南四湖流域降水集中度和集中期研究

董寧，李莉，郭紅艷，李瑞芬，王曉默

（山東濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000）

南四湖位于蘇魯交界處，是中國(guó)北方最大的淡水湖泊，全湖面積約1 300 km2，南北長(zhǎng)約130 km，東西寬5～25 km，獨(dú)特的地理位置和氣候特征使得該地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的氣候資源。近年來(lái)，由于降水時(shí)空分布不均，南四湖流域持續(xù)性暴雨、洪澇等氣候?yàn)?zāi)害頻繁發(fā)生。目前，針對(duì)南四湖流域降水的研究主要集中在降水量變化的趨勢(shì)和階段性[1]以及旱澇等級(jí)的演變[2]等方面，而對(duì)于降水集中程度和集中時(shí)段的研究尚處于空白。研究表明，把降水看成矢量，構(gòu)建降水集中度（PCD）和集中期（PCP）指標(biāo)度量降水的非均勻分配，能很好地反映降水過(guò)程內(nèi)的時(shí)空非均勻性分布特征[3～7]。利用南四湖流域內(nèi)9 個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)日降水資料，運(yùn)用PCD 和PCP 探究南四湖流域降水時(shí)空非均勻分布與演變特征，以期揭示南四湖流域降水的變化規(guī)律，可為天氣預(yù)報(bào)提供氣候背景信息，也可為整個(gè)南四湖流域相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料和信息參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

使用位于南四湖流域的濟(jì)寧、鄒城、微山、魚(yú)臺(tái)、薛城、豐縣、沛縣、滕州和徐州9 個(gè)國(guó)家氣象站（圖1）1981～2014 年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析南四湖區(qū)域PCD 和PCP的變化規(guī)律。其中，豐縣、沛縣、徐州和魚(yú)臺(tái)4個(gè)站點(diǎn)位于湖的西部，其他5個(gè)站點(diǎn)均位于湖的東部。具體方法如下：

從（1）和（2）式可知，PCD 反映的是降水總量在研究時(shí)段內(nèi)各個(gè)旬的集中程度，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。如果某年的降水量集中在某一旬內(nèi)，則PCD 為極大值1；如果每個(gè)旬的降水量都相同，則PCD 為最小值0?？梢?jiàn)，PCD 的取值為0～1。其越接近1，表明降水量越集中；越接近0，則表明各旬的降水量較平均。PCP 計(jì)算的是合成向量的方位角，指示每個(gè)旬降水量合成后的總體效應(yīng)，反映汛期最大降水量出現(xiàn)在哪個(gè)時(shí)段[8，12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 南四湖流域PCD 和PCP 的年際變化特征

圖1 南四湖流域各站點(diǎn)的地理位置Fig.1 Location of each weather station in Nansi Laker basin

1841～2014 年南四湖流域PCD 的多年平均值為0.34，且以0.015/10 a（p＜0.05）的速率上升（圖2a）。PCD 年際間變化較大，最大值出現(xiàn)在2014 年，為0.52；次大值出現(xiàn)在2012 年和1983 年，為0.51；最小值出現(xiàn)在1999 年，為0.20；次小值出現(xiàn)在1993 年和2001 年，為0.25。PCD 整體變化分為3 個(gè)階段，其中，20 世紀(jì)80 年代和2005 年以后的PCD 相對(duì)較大，波動(dòng)也較大，極大值和次大值均出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段內(nèi)；1990～2005 年P(guān)CD 明顯偏小，波動(dòng)也較小，極小值和次小值均出現(xiàn)在該時(shí)段內(nèi)。

1981～2014 年南四湖流域多年平均的PCP 為8 月上旬，且以0.07/10 a（p＜0.05）的速率上升（圖2b）。PCP 最早出現(xiàn)在6 月上旬，分別為1996 年、1997 年和2009 年；最遲出現(xiàn)在10 月中旬，分別為1982 年和2014 年；PCP 出現(xiàn)在第16 旬～第27 旬（汛期）的年份占85.3%。總體來(lái)看，PCP 的變化也存在3 個(gè)階段，其中，20 世紀(jì)80 年代和2000 年以后的PCP，除個(gè)別年份外，相對(duì)較大，波動(dòng)也較大；20 世紀(jì)90 年代的PCP 明顯偏小，波動(dòng)也較小。

圖2 1981～2014 年南四湖流域PCD（a）和PCP（b）的年際變化Fig.2 Inter-annual variations of PCD（a）and PCP（b）in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

南四湖流域PCD 與PCP 的相關(guān)系數(shù)為0.52，呈極顯著正相關(guān)，即：降水集中期出現(xiàn)得越晚，降水集中度越高；反之，降水集中期出現(xiàn)得越早，降水集中度越低[13]。

2.2 南四湖流域PCD 和PCP 的空間分布特征

1981～2014 年南四湖流域PCD 和PCP 的變化特征均表現(xiàn)為湖西地區(qū)＞湖東地區(qū)（表1 和圖3）。

湖西地區(qū)4 個(gè)站點(diǎn)PCD 的平均值為0.37，最大值（0.38）出現(xiàn)在徐州站，且以0.01/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖東地區(qū)5 個(gè)站點(diǎn)PCD 的平均值為0.31，且以0.004/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可見(jiàn)，湖東地區(qū)的降水集中程度呈緩解趨勢(shì)；湖西地區(qū)的降水集中度高于湖東地區(qū)，降水總量較為集中在某一時(shí)間段內(nèi)，且集中的程度呈逐年遞增趨勢(shì)，較易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，氣象部門(mén)應(yīng)予以重視[14～16]。

表1 1981～2014 年南四湖流域9 個(gè)站點(diǎn)的平均PCD 和PCP 值Table 1 The average PCD and PCP of 9 stations in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

圖3 南四湖流域東部和西部的PCD（a）和PCP（b）的空間分布Fig.3 Spatial distribution of PCD（a）and PCP（b）in the eastern and western parts of Nansi Lake basin

湖西地區(qū)4 個(gè)站點(diǎn)PCP 的平均值為23，最大值（24）出現(xiàn)在豐縣站，且以0.295/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖東地區(qū)5 個(gè)站點(diǎn)PCP 的平均值為18.6，且以0.615/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可見(jiàn)，湖西地區(qū)一年中最大旬降水量出現(xiàn)較晚，且有延后趨勢(shì)；湖東地區(qū)出現(xiàn)較早，有提前趨勢(shì)。

2.3 南四湖流域PCD 和PCP 的突變和周期分析

為了明確南四湖流域的PCD 和PCP 是否存在氣候突變現(xiàn)象，我們采用M-K 突變檢驗(yàn)方法進(jìn)行突變檢測(cè)，給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。UF 代表按時(shí)間序列順序排列計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，UB 代表按時(shí)間序列逆序排列計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列。UF 和UB 曲線在0 線以上，表示呈增加趨勢(shì)；UF 和UB 曲線在0 線以下，表示呈減少趨勢(shì)[17～19]。在臨界線之間，根據(jù)UF 與UB 曲線交點(diǎn)的位置，確定南四湖流域PCD 和PCP 均存在一次明顯的突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)分別位于1986 年和1987 年，PCP 與PCD 的突變時(shí)間較為接近（圖4）；PCD 和PCP 在2010 年之后突變現(xiàn)象不明顯，可能與時(shí)間序列較短有關(guān)。

利用Morlet 小波變換對(duì)極端降水日數(shù)變化進(jìn)行多時(shí)間尺度分析[20]，得到南四湖流域PCD 和PCP 的變化特征（圖5 和6）。在20 世紀(jì)80 年代，PCD 存在2～3 a的周期振蕩；后續(xù)特征不明顯，可能與時(shí)間序列較短有關(guān)。在20 世紀(jì)80 年代，PCP 以4～5 a 的周期振蕩為主；2000 年之后，存在3～4 a 的周期振蕩。

3 結(jié)論

3.1 1981～2014 年南四湖流域PCD 的變化特征

從年際變化上看，多年P(guān)CD 平均值為0.34，且以0.015/10 a 的速率上升；年際變化存在3 個(gè)階段，表現(xiàn)為20 世紀(jì)80 年代和2005 年以后PCD 較高且波動(dòng)較大，1990～2005 年P(guān)CD 較低且波動(dòng)較小。

從空間分布上看，湖西地區(qū)PCD 較高，且呈遞增趨勢(shì)，較容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害；湖東地區(qū)PCD 較低，且呈逐漸緩解趨勢(shì)。

圖4 南四湖流域PCD（a）和PCP（b）的Mann-Kendall 檢驗(yàn)Fig.4 Mann-Kendall test of PCD (a) and PCP (b) in Nansi Lake basin

圖5 南四湖流域PCD 的小波變化系數(shù)Fig.5 Wavelet variation coefficient of PCD in Nansi Lake basin

圖6 南四湖流域PCP 的小波變化系數(shù)Fig.6 Wavelet variation coefficient of PCP in Nansi Lake basin

從突變和周期特征來(lái)看，南四湖流域PCD 存在一次明顯的突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)位于1986 年；20 世紀(jì)80 年代PCD存在2～3 a 的周期振蕩，后續(xù)特征不明顯。

3.2 1981～2014 年南四湖流域PCP 的變化特征

從年際變化上看，多年平均PCP 出現(xiàn)在8 月上旬，且以0.07/10 a 的速率上升，PCP 出現(xiàn)在汛期的年份占比為85.3%；年際變化存在3 個(gè)階段，表現(xiàn)為20 世紀(jì)80 年代和2000 年以后PCP 較大且波動(dòng)較大，20世紀(jì)90 年代PCP 較小且波動(dòng)也較小。

從空間分布上看，湖西地區(qū)一年中最大旬降水量出現(xiàn)較晚，且有延后趨勢(shì)；湖東地區(qū)出現(xiàn)較早，且有提前趨勢(shì)。

從突變和周期特征來(lái)看，南四湖流域PCP 也存在一次較為明顯的突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)位于1987 年；在20 世紀(jì)80 年代PCP 以4～5 a 的周期振蕩為主，2000年之后存在3～4 a 的周期振蕩。

3.3 1981～2014 年南四湖流域PCD 與PCP 的關(guān)系

南四湖流域PCD 與PCP 存在極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.52。即：在南四湖流域，降水集中期出現(xiàn)得越晚，降水集中度越高；反之，亦然。