山東降水時空分布變化及其影響因素

徐澤華, 韓 美, 張廣彩, 姜小翠

(山東師范大學 地理與環境學院, 濟南250000)

降水不僅是全球水循環中最重要的因子之一，而且是一種能量的載體，通過潛熱釋放為驅動全球大氣環流提供了3/4的能量。降水通過改變大氣中水、熱量再分布，對區域和全球的天氣和氣候產生重要的影響。因此，研究降水的空間分布和時間變化特征對全球水循環和大氣環流具有重要的科學意義[1]。在全球變暖的背景下，我國各區域降水變化存在明顯的地域差異，東北北部、長江中下游的東南部地區和西部廣大地區降水增加，而華北地區以及東北東南部和西北東部地區降水明顯減少，而減少最明顯的區域是環渤海地帶[2]。近十幾年來，夏季降水明顯增加，尤其是長江中下游地區、華南地區和西北西部地區。而華北地區夏季降水減少趨勢明顯。段麗瑤等根據1961—2008年降水資料，利用EOF和REOF方法得到環渤海地區夏季降水存在明顯的區域一致性[3]以及年際和年代際變化特征，降水總體呈下降趨勢。王紹武[4]等利用重建的1880年以來中國東部35 個站的四季降水量資料，研究了19世紀80年代到20世紀90 年代中國年降水量的十年際變化特征。Dinget al[5]用同樣的資料研究了一百多年來中國東部不同地區華北、長江淮河流域以及華南夏季降水的年代變化特征及其與東亞夏季風的關系。陳隆勛等[6]研究了近80 年來中國氣溫和降水的年代際變化特征。我們過去的研究表明近一百多年中國東部不同區域降水發生年代際躍變的時期有所不同。徐宗學等[7]利用M-K法分析了山東14個氣象站1958—2008年氣溫和降水的變化，表明除濟南降水量呈略微上升趨勢外，其余地區的降水傾向率均為負值。楊士恩等[8]應用1961—1998年的山東省40個代表站夏季降水資料，分析了山東夏季降水特征，得出山東夏季降水呈現出整體一致性，即降水的同多(同少)型。在總體一致的趨勢下還有明顯的東、西差異和南、北差異，存在3.8年震蕩周期，并且在1978年出現了一次降水突變。遲竹萍[9]利用1961—2005年山東省26個氣象站逐日降水資料，分析了山東夏季降水量、雨日和暴雨日數特征，表明，山東夏季降水大部分地區為減少趨勢，暴雨日降雨強度的變化與夏季降水量的減少關系更為密切；夏季降水量、暴雨日降雨強度和旱澇年有明顯的年代際變化特征。

山東省位于中國東部地區，年內降水時空分布受海陸位置及區域內地形地貌特征的影響而差異明顯。山東主要的自然災害是旱澇災害，在60年代，山東省發生了很多洪災，80年代降雨量偏少，發生了嚴重干旱災害，1990年代則旱澇災害交替出現，21世紀以來，不斷出現洪澇等自然災害。當地人民的生命財產安全、地方經濟受到旱澇災害的嚴重影響。為減少損失，我們要進一步研究旱澇等自然災害產生和加重的原因，降水量年內的不均勻性分配是產生旱澇災害事件的重要原因之一。以前學者對山東降水特征的研究多集中于降水日數和降水量的時空變化特征上，很少有關于降水量年內非均勻性分配特征方面的分析，所以，從定量角度分析某個地區降水事件的不均勻性特征有著深遠意義。

1　研究區概況

山東省位于我國東部、黃渤海之間，泉城濟南是其省會。面積15.7萬km2，南北最長距離大約420 km，東西最寬700余km。地域東面緊鄰黃渤海，西面連接內陸。水平地域由半島和內陸兩大塊組成，東部的半島位于黃海、渤海之間，與遼東半島隔著一個渤海海峽，西面內陸地區與河北、河南、安徽、江蘇4省自北向南依次接壤，是中國重要的農產區。平原、洼地約占全省面積的65%，山地、丘陵約占35%。平原有魯西、北平原和膠萊平原，山地丘陵包括魯中南低山丘陵和膠東低山丘陵兩部分。山東生物資源種類多、數量大，以北溫帶針、闊葉樹種為主。山東省屬暖溫帶季風氣候，降水集中，雨熱同季，容易發生洪澇災害且年降水量主要集中在夏季;春季、秋季和冬季節是少雨季節，春季降水特別稀少，旱災頻發[10]。

2　數據與方法

2.1　數據及來源

本研究氣象數據來自各省、市、自治區氣候資料處理部門逐月上報的《地面氣象記錄月報表》的信息化資料。資料數據集全稱為中國地面氣候資料日值數據集。從此數據集中選用1981—2010年山東省18個地面氣象觀測站的逐日降水量的實測資料。

南方濤動指數來源于中國氣象局國家氣候中心，東亞夏季風指數來源于李建平研究員的主頁，資料序列均為1981—2010年，其中，東亞夏季風指數選用6—8月均值，指數越大，夏季風越強；反之，夏季風越弱。南方濤動指數選用相應月均值對應不同的季節，指數出現持續正值，該年有拉尼娜現象；反之，該年有厄爾尼諾現象[11]。

2.2　研究方法

首先，采用Mann-Kendall方法對山東降水進行趨勢分析，Mann-Kendall檢驗中樣本不需要遵循一定的分布，也不會受到極少數異常值的影響，在水文、氣象等非正態分布的數據中有很大的適用性，具有計算方便等特點。

在Mann-Kendall檢驗中，原假設H0為時間序列數據(X1，…,Xn),是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不一樣的，檢驗的統計量S計算如下式：

(1)

(2)

S為正態分布，其均值為0，方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準的正態系統變量通過下式計算：

(3)

雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。對于統計量Z，大于0時是上升趨勢；小于0時是下降趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28，1.64，2.32時，分別表示通過了信度90%，95%，99%的顯著性檢驗。

為了檢驗序列的趨勢,需要計算單調趨勢的大小-Kendall傾斜度,即單位時間內的變化量,以此來量化單調趨勢[12],其計算公式:

(4)

式中:1≤j

然后采用Mann-Kendall方法對山東降水進行突變檢驗，當Mann-Kendall檢驗用于檢驗序列突變時，通過構造一秩序列：

(5)

(6)

定義統計變量：

(7)

E(Sk)=k(K+1)/4;var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(8)

UFk為標準正態分布，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2,則表明序列的趨勢變化很明顯，我們可以將時間序列x按逆序排列，再按照(4) 式計算，與此同時令

(9)

我們可以通過研究統計序列UFk和UBk進一步分析序列x的趨勢變化，從而明確突變的時間，指出突變的區域位置。若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢；若UF值小于0，則說明呈下降趨勢；當它們超過臨界直線時，說明上升或下降趨勢很明顯。如果UFk和UBk這兩條曲線出現交叉點，且交點在臨界直線之間，那么交點出現的時刻就是突變開始的時刻。

最后采用Morlet小波變換方法對山東降水和大尺度氣候因子進行周期分析，對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續小波變換為[13]：

(10)

(11)

通過增加或減小伸縮尺度a來得到信號的低頻或高頻信息，然后分析信號的概貌或細節，實現對信號不同時間尺度和空間局部特征的分析。本文研究中，由小波變換方程得到小波系數，然后通過這些系數來分析山東降水時間序列的時頻變化特征。

3　結果與分析

3.1　降水空間分析

從圖1可以看出,山東省降水量在空間分布上有以下幾個特點：(1) 自東南向西北遞減。泰山、日照和石島地區為多雨區,年降水量達740 mm以上;莘縣、惠民縣和東營等地為少雨區,年降水量在500～550 mm左右。(2) 沿海多于內陸。沿海一帶與其他地區相比,降水明顯偏多,這主要是因為該區距離海洋較近,來自海上的東南氣流受山列抬升,容易產生降水。因此,年降水量要多于內陸。(3) 山地多于平原。例如,魯中南低山地區降水量要比魯西北平原地區高出100 mm左右。

3.2　年降水序列趨勢分析

山東多年降水量變化傾向率空間差異明顯(圖2)，全省降水都呈現上升趨勢，平均上升幅度為5.67 mm/a,濟南、莒縣、威海和青島為降水上升中心，上升幅度都達到8 mm/a以上，濰坊、惠民、東營、泰山和莘縣為相對低值區，但降水上升幅度也可達到2 mm/a。沿海地區降水上升幅度普遍大于內陸地區，其中威海上升幅度最大，高達9.71 mm/a。

圖1　山東30 a平均降水量

圖2　年降水量Kendall傾斜率

山東1981-2010年降水量呈上升趨勢(圖3)，1990年年降水量出現最大值，為997.6 mm。1981年出現最小值，為446.4 mm，極差為551.2 mm，可見區域年際變化差異比較明顯。研究區年降水量在1995年前基本為負距平，1995年以后以正距平為主，表明自1995年以來降水量呈現明顯上升趨勢。

圖3　山東省1981-2010年降水變化

3.3　季降水序列趨勢分析

從降水量變化傾向率的季節空間分布來看，各季節均存在明顯的空間差異(圖4)，春季，全省降水都呈現上升趨勢，其中濟南上升趨勢最為明顯，除濟南外，降水上升幅度自東南沿海向西北內陸逐漸變小。夏季，全省降水都呈現上升趨勢，平均上升幅度為3.59 mm/a,莒縣上升幅度最為明顯。秋季，大部分站點呈現下降趨勢，東南沿海一帶及魯南地區呈現大面積負值區，其中兗州下降幅度最大，為1.65 mm/a，魯中和魯北地區呈現微弱上升趨勢。冬季，濰坊、海陽、成山頭、龍口和泰山表現出輕微下降趨勢，其他地區呈現上升趨勢，其中莒縣上升趨勢較為明顯。總體上，除秋季外，其他季節山東降水量表現出上升趨勢，以夏季上升趨勢最為顯著。

圖4　降水量KENDALL傾斜率

3.4　突變檢驗

從圖5年降水量的Mann-Kendall突變檢驗可以看出，在1997年山東年降水量有一次顯著的突然上升的過程。運用Mann-Kendall突變檢驗對山東地區18個站點各個季節降水進行統計分析，可以看出山東地區18個站點降水變化過程中均存在突變現象，但少數站點的某個季節沒有發生突變現象，突變年份集中在80，90年代，少數站點在21世紀后發生突變(表1)。分季節來看，春季除石島和威海站沒有發生突變外，其他站點都發生了突變，多數站點突變后呈現上升趨勢，約占總站數的56%，少數站點突變后呈現下降趨勢，約占總站數的33%。夏季各個站點都發生了突變，大部分站點突變后呈現上升趨勢。秋季除濟南外，其他站點都發生了突變，相比于春夏季突變后呈現上升趨勢的站點有所下降。冬季除萊陽、沂源、兗州、莒縣和石島外，其他站點都發生了突變，突變后以上升趨勢為主。

圖5　山東省年降水量Mann-Kendall突變檢驗

3.5　降水量與大氣環流的相關性分析

3.5.1降水量與南方濤動指數的相關性分析近30 a降水量與同期南方濤動指數的相關系數(圖6)發現，各季節降水量與同期南方濤動指數的相關性存在明顯的空間差異。春季除東營、龍口和青島等少數沿海地區外，山東其他地區的降水量與同期南方濤動指數存在負相關，表明拉尼娜年山東大部分地區降水易偏少。夏季山東各個地區降水量都與同期南方濤動指數存在正相關，東南沿海、魯西北平原和魯西南地區這種正相關關系比較明顯，魯中山地地區相關性較弱，這可能與地形條件有關。秋季除東南沿海一側，山東大部分地區降水量與同期南方濤動指數存在負相關，這可能與海陸位置有一定的關系。冬季山東各個地區降水量都與同期南方濤動指數存在負相關，從西南內陸到東北沿海負相關性有逐漸加大的趨勢，其中濰坊地區與同期南方濤動指數存在明顯的負相關，通過了95%的顯著性檢驗，說明南方濤動指數的顯著變化對該地區降水有明顯影響。

表1　山東省18個氣象站四季降水突變檢驗

3.5.2降水量與東亞夏季風指數的相關性分析近30 a夏季和秋季降水量與東亞夏季風指數的相關系數(圖7)發現，東亞夏季風指數對同期夏季和后期秋季山東降水的影響在區域響應上存在明顯差異，夏季除魯中山地外，大部分地區與同期東亞季風指數存在負相關，而秋季除魯西和東南沿海一側，大部分地區與前期東亞夏季風存在正相關，不過相比夏季，秋季降水量對東亞夏季風指數變化的響應很弱，基本不存在滯后效應。

3.5.3基于Morlet小波的降水量和氣候因子的振蕩特征對山東省降水事件(區域平均值)和2個大尺度氣候因子(南方濤動和東亞夏季風)的時間序列進行Morlet 小波分析，可以看出山東省降水量和2大尺度氣候因子在不同時間段呈現出各種振蕩周期。山東省年降水量存在4 a、7 a和14 a的變化周期，4 a震蕩周期在30 a中始終存在，7 a震蕩周期在90年代后期和21世紀10年代前期比較顯著，14 a震蕩周期表現最為顯著且振幅最強。南方濤動存在6～7 a和7～8 a的變化周期，6～7 a震蕩周期在80年代和90年代后期比較明顯，7～8 a震蕩周期在90年代前期比較明顯。山東夏季降水量在80，90年代存在較為顯著的4 a震蕩周期，7 a震蕩周期在80，90年代初期比較顯著，14 a震蕩周期表現最為顯著，貫穿整個時段。比較年、夏季降水量周期可見，兩者高度相性，這亦與年降水量主要集中與夏季(汛期)有關[14]。山東秋季降水量的3 a震蕩周期在80年代和21世紀10年代中期比較顯著，8 a震蕩周期在80年代后期和90年代初期以及21世紀10年代后期比較顯著，11～12 a震蕩周期在80年代比較顯著，15 a震蕩周期在90年代后期以來比較顯著。東亞夏季風存在4 a、7 a和12 a的變化周期，4 a震蕩周期幾乎存在整個時段，7 a震蕩周期在80年代和90年代前期較為顯著，12 a震蕩周期在90年代后期和21世紀10年代前期較為顯著。結果表明：山東降水量與大尺度的氣候因子在一定的時段存在相似的振蕩周期變化。

圖6　山東省春季降水量、夏季降水量、秋季降水量、冬季降水量與同期南方濤動指數的相關系數

圖7　山東省夏季降水量(A)和秋季降水量(B)與東亞夏季風指數的相關系數

4　結論與討論

(1) 空間分布上，泰山、日照和石島地區為多雨區，年降水量達740 mm以上;莘縣、惠民縣和東營等地為少雨區,年降水量在500～550 mm左右。泰山的年平均降水量達到了1 046.5 mm，是全省降水最豐富的地方。受海陸位置和地形條件影響，降水量沿海大于內陸，山區大于平原。

(2) 近30 a年來，全省降水都呈現上升趨勢，平均上升幅度為5.9 mm/a,濟南、莒縣、威海和青島為降水上升中心，濰坊、惠民、泰山、莘縣和石島為相對低值區，沿海地區降水上升幅度普遍大于內陸地區，其中威海上升幅度最大。分季節來看，春夏季和全年保持一致，降水呈上升趨勢，秋冬季部分站點呈現下降趨勢，其中秋季最為明顯，東南沿海和魯南地區出現大面積負值區。

(3) 在1997年左右山東年降水量有一次顯著的突然上升的過程。山東地區18個站點降水變化過程中均存在突變現象，但少數站點的某個季節沒有發生突變現象，突變年份集中在80，90年代，少數站點在21世紀后發生突變。不同站點不同季節突變現象呈現不同的特點。

(4) 近30 a年來，山東各季節降水量與同期南方濤動指數的相關性存在明顯的空間差異，拉尼娜年，山東夏季降水易偏多，而冬季易偏少。近30 a年來，除魯中山地外山東其他地區夏季降水量與東亞夏季風指數存在負相關，山東大部分地區秋季降水量則與東亞夏季風存在正相關。降水量序列Morlet小波分析發現山東省存在4 a和7 a的年際振蕩周期特征，呈現了同大尺度氣候因子相似的變化特征。

(5) 受氣候背景、下墊面等因素的影響，不同區域降水時空變化區域差異明顯，本文研究表明，近30 a山東省年降水量呈上升的趨勢，但上升趨勢不顯著。山東省全年降水量主要集中在夏季,春季和秋季為少雨季節,冬季則呈現干旱少雨的趨勢。在區域分布上,沿海地區的降水量明顯高于內陸地區。南方濤動和東亞夏季風通過影響東亞季風環流和太平洋副熱帶高壓，對中國從沿海到內陸的氣候產生不同程度的影響，對我國不同區域影響的程度、方式和結果也有較大差異[15]。對山東降水作用的機理還需進一步研究。

參考文獻:

[1]杜振彩,黃榮輝,黃剛,等.亞洲季風區積云降水和層云降水時空分布特征及其可能成因分析[J].大氣科學,2011,35(6):993-1008.

[2]任國玉,郭軍,徐銘志,等.近50年中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學報,2005,63(6):942-956.

[3]段麗瑤,楊艷娟,李明財.近50年環渤海地區夏季降水時空變化特征[J].高原氣象,2013,32(1):243-249.

[4]王紹武,蔡靜寧,朱錦紅,等.19世紀80年代到20世紀90年代中國年降水量的年代際變化[J].氣象學報,2002,60(5):637-639.

[5]Ding Y, Wang Z, Sun Y. Inter-decadal variation of the summer precipitation in East China and its association with decreasing Asian summer monsoon. Part I:Observed evidences[J]. International Journal of Climatology, 2008,28(9):1139-1161.

[6]陳隆勛,周秀驥,李維亮,等.中國近80年來氣候變化特征及其形成機制[J].氣象學報,2004,62(5):634-646.

[7]徐宗學,孟翠玲,趙芳芳,等.山東省近40 a來的氣溫和降水變化趨勢分析[J].氣象科學,2007,27(4):387-393.

[8]楊士恩,王啟, YANG Shi-en,等.山東夏季降水的氣候特征及其成因[J].熱帶氣象學報,2007,23(1):65-71.

[9]遲竹萍.近45年山東夏季降水時空分布及變化趨勢分析[J].高原氣象,2009,28(1):220-226.

[10]姜德娟,李志,王昆.1961—2008年山東省極端降水事件的變化趨勢分析[J].地理科學,2011,31(9):1118-1124.

[11]王慶,馬倩倩,夏艷玲,等.最近50年來山東地區夏季降水的時空變化及其影響因素研究[J].地理科學,2014,34(2):220-228.

[12]宋令勇,宋進喜,張文靜.西安地區降水時空分布及變化規律分析[J].干旱區資源與環境,2010,24(1):85-89.

[13]桑燕芳,王中根,劉昌明.小波分析方法在水文學研究中的應用現狀及展望[J].地理科學進展,2013,32(9):1413-1422.

[14]葉正偉.基于SPI的江蘇沿海開發地區旱澇演變特征分析:以鹽城市為例[J].地理科學,2014,34(4):479-487.

[15]李芬,張建新,郝智文,等.山西降水與ENSO的相關性研究[J].地理學報,2015,70(3):420-430.