泰山降水特征和變化趨勢分析

王文元，高建國

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

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泰山降水特征和變化趨勢分析

王文元，高建國

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

利用國家氣象局泰山站1954～2011年的降水觀測資料，采用最小二乘、Mann-Kendall等方法分析了近58年來泰山年降水量變化特征，并對泰山降水趨勢進行了分析。結果表明，近58年來泰山年降水量較多，降水1～7月呈現(xiàn)逐月增加趨勢，8～12月為逐月降低。近58年來泰山年降水量在振蕩波動中呈略減少趨勢，遞減速率為21.522 mm/10 a，其中夏季減少最為明顯，遞減率可達19.612 mm/10 a，僅春季呈現(xiàn)增加趨勢，增加率為5.950 mm/10 a。泰山年降水量均存在明顯的突變現(xiàn)象。1954～2011年泰山年降水量正常年份僅15年，其余年份為異常年份，旱年多于澇年。

降水；變化特征；趨勢；Mann-Kendall法；泰山

全球氣候變化和人類社會的發(fā)展對全球的水循環(huán)和區(qū)域降水特征產(chǎn)生了重要的影響。降水是對氣候進行描述的指標之一，并對地理環(huán)境產(chǎn)生了極為重要的影響，降水的多少對氣候變化產(chǎn)生了顯著的影響。因此，對一個地區(qū)降水趨勢和特征進行分析對于減少該地區(qū)干旱和洪澇引起的災害損失、開發(fā)利用水資源和評估旅游業(yè)發(fā)展具有重要意義。

近幾年來，全球氣候變化成為許多科學領域研究的熱點。在這一背景的推動下，許多氣象學家和海洋學家就降水特征和變化趨勢進行了大量的研究[1-5]。由于降水區(qū)域性特征較為明顯，對區(qū)域性降水特征和變化趨勢研究已成為當今氣象學的研究熱點[6-7]。泰山是中外聞名的世界自然與文化遺產(chǎn)。泰山山頂兼具季風氣候和高山氣候特征，氣候和天氣變化較為特殊，但前人對泰山降水特征和變化趨勢研究較為薄弱，僅孫根厚等[8]對泰山地區(qū)酸雨變化特征及其趨勢進行了分析。筆者利用國家氣象局泰山觀測站1954～2011年的降水觀測資料，采用最小二乘和Mann-Kendall等方法分析了近58年來泰山降水特征和變化趨勢。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況泰山位于我國山東省中部，在泰安市城區(qū)北(117°06′E、36°16′N)，屬于中緯度地區(qū)。泰山與濟南和曲阜相鄰，泰山的面積可達426 km2，主峰為玉皇頂，海拔為1 545 m，南北延伸約50 km，東西延伸可達200 km。由于泰山的海拔較高，泰山的氣候有其特殊性，如氣候垂直變化較為顯著，山頂和山底的氣溫差別較大。從季節(jié)變化角度來看，山頂和山底也存在較大差別，山下的春夏秋冬四季是分明的，而山頂春、夏、秋季的特征較為類似，只有冬季較為特殊。

1.2數(shù)據(jù)來源和分析方法采用國家氣象局泰山站1954～2011年逐月降水觀測數(shù)據(jù)，采用最小二乘法分析泰山降水的變化趨勢，Mann-Kendall法分析降水突變。Mann-Kendall法是一種常見的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，變量可不具正態(tài)分布，適用于水文變量的趨勢檢驗[9]。假定X1，X2，…，Xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了統(tǒng)計量S：

2　結果與分析

2.1年降水變化特征分析從圖1可以看出，近58年來泰山年降水量較多，平均為1 083.2 mm。但泰山逐年降水量從時間角度來說分布極不平衡，其中年最大降水量達1 839.4 mm(1964年)，年最小降水量為553.9 mm(1988年)，最大與最小年降水量變化幅度達1 285.5 mm。近58年泰山降水有明顯的下降趨勢，20世紀50和60年代年降水量偏多，降水豐沛，尤其是50年代年降水量比平均降水量多138.0 mm；而70和80年代年平均降水量偏少，80年代年降水量平均值甚至低于1 000.0 mm；90年代年平均降水量接近58年平均值，兩者相差僅為2.0 mm。21世紀年平均降水量偏多，但與58年平均值相差不大。

近58年泰山年降水量變化具有一定的階段性，豐枯交替變化，經(jīng)歷了4個多雨期和4個少雨期。1954～1964年為第1個多雨期，僅2年降水量略微低于58年平均值，其他9年均超過58年平均值；1965～1975年為第1個少雨期，但這11年的年平均降水量僅略低于58年平均值；1976～1985為第2個相對多雨期，這10年的年平均降水量僅略高于58年平均值；1986～1989年為第2個少雨期，這段時期的降水量相對于其他時期極少，尤其是1988、1989年，年降水量分別僅為553.9、585.0 mm，這2年的年降水量之和僅比58年平均值多55.7 mm；1990～1996年為第3個多雨期，這段時期的降水量相對于其他時期較多；1997～2002年為第3個少雨期，這6年年降水量均小于58年平均值；2003～2005年為第4個多雨期，這3年年降水量均遠大于58年平均值；2006～2011年為第4個少雨期，但這6年年降水量與58年平均值較接近。

圖1　1954～2011年泰山年降水量逐年變化Fig.1　Annual variation of precipitation in Mount Tai during 1954-2011

2.2月降水量變化特征分析從圖2可以看到，泰山月降水量1～7月為逐漸增長，從8月開始減少，8～10月減少明顯。降水主要集中在6～9月，以汛期為主，占全年降水量的73.55%。7月降水最多，為314.2 mm，占全年降水量的29.00%；1月降水最少，僅為12.4 mm，僅占全年降水量的1.15%，甚至有的年份出現(xiàn)整月無降水現(xiàn)象。

圖2　1954～2011年泰山降水逐月變化Fig.2　Monthly variation of precipitation in Mount Tai during 1954-2011

2.3降水量變化趨勢分析由表1可知，1954～2011年泰山全年降水量在振蕩波動中呈略減少趨勢，年降水量遞減速率為21.522 mm/10 a。從各季節(jié)變化趨勢看，夏、秋、冬季表現(xiàn)為不同程度的減少趨勢，其中夏季減少最為明顯，遞減率為19.612 mm/10 a，其次為秋季，遞減率為6.468 mm/10 a，冬季最小，為1.663 mm/10 a；春季表現(xiàn)為增加趨勢，其增加率為5.950 mm/10 a。

表11954～2011年泰山年、季降水線性擬合方程及相關系數(shù)

Table 1Linear fitting equations and correlation coefficients of annual and seasonal precipitation in Mount Tai during 1954-2011

季節(jié)Time線性擬合方程Linearfittingequation相關系數(shù)Correlationcoefficient春季SpringY=0.5950X-1031.900.1646夏季SummerY=-1.9612X+4573.100.1646秋季AutumnY=-0.6468X+1488.300.0964冬季W(wǎng)interY=-0.1663X+373.460.1072全年AyearY=-2.1522X+5349.900.1308

2.4降水量突變分析從圖3可以看出，UF與UB 2條曲線在臨界線之間存在若干個交點，分別在1960、1965年，說明泰山年降水量突變點出現(xiàn)在1960和1965年左右。前一個交點說明1960～1965年泰山年降水量增加趨勢是一突變現(xiàn)象。后一個交點說明1965～1968年泰山年降水量下降趨勢是一突變現(xiàn)象。UF曲線1958年前后超過了1.96信度線，說明泰山年降水量1957～1959年增加趨勢顯著；1968～2011年UF曲線小于零，且在-1.96信度線上方，表明泰山的年降水量呈現(xiàn)微弱的下降趨勢。

注：2條直線為95%臨界值(U=±1.96)。Note：The two straight lines means 95% critical values(U=±1.96).圖3　1954～2011年泰山年降水量M-K突變檢驗Fig.3　M-K mutation test of annual precipitation time series in Mount Tai during 1954-2011

2.5干旱與洪澇情況分析由表2可知，1954～2011年泰山降水量正常年份僅有15年，僅占總年份的26%，而異常年(澇年、偏多雨、偏少雨、旱年均為異常年份)高達43年，占總年份的74%。而異常年中的偏多雨年份和澇年為20年，澇年最少，僅有5年，偏少雨年份和旱年為23年?？傮w上旱年多于澇年。根據(jù)異常年份多少，可將1954～2011年劃分為4個時段，分別為1954～1970、1971～1980、1981～1990、1991～2011年，其中1954～1970、1981～1990年異常年份比較多，1971～1980、1991～2011年異常年份較少。

表2　1954～2011年泰山降水豐枯年份特征分析

注：澇年，降水量P≥1 409.72 mm；偏多雨，1 409.72≤P<1 175.81 mm；正常，1 175.81 mm≤P<992.02 mm；偏少雨，992.02 mm≤P<758.11 mm；旱年，P<758.11 mm。澇年、偏多雨、偏少雨、旱年均為異常年份；異常年份百分率為同一統(tǒng)計時段內降水量異常年數(shù)除以該時段總年份。

Note：Water logging years，P≥1 409.72 mm；rainy years，1 409.72≤P<1 175.81 mm；normal years，1 175.81 mm≤P<992.02 mm；less rainy years，992.02 mm≤P<758.11 mm；drought years，P<758.11 mm.Water logging years，rainy years，less rainy years，and drought years are abnormal years. The number of years with abnormal precipitation divided by total number of years in the same statistical time is the proportion of abnormal years.

3　結論

利用國家氣象局泰山站近58年降水的觀測資料，并利用最小二乘、Mann-Kendall等方法分析了泰山年降水量變化特征，并對泰山降水趨勢進行了分析，得到以下結論：

(1)58年來泰山年降水量較多。泰山降水1～7月呈現(xiàn)逐月增加趨勢，8～12月為逐月降低。其中7月降水量最高，可達314.2 mm，占全年降水量的29.00%；1月降水最少，僅為12.4 mm，僅占全年降水量的1.15%。

(2)近58年來泰山年降水量在振蕩波動中呈略減少趨勢，年降水量遞減速率為21.522 mm/10 a。其中夏季減少最為明顯，遞減率可達19.612 mm/10 a，僅春季呈現(xiàn)增加趨勢，增加率為5.950 mm/10 a。泰山年降水量均存在明顯的突變現(xiàn)象。

(3)1954～2011年泰山年降水量正常年份僅有15年，其余年為異常年份。盡管旱年多于澇年，但因泰山相對高度較大，洪澇災害的影響遠大于旱災。

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Analysis of Characteristics and Changing Trends of Precipitation in Mount Tai

WANG Wen-yuan, GAO Jian-guo

(College of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunan 650093)

Based on the data of precipitation from Mount Tai station of National Weather Bureau during 1954-2011, the changing characteristics of precipitation in Mount Tai over the past 58 years were analyzed by using least square method, Mann-Kendall test and so on, and the changing trend of precipitation in Mount Tai were analyzed. The results showed that annual rainfall in Mount Tai was large over the past 58 years, and precipitation showed an increasing trend from January to July but a decreasing trend from August to December. From 1954 to 2011, annual precipitation in Mount Tai tended to decline, decreasing by 21.522 mm/10 a. Precipitation in summer reduced most obviously, dropping by 19.612 mm/10 a. Only precipitation in spring showed an increasing trend, rising by 5.95 mm/10 a. There were obvious sudden changes in annual precipitation in Mount Tai. During 1954-2011, annual precipitation in Mount Tai was normal in 15 years but abnormal in other years. Drought years were more than water logging years.

Precipitation; Changing features; Trends; Mann-Kendall test; Mount Tai

王文元(1991- )，男，江蘇泗洪人，碩士研究生，研究方向：應用古氣候學。

2016-06-17

S 161.6

A

0517-6611(2016)23-168-03