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.諸城市墻夼水庫運(yùn)營維護(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，據(jù)對諸城市1961年以來氣溫變化分析[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)律對深化認(rèn)識(shí)該地區(qū)氣候變化對降水的影響至關(guān)重要。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于諸城市水利局1950—2019年30個(gè)雨量站70年的監(jiān)測數(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。對降水變化趨勢分析通常采用降水傾向率[5-7]來描述降水時(shí)序數(shù)列的線性變化趨勢。分析某一時(shí)間尺度降水變化趨勢對整體降水變化趨勢的影響程度通常用變化趨勢貢獻(xiàn)率來表示。

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。從降水傾向率來看，諸城市年降水量存在明顯的減少趨勢，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來看，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，降水量減少趨勢明顯，連續(xù)枯水年發(fā)生次數(shù)較多。具體來看，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

從降水傾向率來看，諸城市四季降水都呈現(xiàn)出減少趨勢，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)降水量對全年降水量的變化趨勢的貢獻(xiàn)率來看，夏季降水的變化趨勢對全年降水變化趨勢的貢獻(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。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、汛后期降水量對全年降水量變化規(guī)律的貢獻(xiàn)率來看，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，最大減少速率為17.61 mm/10 a；以8月為例，降水量呈增長趨勢，最大增長速率為2.04 mm/10 a。用同樣的方法對其余月份進(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，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，5月增長速率為1.15 mm/10 a，12月增長速率最小為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

從降水量減少貢獻(xiàn)率來看，對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。對季節(jié)降水傾向率的貢獻(xiàn)率來看，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%。對汛前期、汛期、汛后期降水傾向率的貢獻(xiàn)來看，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，對全年降水量變化趨勢的貢獻(xiàn)達(dá)到74.41%，是諸城市降水量減少的主要原因。

3）對汛前期、汛期、汛后期降水趨勢情況分析可知，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月的降水量呈增長趨勢，其余月份降水量均存在不同程度的減少趨勢情況，其中6月、7月降水量減少速率尤為顯著，降水量減少趨勢明顯，其對年降水量變化趨勢的貢獻(xiàn)率超過80%，這說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。