濟(jì)南市年降水量系列代表性分析

孫 瑩

（濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014）

水文現(xiàn)象本身的時(shí)序變化不是純粹獨(dú)立的，存在著連續(xù)豐水、平水、枯水以及豐枯交替等周期性變化的現(xiàn)象。濟(jì)南市地處華北中緯度地帶，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。春季干旱多西南風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季氣爽宜人，冬季寒冷多東北風(fēng)，導(dǎo)致降雨分布不均，對(duì)濟(jì)南市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生極大影響。本文針對(duì)濟(jì)南市降雨量系列的代表性進(jìn)行分析。

1 概況

濟(jì)南市地處華北中緯度地帶，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)[1]。多年平均降水648.0 mm，降水空間分布不均，總的分布趨勢(shì)是由東南往西北遞減。降水年際間變化大，各地年降水量極值比為2.8～4.8，年降水量變差系數(shù)為0.26～0.32。受季風(fēng)影響，季節(jié)之間的降水量極不均勻。汛期降水集中，多年平均汛期降水量為419 mm～568 mm。

濟(jì)南市多年平均水面蒸發(fā)量一般在1000 mm～1300 mm之間，平均水面蒸發(fā)量大于降水量，相對(duì)差值呈現(xiàn)由東南向西北的遞增趨勢(shì)，干旱指數(shù)為2左右，無霜期為192天～238天[2]。

2 年降水量系列代表性分析

系列代表性，即樣本系列的統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)總體統(tǒng)計(jì)規(guī)律的代表程度。由于水文現(xiàn)象本身的時(shí)序變化不是純粹獨(dú)立的，存在著連續(xù)豐水、平水、枯水以及豐枯交替等周期性變化的現(xiàn)象，系列的代表性取決于是否包含豐、平、枯的整個(gè)周期，能否反映水文的周期波動(dòng)、豐枯交替以及特征值的客觀規(guī)律。降水量的代表性直接影響著水資源評(píng)價(jià)的精度。

2.1 基本資料

本次評(píng)價(jià)共選用常年雨量站60個(gè)，其中市內(nèi)33個(gè)，市外27個(gè)。市內(nèi)33個(gè)雨量站中，海河區(qū)6個(gè)，淮河區(qū)14個(gè)，黃河區(qū)13個(gè)，平均站網(wǎng)密度248 km2/站，分析年降水量統(tǒng)計(jì)參數(shù)的穩(wěn)定性，以及1956年～2008年和1980年～2008年兩個(gè)同步期年降水量的偏豐、偏枯程度，研究多年系列豐枯周期變化情況，以綜合評(píng)判1956年～2008年和1980年～2008年兩個(gè)同步期降水量系列的代表性。

經(jīng)分析，所選資料質(zhì)量比較好、系列完整、面上分布相對(duì)均勻且能夠反映地形變化對(duì)降水的影響；降水量變化梯度較大的山區(qū)所選站點(diǎn)相對(duì)較多，降水量變化梯度較小的平原區(qū)站點(diǎn)分布比較均勻。

評(píng)價(jià)統(tǒng)一采用1956年～2008年（53年）同步期系列資料，實(shí)測(cè)資料不足53年的進(jìn)行了插補(bǔ)。采用相鄰數(shù)站均值移用法，插補(bǔ)缺測(cè)站點(diǎn)月雨量資料。插補(bǔ)時(shí)注意參證站氣象、下墊面條件與本站的一致性。本次評(píng)價(jià)共采用38160站月資料，其中實(shí)測(cè)資料33669站月，插補(bǔ)資料4461站月，實(shí)測(cè)資料占88.2%。

評(píng)價(jià)中，根據(jù)實(shí)測(cè)資料系列長(zhǎng)短，將選用站分為主要代表站和輔助站兩類。主要代表站，實(shí)測(cè)資料系列齊全，是分析評(píng)價(jià)的主要依據(jù)。輔助站，有部分資料缺測(cè)，對(duì)分析計(jì)算起輔助作用。本次評(píng)價(jià)，主要站38個(gè)，占選用站的63%；輔助站22個(gè)，占選用站的37%。

選用站資料全部經(jīng)過合理性檢查。檢查內(nèi)容包括:單站不同系列(指1956年～2008年和1980年～2008年系列)降水量的最大值、最小值、均值和CV值正確與否，插補(bǔ)資料采用的方法是否合理，同一自然地理?xiàng)l件下相鄰站的特征值和統(tǒng)計(jì)參數(shù)有無突變現(xiàn)象等。對(duì)檢查出的問題進(jìn)行改正或作其他處理，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.2 統(tǒng)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定性分析

本次選取市內(nèi)具有60年以上觀測(cè)資料的黃臺(tái)橋雨量站案例，分析降水統(tǒng)計(jì)參數(shù)的穩(wěn)定性。以長(zhǎng)系列末端2008年為起點(diǎn)，以年降水量逐年向前計(jì)算累積平均值和變差系數(shù)CV值（用矩法進(jìn)行計(jì)算），并進(jìn)行綜合比較分析。均值、CV等參數(shù)均以最長(zhǎng)系列的計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)，從過程線上確定參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定所需的年數(shù)[3]。

黃臺(tái)橋站年降水量逆時(shí)序累積平均過程線和逆時(shí)序變差系數(shù)CV過程線，見圖1～圖2。

圖1 黃臺(tái)橋站年降水量逆時(shí)序逐年累積平均過程線

從圖中可看出，降水量均值和CV值逆時(shí)序逐年累積平均過程線隨年序變化，其變幅愈來愈小，統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值和CV值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間，約30年相對(duì)穩(wěn)定，約50年基本穩(wěn)定。

圖2 黃臺(tái)橋站CV值逆時(shí)序逐年累積平均過程線

2.3 長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析

對(duì)比1956年～2008年和1980年～2008年兩個(gè)短系列以及長(zhǎng)系列的均值和CV值，分析計(jì)算短系列與連續(xù)長(zhǎng)系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)的比值，即代表性模數(shù)和Kcvn=Cvn/CcN，式中和分別為長(zhǎng)短系列年降水量平均值，CVN和CVn分別長(zhǎng)短系列的CV值，從長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)的比較，評(píng)定不同長(zhǎng)度系列的代表性，見表1。

可以看出，兩個(gè)系列的均值和CV值與長(zhǎng)系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)都比較接近，但略微偏大。1956年～2008年系列均值比長(zhǎng)系列偏大 2.8%，CV值偏大 3.2%；1980年～2008年系列均值偏大1.1%，CV值偏大6.5%。

總的來說，從統(tǒng)計(jì)參數(shù)代表性模數(shù)來看，兩個(gè)系列的代表性差異不大，都比較接近總體分布。

表1 黃臺(tái)橋站長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)表

2.4 長(zhǎng)短系列不同年型頻次分析

對(duì)不同樣本長(zhǎng)系列的頻率曲線[4]代表總體分布，按頻率劃分為 ＜12.5%(豐水年)、12.5%～37.5%（偏豐水年）、37.5%～62.5%（平水年）、62.5%～87.5%（偏枯水年）和＞87.5%（枯水年）5種年型，通過統(tǒng)計(jì)不同系列出現(xiàn)的頻次，分析短系列5種年型出現(xiàn)的頻次情況。若短系列5種年型出現(xiàn)的頻次接近于長(zhǎng)系列的頻次分布，則認(rèn)為短系列資料的代表性較好。

表2 黃臺(tái)橋站長(zhǎng)短系列豐、平、枯年型頻次分析統(tǒng)計(jì)表

從表2中可見，兩個(gè)短系列5種年型出現(xiàn)的頻次都比較接近長(zhǎng)系列的頻次分布，即兩個(gè)系列的代表性都比較好，但1956年～2008年系列代表性要比1980年～2008年系列更好一些。

2.5 連豐、連枯水年分析

連豐、連枯分析一般采用偏豐水年和豐水年，Pi＞（PN+0.33σ），相應(yīng)頻率 P＜37.5%；偏枯水年和枯水年，Pi＞（PN+0.33σ），相應(yīng)頻率P＞62.5%。其中，PN為多年平均年降水量；Pi為逐年年降水量；σ為均方差。

根據(jù)黃臺(tái)橋站年降水量長(zhǎng)系列適線成果，按照上述判別標(biāo)準(zhǔn)，偏豐水年和豐水年年降水量大于708mm，偏枯水年和枯水年年降水量小于582mm。選擇2年或2年以上的連豐年和連枯年，從連豐、連枯分析成果看，降水量豐、枯持續(xù)時(shí)間，連豐年數(shù)為2年～3年，連枯年數(shù)為2年～4年，連續(xù)枯水的年數(shù)略多于連續(xù)豐水的年數(shù)。

長(zhǎng)系列（1931年～2008年）出現(xiàn)連豐年7次，連豐年數(shù)為2年或3年，其中有4次連豐年數(shù)為2年，3次為3年；出現(xiàn)連枯年6次，連枯年數(shù)為2年～4年，其中有3次連枯年數(shù)長(zhǎng)達(dá)4年；但長(zhǎng)系列總豐年數(shù)30年和總枯年數(shù)29年相差很小。

1956年～2008年系列，出現(xiàn)連豐年5次，其中3次連豐年數(shù)為3年，2次為2年；出現(xiàn)連枯年4次，其中2次連枯年數(shù)為4年，其它2次各為2年和3年；總豐年數(shù)23年，總枯年數(shù)20年，相差不大。

1980年～2008年系列，出現(xiàn)連豐年3次，其中2次連豐年數(shù)為3年，1次為2年；出現(xiàn)連枯年3次，連枯年數(shù)各為2年、3年和4年；總豐年數(shù)12年，總枯年數(shù)11年，相差很小。

總之，根據(jù)連豐、連枯水年分析結(jié)果，1956年～2008年和1980年～2008年兩個(gè)系列的代表性都比較好。

3 分析結(jié)果

上述統(tǒng)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定性分析、長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析、長(zhǎng)短系列不同年型頻次分析、連豐、連枯水年分析的結(jié)果顯示，1956年～2008年和1980年～2008年兩個(gè)系列的代表性都比較好，其中又以1956年～2008年系列代表性要更好一些。

4 結(jié)語

城市化、水土保持、大規(guī)模開發(fā)利用水資源、跨流域調(diào)水等人類活動(dòng)改變了下墊面條件和水資源時(shí)空分布及其相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。水資源評(píng)價(jià)通過系列一致性分析，間接考慮了人類活動(dòng)對(duì)水資源變化的影響，成果基本滿足水資源綜合規(guī)劃的要求。但有些問題仍舊是不清楚的，對(duì)人類活動(dòng)引起水資源演變情勢(shì)變化的主要影響因素及變化機(jī)理等還有待進(jìn)一步研究。