山東省典型河流近60 a降水演變規(guī)律分析

楊雪琪，武 瑋，桑國慶，王琦琨，燕雪婷

(1. 濟南大學 水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；2. 山東農(nóng)業(yè)大學 藝術(shù)學院，山東 泰安 271018)

降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是影響地球生態(tài)環(huán)境和人類經(jīng)濟社會發(fā)展的最重要氣候之一。受氣候變化和人類活動的雙重影響，全球降水規(guī)律發(fā)生了顯著改變[1-3]，導(dǎo)致洪澇、干旱等極端氣候事件頻發(fā)，對人類生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生了極大影響[4]，因此，明確氣候變化背景下降水時空演變特征，并預(yù)測未來降水的變化規(guī)律，可以為應(yīng)對干旱和洪澇災(zāi)害等極端氣候事件提供參考。

近年來，國內(nèi)外學者針對降水演變趨勢進行了較多研究。Alexander等[5]分析了20世紀以來全球降水日數(shù)增減情況。劉凱等[6]分析了中國1951—2018年氣溫和降水的空間演變特征。孫思宇等[7]分析了吉林省吉林市降水周期規(guī)律。吳昊旻等[8]分析了1901—2015年浙江省麗水市降水周期變化。上述研究空間尺度主要集中于區(qū)域或流域[9-11]，時間尺度主要集中于年和汛期尺度，以季為尺度的降水周期規(guī)律研究較少。

根據(jù)山東省2019年水資源公報，2019年全省水資源總量為1.952 1×1010m3，總用水量為2.252 6×1010m3，屬于嚴重缺水區(qū)。山東省作為我國經(jīng)濟發(fā)展強省，水是影響該省經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源之一[12]。降水是水資源的主要來源，降水規(guī)律的變化直接影響了山東省水資源的利用。目前，已有部分學者對山東省降水規(guī)律進行了研究[13-18]，但主要集中于年降水、汛期降水和非汛期降水的演變規(guī)律。本文中根據(jù)山東省10條典型河流的13個站點1956—2016年的月降水量，分析年、汛期、非汛期和季節(jié)尺度的降水時空演變規(guī)律，并對未來降水規(guī)律進行預(yù)測，以期為未來山東省降水變化及應(yīng)對干旱、洪澇災(zāi)害等極端氣象事件提供參考數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及分區(qū)

山東省地處我國東部，屬暖溫帶季風氣候，除膠東半島東部沿海外，大陸性氣候顯著，受大氣環(huán)流、季風和地形條件的共同影響，降水量的年際變化較大，年內(nèi)分布也不均勻，夏季降水占全年降水量的60%～70%。全省中小河流密布，根據(jù)河流水系完整性，分為徒駭馬頰河、花園口以下、沂沭泗河和山東半島沿海諸河四大水系，其中：徒駭馬頰河水系主要包括位于魯北平原區(qū)的漳衛(wèi)新河、徒駭河、馬頰河等；花園口以下水系主要包括大汶河、玉符河和南北沙河；沂沭泗河水系主要有沂河、沭河、泗河、洙趙新河等；山東半島沿海諸河水系均為獨流入海，包括大沽河、濰河、小清河、彌河等。本研究從四大水系分別選取典型河流進行分析，其中：花園口以下水系以大汶河為典型河流，代表氣象觀測站為萊蕪和戴村壩；山東半島沿海諸河以大沽河、濰河和小清河作為典型河流，代表氣象觀測站分別為南村、峽山水庫和岔河；徒駭馬頰河水系以徒駭河和馬頰河為典型河流，代表氣象觀測站分別為白鶴觀閘和堡集閘；沂沭泗河水系以沂河、沭河、泗河、洙趙新河為典型河流，沂河的代表性氣象觀測站為東里店和臨沂，沭河的為莒縣和大官莊，泗河的為書院，洙趙新河的為梁山閘。所選典型河流及氣象觀測站位置如圖1所示。

圖1 山東省典型河流及氣象觀測站空間分布 山東省地圖從國家標準地圖網(wǎng)站下載，地圖審批編號為GS(2020)4634號(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0467%22)，經(jīng)過ArcGIS 10.3軟件數(shù)字化處理后得到。

上述典型河流和氣象觀測站基本代表了山東省河流的主要降水特征。收集以上10條典型河流的13個代表性氣象觀測站1956—2016年的實測月降水量，分別統(tǒng)計季節(jié)尺度、候尺度和年尺度，候尺度研究時段為汛期6—9月，該數(shù)據(jù)均由山東省水文局提供。

1.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall(M-K)檢驗是世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗方法[19-22]，現(xiàn)已廣泛用來分析降水、徑流和氣溫等要素時間序列的趨勢或跳躍變化，因此本研究采用M-K檢驗分析1956—2016年代表站在季節(jié)尺度、汛期候尺度和年尺度降水量的趨勢變化。

1.3 小波分析

Morlet連續(xù)復(fù)小波變換分析可揭示時間序列的多種變化周期，以此來定性評估未來趨勢[23]。本文中采用Morlet復(fù)小波分析法計算降水周期性，并繪制小波方差圖和降水周期圖，綜合分析降水在時間尺度上的周期變化特性。

1.4 Hurst指數(shù)

Hurst指數(shù)揭示了時間序列過去與未來變化趨勢的相互關(guān)系，利用該序列的過去變化特征預(yù)測未來變化趨勢[24]，目前廣泛應(yīng)用于判別氣象或水文要素時間序列變化趨勢的持續(xù)性或反持續(xù)性的強度。

Hurst指數(shù)值H可在雙對數(shù)坐標系中用最小二乘法擬合得到。當0

2 結(jié)果與討論

2.1 不同時間尺度降水量趨勢分析

根據(jù)山東省典型河流13個氣象觀測站1956—2016年的季節(jié)尺度、汛期候尺度和年尺度的降水資料，進行M-K檢驗，結(jié)果如表1所示。

表1 山東省典型河流不同站點在不同時間尺度上的降水量趨勢分析結(jié)果

從年尺度來看：小清河岔河站、徒駭河白鶴觀閘站和馬頰河堡集閘站的年降水量呈現(xiàn)增加趨勢，其中小清河岔河站通過了置信度為95%的顯著性趨勢檢驗，為顯著增加趨勢；其他河流的各站點的年降水量均呈現(xiàn)減小趨勢，其中沭河莒縣站呈現(xiàn)顯著減小趨勢，其他站點減小趨勢不顯著，說明山東省魯西北年降水量呈現(xiàn)增加趨勢，而其余地區(qū)均為減小趨勢。從汛期候尺度來看：汛期降水量存在與年降水量類似的趨勢，僅小清河岔河站、徒駭河白鶴觀閘站和馬頰河堡集閘站出現(xiàn)微弱增加趨勢，但汛期降水量呈增加趨勢將增加汛期洪澇災(zāi)害的風險；其他河流的站點中則以洙趙新河梁山閘站和沭河莒縣站減小趨勢最為顯著。從非汛期降水量來看，除小清河岔河站、濰河峽山水庫站、泗河書院站、沂河臨沂站和沭河大官莊站呈增加趨勢，其他河流的各站點都呈減小趨勢，且趨勢均不顯著。從季尺度降水量來看：春季降水量僅有沂河?xùn)|里店站和沭河莒縣站的降水量呈現(xiàn)下降趨勢，其余站點的均呈增加趨勢；夏季降水量趨勢與汛期相同，僅小清河岔河站、徒駭河白鶴觀閘站和馬頰河堡集閘站的降水量呈增加趨勢，其他站點的均呈現(xiàn)減小趨勢，其中大汶河戴村壩站、洙趙新河梁山閘站和沭河莒縣站的呈顯著減小趨勢；除小清河岔河站、徒駭河白鶴觀閘站、泗河書院站和洙趙新河梁山閘站的秋季降水量呈增加趨勢，其他站點的均減小趨勢；僅沂河臨沂站和沭河大官莊站的冬季降水量呈增加趨勢，其余站點的均呈減小趨勢。與其他時間段不同，魯西南地區(qū)的冬季降水量呈增加趨勢，其余地區(qū)的呈減小趨勢。

從空間上來看，山東省魯西北地區(qū)降水量有增加的趨勢，魯東南地區(qū)降水量呈下降趨勢，從西北到東南降水量呈逐漸減小趨勢，其中小清河岔河站的降水量呈顯著增加趨勢，大汶河戴村壩站，洙趙新河梁山閘站、莒縣站呈顯著下降的趨勢。

2.2 不同時間尺度降水量周期分析

2.2.1 年尺度降水量周期分析

本文中以沂河?xùn)|里店站為例，繪制Morlet小波變換系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖，如圖2所示。從圖2(a)可以明顯看出，東里店站年降水存在20～30、8～15 a的2個周期，且20～30 a周期最明顯，是影響未來該地區(qū)降水的主要時間尺度。在20～30 a尺度周期中，1956—2016年降水明顯地存在著枯—豐—枯—豐—枯—豐的3次枯豐交替振蕩的變化過程，且周期整體上比較穩(wěn)定。8～15 a尺度周期變化不穩(wěn)定，尤其1985年以后，8～15 a尺度的周期性不明顯。

由東里店站小波方差圖(見圖2(b))可知，1956—2016年共存在 2個較為明顯的方差極值，最大方差峰值對應(yīng)的時間尺度為27 a，說明以27 a 為周期的降水演變規(guī)律最為明顯，因此27 a為降水變化的第一主周期，11 a為降水變化的第二主周期，由于第二主周期的峰值遠小于第一主周期的峰值，因此第一主周期控制著東里店站降水在整個時間段內(nèi)的變化特征。

根據(jù)沂河?xùn)|里店站年降水小波系數(shù)實部等值線圖(見圖2(a))發(fā)現(xiàn)，1985年前后東里店站降水周期發(fā)生了一定程度的改變，因此以1985年為分界點，分析1985年前、后2個時期的降水周期變化，1985年之前第一主周期為8～14 a，第二主周期為4～8 a，其Morlet小波變換系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖見圖3；1985年之后第一主周期為4～8 a，第二主周期為8～12 a，其Morlet小波變換系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖見圖4。由圖3、4可以看出，1985年后，控制年降水變化的第一主周期變短，說明在氣候變化背景下，降水豐枯交替變化更加明顯，與蔡敷川等[26]分析的廣東省河源市汛期降水周期在20世紀80年后變短情形一致。

(a)小波系數(shù)實部等值線(b)小波方差圖2 沂河的東里店站年尺度降水周期分析結(jié)果

(a)小波系數(shù)實部等值線(b)小波方差圖3 沂河的東里店站1985年前降水周期分析結(jié)果

(a)小波系數(shù)實部等值線(b)小波方差圖4 沂河的東里店站1985年后降水周期分析結(jié)果

除沂河?xùn)|里店站外，其他河流的各站點存在不一樣的周期，如：大汶河戴村壩站年降水第一主周期為5～13 a，第二主周期為13～25 a；大汶河萊蕪站年降水第一主周期為 10～20 a，第二主周期為20～30 a；沂河臨沂站年降水第一主周期為10～30 a，第二主周期為5～10 a。其他站點的年降水周期規(guī)律與沂河?xùn)|里店站的相似。具體降水周期見表2。

總的來說，山東省河流年降水演變過程中普遍存在2個尺度振蕩周期，其中第一主周期為20～30 a ，第二主周期為10～20 a。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加的趨勢，第二主周期尺度則呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北先增加后減小的趨勢。

2.2.2 汛期候尺度降水量周期分析

沂河?xùn)|里店站汛期降水第一主周期為20～30 a，第二主周期為10～15 a；大汶河戴村壩站汛期降水第一主周期為5～15 a，第二主周期為15～25 a；沂河臨沂站汛期降水第一主周期為15～20 a，第二主周期為25～30 a。其余站點的汛期降水周期規(guī)律與沂河?xùn)|里店站相似?？偟膩碚f，汛期降水演變過程中存在20～30、10～20 a這2個尺度振蕩周期，其中第一主周期為20～30 a，第二主周期為10～20 a。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先增加后減小的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸減小的趨勢。

沂河?xùn)|里店站非汛期降水第一主周期為20～30 a，第二主周期為5～15 a：沂河臨沂站非汛期降水第一主周期為15～20 a，第二主周期為25～30 a；大汶河戴村壩站非汛期降水第一主周期為5～15 a，第二主周期為15～25 a。其余站點的非汛期降水周期規(guī)律與以上3個站點相似?？偟膩碚f，非汛期降水演變過程中存在 20～30、5～15 a這2個尺度振蕩周期，其中第一主周期為20～30 a，第二主周期為5～15 a。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯東南地區(qū)向魯西北地區(qū)逐漸減小的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯東南地區(qū)向魯西北地區(qū)逐漸減少的趨勢。

表2 山東省典型河流不同站點在不同時間尺度上的降水周期表 時間/a

2.2.3 季節(jié)尺度降水量周期分析

沂河?xùn)|里店站春季降水第一主周期為5～15 a，第二主周期為15～20 a；大沽河南村站春季降水第一主周期為5～10 a，第二主周期為10～20 a。其余站點的春季降水周期規(guī)律均與以上2個站點相似。總的來說，春季降水演變過程中存在 5～15、15～20 a這2個尺度振蕩周期，其中第一主周期為5～15 a，第二主周期為15～20 a。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先減小后增加的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先減小后增加的趨勢。

沂河?xùn)|里店站夏季降水第一主周期為20～30 a，第二主周期為10～20 a；大汶河戴村壩站夏季降水第一主周期為5～15 a，第二主周期為15～25 a。其余站點的夏季降水周期規(guī)律均與以上2個站點相似?？偟膩碚f，夏季降水演變過程中存在 20～30、15～20 a這2個尺度振蕩周期。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸減小的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯西北地區(qū)向魯東南地區(qū)先減小后增加的趨勢。

沂河?xùn)|里店站秋季降水第一主周期為13～20 a，第二主周期為7～13 a；泗河書院站秋季降水第一主周期為13～20 a，第二主周期為7～13 a。其余站點的秋季降水周期規(guī)律均與以上2個站點相似?？偟膩碚f，在秋季降水演變過程中存在 15～20、5～15 a這2個尺度振蕩周期。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加的趨勢。

沂河?xùn)|里店站冬季降水第一主周期為20～30 a，第二主周期為10～20 a；大汶河戴村壩站冬季降水第一主周期為10～20 a，第二主周期為20～30 a。其余站點的冬季降水周期規(guī)律均與以上2個站點相似?？偟膩碚f，在冬季降水演變過程中存在15～30、5～20 a這2個尺度振蕩周期。從空間上來看，第一主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加的趨勢，第二主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先減小后增加的趨勢。

2.3 未來降水量預(yù)測

根據(jù)Hurst指數(shù)和前期降水量趨勢分析結(jié)果，分析山東省典型河流各站點的降水量未來變化特征，結(jié)果如表3所示。根據(jù)重標極差(R/S)分析，從年尺度來看，除馬頰河堡集閘站的Hurst指數(shù)小于0.5外，其余站點的均大于0.5，說明這些站點未來降水量變化趨勢與過去變化趨勢相同，即除小清河岔河站年降水量未來存在增加趨勢外，其他河流的年降水量均呈現(xiàn)下降趨勢。從汛期候尺度來看： 汛期僅有馬頰河堡集閘站Hurst指數(shù)小于0.5，未來降水量變化趨勢與年尺度相同；非汛期僅有徒駭河白鶴觀閘站、馬頰河堡集閘站、沂河?xùn)|里店站3個站點的Hurst指數(shù)小于0.5，未來大汶河戴村壩站、萊蕪站，大沽河南村站，洙趙新河梁山閘站，沭河莒縣站5個站點的非汛期降水量呈現(xiàn)下降趨勢，其余8個站點的呈增加趨勢。從季節(jié)尺度來看： 春季僅有大汶河戴村壩站，徒駭河白鶴觀閘站，馬頰河堡集閘站，洙趙新河梁山閘站，沭河莒縣站、大官莊站的Hurst指數(shù)小于0.5，未來僅大汶河戴村壩站、徒駭河白鶴觀閘站、馬頰河堡集閘站、沂河?xùn)|里店站、洙趙新河梁山閘站、沭河大官莊站6個站點的降水量有下降趨勢，其余7個站點的呈增加趨勢。未來山東省春季降水量也有增加的趨勢，與孔寧寧等[27]研究山東省聊城市春季降水規(guī)律較為一致。夏季僅有大汶河戴村壩站、馬頰河堡集閘站的Hurst指數(shù)小于0.5，未來僅有大汶河戴村壩站、小清河岔河站和徒駭河白鶴觀閘站的降水量呈增加趨勢，其余站點的均呈下降趨勢。秋季僅大汶河萊蕪站、馬頰河堡集閘站和泗河書院站的Hurst指數(shù)小于0.5，未來僅大汶河萊蕪站、小清河岔河站和徒駭河白鶴觀閘站的降水量有增加的趨勢，其余站點的均呈下降趨勢。冬季所有站點的Hurst指數(shù)均大于0.5，除沭河大官莊站和沂河臨沂站外，其余站點的未來冬季降水量均呈下降趨勢。

表3 山東省典型河流未來降水量預(yù)測

總的來說，除徒駭河白鶴觀閘站、馬頰河堡集閘站和大汶河戴村壩站外，其余站點的Hurst指數(shù)平均值為0.58，表明山東省典型河流未來降水量變化趨勢可能與過去變化趨勢相同，呈下降趨勢。從整體來看，除小清河岔河站的未來降水量呈上升趨勢，其余站點的均呈下降趨勢，但非汛期和春季也有部分站點的降水量有上升的情況，有助于緩解春季干旱局面，對糧食生產(chǎn)極為有利。總之，未來山東省降水量整體呈下降趨勢，與房永生等[28]和胡剛等[29]的研究結(jié)果較為一致。

3 結(jié)論

本文中以山東省10條典型河流的13個氣象觀測站的1956—2016年降水數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于M-K檢驗、小波分析和Hurst指數(shù)等方法，選取年、汛期候和季節(jié)3個時間尺度分析降水量的時間變化特征，得出以下結(jié)論：

1)山東省年降水量整體呈下降趨勢，僅小清河岔河站的降水量呈顯著上升趨勢。汛期魯西北地區(qū)的降水量呈增加趨勢，其余地區(qū)的均呈下降趨勢；非汛期除僅少部分地區(qū)的降水量有上升趨勢，其余地區(qū)的均呈下降趨勢。春季降水量整體呈上升趨勢，夏季降水量整體呈下降趨勢，且洙趙新河梁山閘站、莒縣站的夏季降水量呈顯著下降趨勢，秋季降水量除魯西北地區(qū)外基本呈減小趨勢，冬季降水量整體呈減小趨勢。

2)山東省年降水中存在20～30、10～20 a這2個周期尺度，從空間來看，年降水主周期呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加趨勢。汛期降水存在20～30、10～20 a這2個周期尺度，汛期主周期呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先增加后減小的趨勢。非汛期降水存在20～30、5～15 a這2個周期尺度，非汛期主周期呈現(xiàn)從魯東南地區(qū)向魯西北地區(qū)逐漸減小的趨勢。春季降水存在5～15、15～20 a這2個周期尺度，主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)先減小后增加的趨勢。夏季降水存在20～30、15～20 a這2個周期尺度，主周期尺度呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸減小的趨勢。秋季降水存在15～20、5～15 a這2個周期尺度，冬季降水存在 15～30、5～20 a這2個周期尺度，且秋季和冬季的主周期尺度都呈現(xiàn)從魯西南地區(qū)向魯東北地區(qū)逐漸增加的趨勢。

3)除徒駭馬頰河堡集閘站外，其他河流各站點的降水量具有較強的持續(xù)性，很可能遵循歷史發(fā)展趨勢，可以預(yù)測，除小清河岔河站的未來降水量有增加趨勢外，還有部分河流的站點在非汛期和春季的降水量也有增加趨勢，但山東省未來降水量整體呈下降趨勢。