1950—2019年諸城市多時(shí)間尺度降水特征分析

張英杰，管西柯，于愛(ài)玲

（1.諸城市水利局，山東 諸城262200；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京210098；3.諸城市墻夼水庫(kù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心，山東 諸城262200）

諸城市位于山東半島東南部，總面積2183km2。根據(jù)1950—2019年系列，諸城市年均降水量705.7 mm，人均水資源量不足400 m3，屬于嚴(yán)重缺水區(qū)。受氣候變化影響，諸城市氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，據(jù)對(duì)諸城市1961年以來(lái)氣溫變化分析[1]，諸城市氣溫上升速度為0.38℃/10 a。氣溫升高進(jìn)一步加劇了水資源短缺和極端氣候事件的發(fā)生。因此，研究諸城市降水特征的變化規(guī)律對(duì)深化認(rèn)識(shí)該地區(qū)氣候變化對(duì)降水的影響至關(guān)重要。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于諸城市水利局1950—2019年30個(gè)雨量站70年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將各月按照季節(jié)劃分：春季（3~5月）、夏季（6~8月）、秋季（9~11月）、冬季（12~次年2月）。按照汛期時(shí)間劃分：汛前（1~5月）、汛期（6~9月）、汛后（10~12月）。降水?dāng)?shù)據(jù)處理采用泰森多邊形法將點(diǎn)雨量轉(zhuǎn)化為面雨量，并計(jì)算諸城市月降水量、季節(jié)降水量、汛前、汛期、汛后降水量及年降水量。

1．2 研究方法

由于降水具有隨機(jī)性且年際變化起伏較大的特點(diǎn)，降水的變化規(guī)律難以直觀顯示。因此，在對(duì)降水變化規(guī)律分析時(shí)通常采用5年滑動(dòng)平均法[2-4]。該方法可以根據(jù)降水的時(shí)序數(shù)據(jù)，逐項(xiàng)滑動(dòng)計(jì)算5年降水的時(shí)序平均值，從而達(dá)到消除降水隨機(jī)波動(dòng)影響，使降水變化規(guī)則能夠更直觀展現(xiàn)的目的。對(duì)降水變化趨勢(shì)分析通常采用降水傾向率[5-7]來(lái)描述降水時(shí)序數(shù)列的線性變化趨勢(shì)。分析某一時(shí)間尺度降水變化趨勢(shì)對(duì)整體降水變化趨勢(shì)的影響程度通常用變化趨勢(shì)貢獻(xiàn)率來(lái)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 年降水特征分析

諸城市1950—2019年降水量變化規(guī)律及距平百分比，見圖1。由圖1（a）可知，諸城市近70年平均降水量為705.7 mm，年最大降水量是年最小降水量的3.1倍，其中最大降水量發(fā)生在1964年（1 328.2 mm），最小降水量發(fā)生在1988年（427.0 mm），年際變化較大。從降水傾向率來(lái)看，諸城市年降水量存在明顯的減少趨勢(shì)，減少速率為31.76 mm/10a。從5年滑動(dòng)平均降水量的變化趨勢(shì)來(lái)看，諸城市降水量總體呈現(xiàn)出增減交替的波動(dòng)性減少趨勢(shì)且存在一個(gè)6~20年的增減變化周期。從年內(nèi)不同季節(jié)降水量來(lái)看，諸城市的降水主要集中在夏季，占全年降水量的62%，冬季降水量最少，僅占全年降水量的5.1%，春秋兩季降水量相近，秋季降水略多于春季，春季降水占全年降水量的14.9%，秋季降水占全年降水量的18%。

對(duì)1950—2019年降水量做距平百分比見圖1（b），諸城市降水豐枯情況呈現(xiàn)出1975年之前降水量較多，存在連續(xù)豐水年系列，1975年之后，降水量減少趨勢(shì)明顯，連續(xù)枯水年發(fā)生次數(shù)較多。具體來(lái)看，諸城市1950—1974年是一個(gè)降水量較為豐富時(shí)期，有12年是偏豐或者特豐水年，僅5年為偏枯或者特枯水年。1975年之后，諸城市降水量減少趨勢(shì)明顯，45年內(nèi)枯水年發(fā)生了24次，豐水年僅9次，且1977—1992年間，發(fā)生了連續(xù)的枯水年。

圖1 諸城市年降水量變化規(guī)律及距平百分比

2.2 季節(jié)降水特征分析

諸城市1950—2019年各季節(jié)降水變化及變化規(guī)律見圖2。從季節(jié)降水量年際變化來(lái)看，諸城市各季降水量存在年際變化較大的情況。其中，春季最大降水量發(fā)生在1963年（274.8 mm），最小降水量發(fā)生在1986年（18.1 mm），最大降水量是最小降水量的15.18倍；夏季最大降水量發(fā)生在1971年（937 mm），最小降水量發(fā)生在1992年（188.6 mm），最大降水量是最小降水量的4.97倍；秋季最大降水量發(fā)生在1961年（315 mm），最小降水量發(fā)生在1988年（11.6 mm），最大降水量是最小降水量的27.16倍；冬季最大降水量發(fā)生在1998年（79.8 mm），最小降水量發(fā)生在1999年（0 mm）。

圖2 諸城市季節(jié)降水變化及變化規(guī)律

從降水傾向率來(lái)看，諸城市四季降水都呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，其中夏季降水減少速率最為顯著，降水傾向率高達(dá)23.63 mm/10 a；冬季減少速率最小，僅為0.63 mm/10 a；春季、秋季減少速率接近，但秋季降水減少速率略大于春季，秋季降水傾向率為4.22 mm/10 a，春季降水傾向率為3.27 mm/10 a。從不同季節(jié)降水量對(duì)全年降水量的變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率來(lái)看，夏季降水的變化趨勢(shì)對(duì)全年降水變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率最大，為74.41%；冬季的貢獻(xiàn)率最小，為1.98%；秋季的貢獻(xiàn)率為13.3%；春季的貢獻(xiàn)率為10.31%。全年降水變化減少趨勢(shì)的主要原因在于諸城市夏季降水的減少。

從季節(jié)內(nèi)月降水的構(gòu)成來(lái)看，諸城市春季降水5月份最多，占比達(dá)47.2%；4月份次之，為34%，3月份最少，為18.8%。夏季降水7、8月份占比相近，7月份略多于8月份，7月份占比為41.8%；8月份占比38.2%，6月份占比20%。秋季降水主要集中在9月份，占比超過(guò)了秋季降水的1/2，為52.5%；10月份占比次之，為27.9%；11月份占比最少，為19.6。冬季降水較為均勻，12、1、2月降水量占比分別為33.8%，25.5%，39.3%。

2.3 汛前、汛期、汛后降水特征分析

按照汛期時(shí)間，將余年劃分為汛前期（1~5月）、汛期（6~9月）、汛后期（10~12月）3個(gè)時(shí)間段，分析諸城市降水的特征。

1950—2019年諸城市汛前期、汛期、汛后期降水量見圖3。汛前期、汛期、汛后期降水量變化都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。汛期下降速率最大，為25.07 mm/10 a，汛前期下降速率大于汛后期，汛前期下降速率為4.07 mm/10 a，汛后期下降速率為2.62 mm/10 a。從汛前、汛期、汛后降水量年際變化來(lái)看，汛前期最大降水量為305.7 mm，最小降水量為25.7 mm，最大值是最小值的11.89倍，年際差異較大；汛期最大降水量為1 016.3 mm，最小降水量為233.7 mm，最大值是最小值的4.35倍，年際差異明細(xì)；汛前期最大降水量為166.3 mm，最小降水量為0.8 mm，最大值是最小值的207.88倍，年際差異極大。從汛前期、汛期、汛后期降水量對(duì)全年降水量變化規(guī)律的貢獻(xiàn)率來(lái)看，汛期的貢獻(xiàn)率最大，為78.95%，汛前期貢獻(xiàn)率為12.8%，汛后期貢獻(xiàn)率為8.25%。諸城市降水量減少主要集中在汛期降水的減少。

圖3 汛前期、汛期、汛后期降水量及變化規(guī)律

從不同時(shí)期內(nèi)各月降水量構(gòu)成來(lái)看，汛前期降水量主要集中在3、4、5月，占汛前期總降水量的80.6%。其中5月份占比最大，為38%；1月份最小，僅為7.4%。汛期降水主要集中與7、8月，占汛期總降水量的69.2%，兩月降水量占比相近，7月（36%）略大于8月（33.1%），6、9月降水量占比相近，6月（17.2%）略大于9月（13.6%）。汛后期降水主要集中于10、11月，占汛后期總降水量的77.5%，10月（46.6%）大于11月（30.9%），12月占比22.5%。

2.4 月降水特征分析

以月時(shí)間尺度分析諸城市1950—2019年降水變化特征見圖4。從降水傾向率看，以7月為例，降水量呈下降趨勢(shì)，最大減少速率為17.61 mm/10 a；以8月為例，降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大增長(zhǎng)速率為2.04 mm/10 a。用同樣的方法對(duì)其余月份進(jìn)行分析，1~6月、9~11月降水量均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì)，其中4月、10月降水量減少速率在2~3 mm/10 a；3月、9月降水量減少速率在1~2 mm/10 a之間；1月、2月、6月、11月降水量減少速率小于1 mm/10 a；5、12月降水量呈增加趨勢(shì)，5月增長(zhǎng)速率為1.15 mm/10 a，12月增長(zhǎng)速率最小為0.16 mm/10 a。

圖4 1950—2019年諸城市1～12月降水量及其變化趨勢(shì)

從降水量減少貢獻(xiàn)率來(lái)看，對(duì)全年降水傾向率貢獻(xiàn)最大的是7月（55.45%），其次為6月（25.39%），6、7兩月的合計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80.85%，年降水量減少主要原因在6、7月份降水的減少。對(duì)季節(jié)降水傾向率的貢獻(xiàn)率來(lái)看，春季主要是4月份降水量的減少，其貢獻(xiàn)率為89.6%；夏季主要是7月份降水量減少，其貢獻(xiàn)率為74.52%；秋季主要是10月份降水量的減少，其貢獻(xiàn)率為54.27%；冬季主要是1、2月份降水量的減少，貢獻(xiàn)率分別為53.97%，71.43%。對(duì)汛前期、汛期、汛后期降水傾向率的貢獻(xiàn)來(lái)看，汛前期主要是3、4月份降水量的減少，貢獻(xiàn)率分別為36.61%，71.99%；汛期主要是6、7月降水量的減少，貢獻(xiàn)率分別為32.15%，70.24%；汛后期主要是10月份降水量的減少，其貢獻(xiàn)率為87.4%。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析得到如下結(jié)論：

1）諸城市年降水量以31.76 mm/10 a的速率減少，年際波動(dòng)大，降水主要集中在夏季，且年降水量存在6~20 a的周期性增減規(guī)律。從降水量的距平百分比來(lái)看，諸城市降水存在較為明顯的連豐連枯現(xiàn)象。

2）諸城市春夏秋冬四季降水量年際波動(dòng)大，尤以秋冬季最為顯著。降水量的減少速率以夏季最為迅速，其減少速率為23.63 mm/10 a，對(duì)全年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)達(dá)到74.41%，是諸城市降水量減少的主要原因。

3）對(duì)汛前期、汛期、汛后期降水趨勢(shì)情況分析可知，汛期降水減少的速率最快，為25.07 mm/10 a，汛后期減少速率快于汛前期。汛期降水的減少是造成諸城市年降水量減少的主要原因。

4）以月時(shí)間尺度對(duì)諸城市降水特征的分析可知，諸城市存在5月、8月、12月的降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其余月份降水量均存在不同程度的減少趨勢(shì)情況，其中6月、7月降水量減少速率尤為顯著，降水量減少趨勢(shì)明顯，其對(duì)年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率超過(guò)80%，這說(shuō)明諸城市年降水量減少的主要原因是6月、7月份降水量減少。