谷。根據(jù)其8～9a的主變化周期，可預(yù)測當(dāng)前2011年及未來至2014年，黃河三角洲地區(qū)降水將會處于比較豐沛的時期。

圖6 黃河三角洲8～9a尺度下降水量震蕩變化周期

3 降水季節(jié)變化特征

表2 黃河三角洲1961—2007年不同季節(jié)平均降水量年代距平

為了全面分析黃河三角洲降水量的年內(nèi)變化，本文對春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)降水量的趨勢、突變、周期等變化特征進行研究。

3.1 春季降水變化特征

黃河三角洲地區(qū)1961—2007年春季降水量年代際距平見表2。20世紀60年代和70年代春季降水量距平為正值，說明該時段降水量偏多；進入80年代，降水量距平轉(zhuǎn)為負值，說明該時段開始降水量偏少，90年代的降水量距平百分比為-38.10%，說明90年代比80年代降水量要小得多。進入21世紀，降水量距平雖然仍為負值，但是降水量有所回升，降水量距平百分比為-9.05%。

從長時間尺度上看，春季降水總體上呈現(xiàn)減少趨勢(圖7)，減少速率為17.6mm/10a。采用MK法進行突變檢驗，發(fā)現(xiàn)春季降水在1976年左右發(fā)生突變；在1976年后，春季降水下降趨勢明顯，下降趨勢通過99%的置信度檢驗。

圖8(a)為黃河三角洲地區(qū)春季降水標準序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻圖。從圖8(a)可見，春季降水在40～60個月和低于30個月的尺度上存在震蕩變化，說明春季降水可能存在40～60個月和低于30個月的變化周期。通過小波方差，可準確地判斷出春季降水在48個月(約16a)尺度上震蕩最明顯，其次為24個月(約8a)尺度，說明春季降水存在約16a左右的主變化周期，同時還存在8a左右的次變化周期。

圖7 黃河三角洲春季(3—5月)降水量年際變化趨勢

在16a的主變化周期上，黃河三角洲地區(qū)春季降水經(jīng)歷3.5個周期豐枯變化，其中1961—1967年、1976—1983年、1992—1996年、2001—2007年為多水期，1968—1975年、1984—1991年、1997—2000年為少水期。根據(jù)春季降水16a的主周期變化特征，可預(yù)測當(dāng)前2011年及未來至2016年春季降水均處于少水期。

3.2 夏季降水變化特征

黃河三角洲地區(qū)1961—2007年年代際夏季降水量距平見表2。20世紀60年代和70年代夏季降水量距平為正值，說明該時段降水量偏多；在80年代和90年代，降水量距平為負值，甚至80年代的降水量距平百分比為-20.48%，說明該時段開始降水量偏少。進入21世紀，降水量距平已為正值，說明夏季降水相比于20世紀80年代和90年代已經(jīng)開始回升。

從年代際變化看，黃河三角洲地區(qū)夏季降水總體上也呈現(xiàn)減少趨勢(圖9)，降水量減少率為21.5mm/10a。采用MK法對長時間序列突變進行檢驗，發(fā)現(xiàn)夏季降水量在1965年左右發(fā)生突變，1965—1975年夏季降水量較前期下降明顯，但1976年后下降速度較1965—1975年更明顯，下降趨勢通過99%的置信度檢驗。

圖8(b)為黃河三角洲地區(qū)夏季標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻圖。從圖8(b)可見，夏季降水在40～60個月和低于40個月的尺度上存在周期震蕩變化。說明夏季降水可能存在40～60個月和低于40個月的變化周期。通過小波方差，可準確地判斷出夏季降水在49個月(約16～17a)尺度上震蕩最明顯，其次為31個月(約10～11a)尺度。說明夏季降水存在約16～17a左右的主變化周期，同時還存在10～11a左右的次變化周期。

圖8 不同季節(jié)標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻

圖9 黃河三角洲夏季(6—8月)降水量年際變化趨勢

在16～17a的主變化周期上，黃河三角洲地區(qū)夏季降水經(jīng)歷3.5個周期豐枯變化。其中1961—1964年、1973—1981年、1990—1997年、2005—2007年為多水期，1965—1972年、1982—1989年、1998—2004年為少水期。根據(jù)夏季降水16～17a的主周期變化特征，可預(yù)測當(dāng)前2011年夏季處于多水期，進入2012年將進入下一個少水周期。

3.3 秋季降水變化特征

圖10 黃河三角洲秋季(9—11月)降水量年際變化趨勢

秋季降水量年代際距平見表2。20世紀60年代和70年代秋季降水量距平為正值，說明該時段降水量偏多；在80年代和90年代，降水量距平為負值，甚至80年代的降水量距平百分比為-32.77%，說明該時段開始降水量偏少。進入21世紀，降水量距平百分比又降至-15.64%，說明該段時間秋季降水又減少。

從年代際降水量變化來看，黃河三角洲地區(qū)秋季降水總體上也呈現(xiàn)減少趨勢(圖10)，降水量減少率為17.2mm/10a。采用MK法對長時間序列突變進行檢驗，發(fā)現(xiàn)秋季降水同樣在1965年左右發(fā)生突變，1965—1975年秋季降水較前期下降明顯，但1976年后下降速度較1965—1975年更明顯，下降趨勢同樣通過99% 置信度檢驗。

圖8(c)為黃河三角洲地區(qū)秋季標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻圖。從圖8(c)可見，秋季降水在80～120個月、40～60個月和低于30個月的尺度上存在周期震蕩變化，說明秋季降水可能存在80～120個月、40～60個月和低于30個月的變化周期。通過小波方差，可準確地判斷出秋季降水在48個月(約16a)尺度上震蕩最明顯，其次為92個月(約30～31a)尺度和21個月(約7a)。說明秋季降水存在約16a左右的主變化周期，同時還存在約30～31a和7a左右的次變化周期。

在16a的主變化周期上，黃河三角洲地區(qū)秋季降水經(jīng)歷3.5個周期豐枯變化，其中1961—1967年、1975—1982年、1990—1997年、2007年為多水期，1968—1974年、1983—1989年、1998—2006年為少水期。根據(jù)秋季降水16a的主周期變化特征，可預(yù)測當(dāng)前2011年及未來至2015年秋季處于多水期。

3.4 冬季降水變化特征

冬季降水量年代際距平見表2。從表2可見，黃河三角洲不同年代冬季降水相差懸殊。20世紀60年代和70年代秋季降水量距平為正值，說明該時段降水量偏多，但60年代和70年代的降水量距平百分比分別達到81.48%和118.17%；80年代、90年代及21世紀的初始幾年，降水量距平均為負值，說明該段時期冬季降水偏少，其降水量距平百分比均在-70%以上。

從降水年代際變化看，黃河三角洲地區(qū)冬季降水總體上也呈現(xiàn)減少趨勢(圖11)，降水量減少率為43.2mm/10a。采用MK法對長時間序列突變進行檢驗，發(fā)現(xiàn)冬季降水同樣在1976年左右發(fā)生突變，之后降水量下降較前期明顯，下降趨勢通過99% 置信度檢驗。

圖11 黃河三角洲冬季(12—2月)降水量年際變化趨勢

圖8(d)為黃河三角洲地區(qū)冬季標準降水序列復(fù)Morlet小波變換系數(shù)實部時頻圖。從圖8(d)可見，冬季降水在40～60個月尺度上存在周期震蕩變化。說明冬季降水可能存在40～60個月的變化周期。通過小波方差，可準確地判斷出冬季降水在51個月(約16～17a)尺度上震蕩最明顯，說明冬季降水存在約16～17a左右的主變化周期。

在16～17a的主變化周期上，黃河三角洲地區(qū)冬季降水經(jīng)歷3.5個周期豐枯變化，其中1961—1967年、1976—1984年、1993—2000年為多水期，1968—1975年、1985—1992年、2001—2007年為少水期。根據(jù)冬季降水16～17a的主周期變化特征，可預(yù)測當(dāng)前2011年及未來至2016年冬季處于多水期。

4 結(jié)論與討論

采用MK非參數(shù)檢驗、小波分析等方法，對黃河三角洲近50年來實測降水量的年際和不同季節(jié)的變化特征進行分析，得出主要結(jié)論如下：

a. 1961—2007年黃河三角洲多年平均降水量為621.1mm。自1961年以來降水量呈現(xiàn)顯著下降趨勢，下降速率為99.3mm/10a。其中20世紀60年代和70年代，降水量距平為正值；進入80年代后，降水量距平為負值，表明降水減少。經(jīng)MK法突變檢測，發(fā)現(xiàn)在1977年左右發(fā)生降水突變，之后降水減少明顯。小波分析結(jié)果表明，年降水序列存在約8～9a的變化周期，并且基于該變化周期預(yù)測在2011—2014年，區(qū)域會處于降水比較豐沛的時期。

b. 黃河三角洲春季、夏季、秋季和冬季四季的長時間降水序列均呈現(xiàn)下降趨勢，春、秋、夏季降水下降速率均在20mm/10a左右，而冬季降水下降率達43mm/10a。在20世紀60年代和70年代，四季降水量距平均為正值，表明降水較豐富，而自80年代后，降水量減少，降水量距平大部分為負值。就突變特征而言，春季、冬季降水突變發(fā)生在1976年左右，與年降水突變點接近；夏季和秋季降水突變發(fā)生在1965年左右，但是1976年后降水下降速率明顯加大，與春、冬兩季降水具有較好對應(yīng)關(guān)系。

c. 通過小波分析，四季均存在約16～17a的降水主變化周期，自1961—2007年經(jīng)歷了約3.5個降水豐枯周期變化。根據(jù)各個季節(jié)的降水主周期變化特征，可以預(yù)測春季和夏季在2012—2016年降水處于較少的時期，而秋季和冬季在2012—2016年會處于降水較多的時期。 并可推斷，2012—2014年，由于秋季、冬季降水的增加量彌補了春季和夏季降水的減少量，從而全年降水量增加，而2015和2016年秋季和冬季降水的增加量不能彌補春季和夏季降水的減少量，從而全年降水量開始減少。

致謝：本研究得到了中國氣象局國家氣象信息中心氣候資料室、國家氣候中心姜彤研究員、蘇布達副研究員的幫助，在此一并致謝!

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