魯西南近50年降水量和雨日雨強變化趨勢※

孫翠鳳，竇 坤，吳雷柱，徐國棟，張 婷

(菏澤市氣象局，山東菏澤 274000)

水資源對農業(yè)特別是糧食生產的影響至關重要。陳印軍等［1］指出，我國水資源短缺問題日益突出，通過擴大灌溉面積來增加糧食產量的難度越來越大。陳學淵等［2］分析了海河流域水資源利用現(xiàn)狀與對農業(yè)生產的影響程度。在全球氣候變化的背景下，干旱、暴雨、連陰雨等災害性天氣，不僅與降水量有關，而且還與雨日、雨強有關，但以往較注重降水量變化的研究，很少對雨日雨強的變化特征進行分析研究。石慧蘭等［3］指出，德州旱災增加主要是降水量減少造成的，澇災平均10年增加0.05次，主要是特大暴雨等極端災害性天氣氣候事件增加造成的。苑文華等［4］指出，降水量和不同強度降水日數(shù)的異常變化是形成干旱災害的主要原因。汪青春等［5］指出，青海近年來雖然夏半年降水量和雨日在減少，但降水強度在增加。目前，尚未見到魯西南區(qū)域平均降水量和雨日雨強趨勢變化的系統(tǒng)分析。有關研究表明:在一個更加溫暖的地球上，由于海陸風氣壓梯度增大，亞洲的季風將可能向極地伸展，降水量可能增加，所增加的降水可能主要是在較短的降水時間里以更加強烈的暴雨形式出現(xiàn)［6］。同時，氣候變化的主要影響不是來自平均氣溫和降水變化，而是來自極端天氣氣候事件頻率的變化，平均值的微小變化有可能大大改變極端天氣氣候事件出現(xiàn)的頻率［6］。魯西南是重要的農業(yè)生產區(qū)，降水量、雨日、雨強特征對農業(yè)生產和城市防汛具有重要影響，該文通過分析魯西南平均降水量和雨日雨強的變化特征，以期引起對降水資源變化和短時強降水等極端災害性天氣氣候事件增加的高度重視。

1 資料和方法

所用資料取自1961～2010年魯西南9縣區(qū) (鄄城、鄆城、菏澤、東明、定陶、巨野、曹縣、成武、單縣)氣象觀測站降水資料，由于定陶站始建于1963年1月，故該站資料取自1963～2010年。用最小二乘法計算氣候變化趨勢，用Mann-Kendall方法檢驗降水量突變，用相關系數(shù)定量表示年降水量與降水日數(shù)的相關程度，用t檢驗法進行顯著性檢驗［7］。

2 降水量、降水日數(shù)變化分析

2.1 降水量變化分析

1961～2010年魯西南9縣區(qū)年平均降水量658.7mm。2003年降水最多，為1 004 mm;1964年次之，為993.8mm。1966年和1988年降水最少，分別為377.1mm和379.6mm。從圖1看出，5年和9年平均降水距平百分率均表現(xiàn)出波動變化特點，魯西南年平均降水量總體變化趨勢不明顯略呈減少趨勢，總體變化趨勢呈現(xiàn)“多—少—多”的變化趨勢，與山東省近45年區(qū)域平均年降水量的變化趨勢一致［4］。

圖1 魯西南9站平均降水距平百分率 (黑實線為逐年變化，粗實線為趨勢線，細虛線、粗虛線分別為5年、9年滑動平均)

取位于魯西南西北部的鄄城、中部的菏澤、東南的單縣為代表站進行分析 (表1)，魯西南近50年降水量年代際變化明顯，20世紀60年代降水偏多，之后呈減少趨勢，20世紀80年代是近50年降水最少時期，20世紀90年代降水量減少但趨勢減緩，2000～2010年是近50年降水最多時期，主要是近10年魯西南夏季降水增多的原因 (近10年夏季平均降水量比20世紀60年代多10%，比20世紀80年代多32%)。

季節(jié)分配上，魯西南降水集中在夏季，夏季平均降水量388.2mm，占全年降水量的58.9%;其次是秋季，平均降水量131.9mm，占20.0%;春季平均降水量110.4mm，占16.8%;冬季降水最少，平均降水量28.2mm，僅占4.3%。計算50年四季降水量變化趨勢，春季降水量以0.30mm/10年的趨勢減少，夏季降水量以2.90 mm/10年的趨勢增加，秋季降水量以4.69 mm/10年的趨勢減少，冬季降水量以1.11 mm/10年的趨勢增加。

空間分布上，魯西南降水量由東南向西北遞減。50年平均年降水量最多的曹縣 (694.0mm)較最少的鄄城 (598.7mm)多15.9%。

表1 魯西南1961～2010年降水量 (mm)

2.2 降水氣候突變分析

用Mann－Kendall方法檢驗近50年魯西南年平均降水量序列的突變，給出α=0.05(Uα=±1.96)的顯著性標準，得出UF和UB曲線 (圖2)。可以看出，近50年魯西南降水發(fā)生兩次突變，時間分別在1965年和2003年前后。1961～1964年為多雨期，1966～2002年為少雨期，2003～2010年為多雨期。與上述分析一致。

圖2 魯西南年平均降水量Mann-Kendall曲線

2.3 降水日數(shù)變化分析

魯西南≥0.1mm降水日數(shù)歷年平均75.4天。由圖3a看出，近50年魯西南≥0.1mm降水日數(shù)平均值呈減少趨勢，每10年減少1.28天，同王穎等關于雨日的減少比降水量的減少明顯的多平均每10年減少3.8天［8］的結論一致，但魯西南雨日減少趨勢稍緩。春季減少0.258天，夏季增加0.017天，秋季減少0.29天，冬季增加0.096天，由此可見，魯西南雨日的減少主要是由于春秋季雨日的減少造成的。魯西南≥5.0mm降水日數(shù)歷年平均27.8天。每10年減少0.39天，春季減少0.059天，夏季減少0.01天，秋季減少0.101天，冬季增加0.038天。

魯西南≥25.0mm降水日數(shù)歷年平均7.2天。由圖3b看出，近50年魯西南≥25.0mm降水日數(shù)平均值呈增加趨勢，每10a增加0.12天，春季增加0.018天，夏季增加0.038天，秋季減少0.01天，冬季僅有9站次出現(xiàn)≥25.0mm的降水，全部出現(xiàn)在1960年、1961年、1964年、1967年的魯西南南部地區(qū)。

圖3 魯西南近50年降水日數(shù)變化趨勢 (a為≥0.1mm降水日數(shù)，b為≥25.0mm降水日數(shù))

由表2看出:平均降水日數(shù)最多值均出現(xiàn)在20世紀60年代或2000～2010年，最少值大多出現(xiàn)在20世紀80年代，降水日數(shù)最多 (少)值與降水量最多 (少)值出現(xiàn)的年代際分布一致。用相關系數(shù)t檢驗法檢驗各級降水日數(shù)變化趨勢發(fā)現(xiàn)，均未達到一定的顯著性水平，即變化趨勢不顯著。對各級降水日數(shù)與年降水量相關系數(shù)進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，各級降水日數(shù)均與年降水量顯著相關，其中≥150.0mm降水日數(shù)的相關性達到0.05的顯著性標準，其余各級降水日數(shù)的相關性均達到0.001的顯著性標準。≥25.0mm降水日數(shù)與年降水量相關最為密切。說明從平均狀況看，降水量的多少取決于降水日數(shù)的多少，特別是≥25.0mm降水日數(shù)的多少。

從單站情況看，菏澤、定陶、曹縣≥0.1mm降水日數(shù)顯著下降，達到0.1或0.05的顯著性檢驗;菏澤、定陶≥1.0mm降水日數(shù)顯著下降，達到0.1或0.05的顯著性檢驗。說明魯西南中南部地區(qū)降水日數(shù)減少較北部明顯?！?5.0mm、≥50.0mm、≥100.0mm、≥150.0mm降水日數(shù)魯西南南部地區(qū)大多呈增加趨勢。特別是≥100.0mm的降水日數(shù)中北部呈減少趨勢，菏澤減少趨勢達到0.05的顯著性標準;南部呈增加趨勢，曹縣增加趨勢達到0.05的顯著性標準。

1981～2010年≥25.0mm、≥50.0mm、≥100.0mm、≥150.0mm的平均降水日數(shù)與時間的相關系數(shù)分別為0.308、0.303、0.179、0.164，≥25.0mm、≥50.0mm降水日數(shù)的增加趨勢達到0.05的顯著性標準。

表2 魯西南1961～2010年各級降水日數(shù)變化趨勢

3 最長連續(xù)降水日數(shù)、連續(xù)無降水日數(shù)變化分析

由圖4a看出，平均最長連續(xù)降水日數(shù) (≥1.0mm)變化趨勢不明顯略有減少，每10年減少0.033天(近30年以0.128天/10年的趨勢增加)。平均最多值出現(xiàn)在1964年 (10.4天)，平均最少值出現(xiàn)在1980年 (3.8天)。由圖4b看出，平均最長連續(xù)無降水日數(shù)呈減少趨勢，每10年減少1.014天 (近30年以3.293天/10年的趨勢減少)。平均最多值出現(xiàn)在1984年 (101.3天)，平均最少值出現(xiàn)在2003年 (27.4天)，其次是1964年 (28.1天)。

圖4 魯西南近50年最長連續(xù)降水日數(shù)和無降水日數(shù)變化趨勢

4 最大連續(xù)降水量、日降水量變化分析

1961～2010年平均最大連續(xù)降水量呈減少趨勢 (圖略)，平均10年減少3.719 mm。平均最大值出現(xiàn)在1993年 (208.9mm)，其次出現(xiàn)在1963年 (197.9 mm);平均最小值出現(xiàn)在1988年 (65.9mm)。

1961～2010年平均最大日降水量以0.38mm/10年的趨勢略增 (圖略)。平均最大值出現(xiàn)在1993年(141.0mm)，其次出現(xiàn)在2006年 (139.6mm);平均最小值出現(xiàn)在1966年 (51.8 mm)，其次出現(xiàn)在1997年 (54mm)。從單站情況看，位于中南部的曹縣、巨野、定陶、成武最大日降水量呈增加趨勢，平均10年分別增加5.999mm、4.059mm、3.242mm和1.913mm;位于中北部的鄆城、東明、菏澤、鄄城及位于最東南部的單縣呈減少趨勢，平均 10年分別減少 4.115mm、3.083mm、1.973mm、0.759mm和1.631mm。最大日降水量最大值為243.2mm，出現(xiàn)在1965年單縣;其次是236mm和229.9mm，分別出現(xiàn)在1993年定陶和曹縣。最小值為29.5mm，出現(xiàn)在1988年定陶;其次是36.2mm和36.3mm，分別出現(xiàn)在1966年鄆城和曹縣。

1981～2010年平均最大連續(xù)降水量呈增加趨勢 (圖5a)，每10年增加6.724mm;平均最大日降水量呈增加趨勢 (圖5b)，每10年增加4.904mm。

圖5 魯西南近30年最大連續(xù)降水量和最大日降水量變化趨勢

5 10分鐘、1小時最大降水量變化分析

1981～2010年平均10分鐘最大降水量以0.707mm/10年的趨勢增加 (圖6a)，其中位于中南部的定陶、單縣、成武增加趨勢明顯。平均最大值出現(xiàn)在1998年 (24.3mm)，其次出現(xiàn)在2006年 (23.5mm);平均最小值出現(xiàn)在1988年 (13.9mm)。平均10分鐘最大降水量20世紀90年代、2000～2010年均明顯大于20世紀80年代、2000～2010年增加趨勢減緩。其中20世紀80年代均值為16.9mm，20世紀90年代為18.9mm，2000～2010年為18.1mm。

1981～2010年平均1小時最大降水量以1.423mm/10年的趨勢增加 (圖6b)，其中位于中南部的單縣、定陶、成武、巨野增加趨勢明顯。平均最大值出現(xiàn)在1993年 (79.3mm);平均最小值出現(xiàn)在1997年(28.4mm)，其次出現(xiàn)在1988年 (31.0mm)。平均1小時最大降水量年代際變化與10分鐘變化趨勢相似，其中20世紀80年代均值為43.4mm，20世紀90年代為48.1mm，2000～2010年為46.5mm。20世紀90年代和2000～2010年分別較20世紀80年代增加4.7和3.1mm。

統(tǒng)計分析9站10分鐘、1小時最大降水量出現(xiàn)時間資料，結果表明:10分鐘、1小時最大降水量均集中出現(xiàn)在7～8月份，各自占總樣本的77.2%和75.2%;把一日分為白天 (08～20時)和夜間 (20～08時)兩個時段，10分鐘、1小時最大降水量出現(xiàn)在夜間的頻率各自占總樣本的44.6%和51.1%。

圖6 魯西南近30年10分鐘和1小時最大降水量變化趨勢

6 結論

(1)近50年，魯西南平均年降水量總體變化趨勢不明顯，呈波動變化略減少。1965年和2003年分別發(fā)生降水突變。20世紀80年代是魯西南近50年降水最少時期，2000～2010年是近50年降水最多時期。季節(jié)分配上，魯西南降水集中在夏季;空間分布上，魯西南降水量由東南向西北遞減。

(2)近50年，魯西南≥0.1mm平均降水日數(shù)每10年減少1.28天。各級降水日數(shù)均與年降水量顯著相關，≥25.0mm降水日數(shù)與年降水量相關最為密切，說明從平均狀況看，降水量的多少取決于降水日數(shù)的多少，特別是≥25.0mm降水日數(shù)的多少。雨日的變化間接反映了太陽直接輻射，它影響當?shù)貒窠洕?，特別是影響農作物的選取、布局與產量。要解釋雨日氣候變化的原因，恐怕比解釋降水量與氣溫氣候變化的原因更困難些［8］。

(3)近50年，魯西南平均最長連續(xù)降水、無降水日數(shù)均呈減少趨勢。平均最大連續(xù)降水量以3.719 mm/10年的趨勢減少。平均最大日降水量以0.38mm/10年的趨勢略增，魯西南中南部最大日降水量呈明顯的增加趨勢，中北部呈明顯減少趨勢。

(4)近30年，魯西南平均10分鐘最大降水量以0.707mm/10年的趨勢增加，平均1小時最大降水量以1.423mm/10年的趨勢增加，2000年增加趨勢減緩。

(5)近50年，魯西南降水日數(shù)減少但降水強度增加，短時強降水出現(xiàn)的月份集中且夜間出現(xiàn)頻率高，致使洪澇災害防御任務更加艱巨。

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