1976—2020年彌河流域不同等級降雨時空分布特征

文章編號：1671-3559（2024）02-0140-09DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240012.001

摘要： 為了對彌河流域的降雨特征及未來演變趨勢進行研究，基于流域15個氣象站1976—2020年的逐日降雨數據，應用Mann-Kendall檢驗、反距離插值和重標極差（R/S）分析法，研究不同等級降雨量與降雨時間的時空分布特征，并探討不同等級降雨對年降雨的影響以及流域未來降雨結構的發(fā)展趨勢。結果表明：研究期內彌河流域年降雨量呈逐年增加趨勢，除大雨外，其他等級降雨量呈增長態(tài)勢，降雨時間總體呈減少趨勢，僅中雨、 暴雨時間呈增加態(tài)勢；流域年降雨量從上游向下游呈遞減趨勢，與大雨、 暴雨空間變化一致，年降雨時間與小雨時間空間分布格局一致；中雨對年降雨量的貢獻率最高，為27.99%，小雨的發(fā)生率最高，為72.07%；相關性分析顯示，流域年降雨量與降雨時間分別受暴雨降雨量、 小雨時間的影響最大；流域暴雨降雨量、 暴雨時間與年降雨量都表現出較強的持續(xù)性，未來變化趨勢與過去相一致，降雨等級存在向暴雨轉變的趨勢。

關鍵詞： 降雨量； 降雨等級； 時空分布； 彌河流域

中圖分類號： P426.6

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Temporal-Spatial Distribution Characteristics of Different Rainfall

Levels in the Mihe River Basin from 1976 to 2020

LIU Wei1， CONG Xin2， LIU Yuyu2， SANG Guoqing2， GUO Cheng1， XU Zhenghe2

（1. Hydrological Center of Shandong Province， Jinan 250002， Shandong， China;

2. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To study the rainfall characteristics and future trend in the Mihe River Basin， based on daily rainfall data of 15 stations in the basin from 1976 to 2020， Mann-Kendall non-parametric test， inverse distance interpolation and rescaled range （R/S） analysis were used to analyze the characteristics of temporal-spatial variation for rainfall and rainfall days at different rainfall levels. The impacts of the different rainfall levels variation on the annual rainfall were explored and the future trend of rainfall structure was discussed. The results show that during the research period， the annual rainfall shows an increasing trend， except for heavy rainfall， other rainfall levels also show an upward trend. The rainfall days generally decrease， and only the moderate rainfall days and rainstorm days show an upward trend. Spatial distribution characteristics of the annual rainfall shows a decreasing trend from the upstream to the downstream of the basin， which is consistent with the spatial variation of heavy and rainstorm rainfall. The spatial distribution characteristics of the annual rainfall days and light rainfall days show a similar pattern. The highest contribution rate of moderate rainfall to annual rainfall is 27.99%， and the highest incidence rate of light rainfall is 72.07%. According to the correlation analysis， the changes of

收稿日期： 2022-10-14""""""""" 網絡首發(fā)時間：2024-01-12T20：43：59

基金項目： 國家自然科學基金項目（51909105）； 濟南大學學科重大課題（1420715）

第一作者簡介： 劉薇（1980—），女，山東濟南人。高級工程師，碩士，研究方向為流域水文模擬和氣候變化。E-mail： liuwei20092020@

163.com。

通信作者簡介： 徐征和（1968—），男，山東聊城人。教授，博士，博士生導師，研究方向為水資源高效利用。E-mail： xu4045@126.com。

網絡首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240112.0957.002

the annual rainfall and the rainfall days in the basin are most affected by the rainstorm and light rainfall days， respectively. The indicators related to rainstorm， rainstorm days and annual rainfall show strong persistence， the future trend is consistent with that of the past， indicating that the rainfall levels have a trend of transferring to rainstorm.

Keywords： rainfall; rainfall level; temporal-spatial distribution; the Mihe River Basin

在全球變暖的背景下，極端天氣活動發(fā)生的次數和持續(xù)的時間均表現出上升態(tài)勢，其中，與降水有關的旱澇自然災害會給社會造成巨大的損失。旱澇災害的出現與降雨量、降雨時間存在很大關聯(lián)。我國幅員遼闊，降雨具有明顯地域性及規(guī)律性，不同等級降雨的變化趨勢及其對年降雨的影響均有所不同［1］。李慧芳等［2］在研究海河流域不同等級降雨變化規(guī)律時發(fā)現，流域東南部地區(qū)年降雨量主要受大雨及以上等級降雨的影響。王延吉等［3］分析了長白山不同等級降雨時間特征，發(fā)現小雨、中雨和大雨雨時間的減少在年降雨時間的減少中起主導作用。何慶龍等［4］對延安市1956—2015年的降水時空特征進行了研究，并預測未來幾年降水量呈減少趨勢。微量降水事件的減少可能會導致干旱的發(fā)生［5］，而大雨的增加則導致洪澇等災害的發(fā)生［6］，突顯了開展不同等級降雨研究的重要性。

彌河發(fā)源于山東省濰坊市臨朐縣， 于濰坊港西側入海，流域地理位置為東經118°28′—119°7′、 北緯36°16′—37°3′， 干流長度為193.0 km，流域面積為3 357.38 km2。河流流經兩大地貌單元， 上游為魯中南中低山丘陵區(qū)， 洪水暴漲暴落； 下游為魯西北堆積平原區(qū)， 易發(fā)生洪澇災害。 據統(tǒng)計， 流域平均三年一澇、 三年一旱， 這種澇、 旱急轉頻繁的現象往往造成河流在長期斷流后突發(fā)大洪水， 給當地造成巨大經濟損失。 學者們就彌河流域降水開展了相關的研究。王海霞［7］研究發(fā)現，1958—1990年彌河流域降水量年際變化大， 1976年為降水量轉折點， 開始呈減少趨勢。徐立榮［8］研究發(fā)現流域澇、 旱災表現突出，其中，洪水的發(fā)生與流域內的暴雨密切相關，相關系數達0.89，而春季降水量僅占全年降水量的14.2%，極易發(fā)生春旱。郭成等［9］以流域1951—2019年降水量為研究對象，發(fā)現流域不同時段的面雨量極值的增長趨勢不顯著，同時得到流域年降水量的突變年份和變化周期。

目前相關研究多關注流域降水量的變化，而對不同等級降雨（小雨、 中雨、 大雨、 暴雨）變化的差異及其對年降雨的影響關注不夠，因此，本文中選擇彌河流域1976—2020年逐日的降雨資料，根據全國統(tǒng)一標準把降雨分為4個等級，采用Mann-Kendall（M-K）檢驗和反距離插值等方法，分析流域不同等級降雨量、 降雨時間的時空變化特征及對年降雨量的影響，為揭示研究區(qū)域降雨變化規(guī)律，應對氣候變化對未來澇、 旱災害防治提供參考。

1" 研究方法

1.1" 數據來源

本文中使用的降雨數據來源于山東省水文中心，選用彌河流域內東葦廠、 王莊、 西沂山、 黃山、 冶源水庫、 安家莊、 臨朐、 王墳、 益都、 宮家莊、 譚家坊、 寒橋、 大家洼、 九山、 丹河共15個站點1976—2020年日降雨量數據，雨量站點位置見圖1。

圖1" 彌河流域雨量站點分布

［資料來源： 國家標準地圖網站，審圖號為

GS（2019）3333號，經ArcGIS 10.2軟件數字化處理。］

本文中按全國統(tǒng)一標準，按日降雨量將降雨劃分為小雨（0.1～9.9 mm）、 中雨（10.0～24.9 mm）、 大雨（25.0～49.9 mm）和暴雨（≥50.0 mm）4個等級，并統(tǒng)計不同等級降雨的降雨量和降雨時間。同時，參考劉占明等［10］研究中引入的降雨貢獻率（某一等級降雨量占年降雨量的比值）和降雨發(fā)生率（某一等級降雨時間占年降雨時間的比值）2個指標，定量分析不同等級降雨對年降雨變化的影響。

1.2" 研究方法

采用線性傾向估計法來估算彌河流域1976—2020年不同等級降雨氣候傾向率，傾向率為正值時表示呈上升趨勢，為負值時表示呈下降趨勢，其絕對值越大表示變化幅度越大。運用M-K檢驗法來檢驗時間序列顯著性，置信度標準正態(tài)分布的分位數Z1-a/2小于90%與95%置信水平對應的標準化檢驗統(tǒng)計量Z的絕對值分別為1.64、 1.96， 當Z＞1.96或Z＜-1.96時，變化趨勢顯著性水平達到0.05［11］。利用重標極差（R/S）分析法得到的Hurst指數H來預測流域未來不同等級降雨變化趨勢，H的強度分級參考已有研究［12］，當H值在區(qū)間（0， 0.5）時，表明未來的總趨勢與過去相反，越接近0表示反持續(xù)性越強；當H為0.5時，表明未來的總趨勢變化是隨機的；當H值在區(qū)間（0.5， 1）時，表明未來的變化趨勢與過去一致，越接近1表示持續(xù)性越強。不同等級降雨指標的空間插值利用ArcGIS 10.2軟件中的反距離插值法。

2" 結果與分析

2.1" 不同等級降雨時間變化特征

2.1.1" 降雨量

1976—2020年彌河流域不同等級降雨量的年際動態(tài)變化如圖2所示。 從圖中可看出： 在彌河流域不同等級降雨變化中， 小雨、 中雨、 暴雨和年降雨量

的增長趨勢均不顯著， 變化速率分別為0.033、 0.511、 1.696、 1.676 mm/a； 大雨降雨量的減小趨勢不顯著， 變化率為0.565 mm/a。暴雨降雨量與年降雨量最大值出現的年份同為2018年，年降雨量最小值出現在1981年，暴雨降雨量最小值出現在2014年。 不同等級降雨量的相對變化幅度由大到小順序為暴雨、 年降雨、 大雨、 中雨、 小雨，說明彌河流域暴雨降雨量的大幅增加對流域年降雨量的增加起重要作用。 從表1中不同等級降雨量年代變化來看： 不同等級降雨量以及年降雨量在20世紀80年代中多位于均值以下且偏小， 距平百分率為負值； 進入90年代各等級降雨整體增加， 距平百分率為正值； 在20世紀末各等級降雨距平百分率開始略有不同， 僅有暴雨距平百分率為-12.12%，較90年代有所下降， 低于平均值； 21世紀前10 a， 小雨、 大雨距平百分率分別為-6.10%、 -10.14%， 降雨量較20世紀末有大幅度的下降， 中雨、 暴雨與年降雨距平百分率分別為3.82%、 25.59%和3.62%， 中雨與年降雨量在這10 a中變化較小， 而暴雨降雨量因受2018、 2019年臺風影響大幅增加。 總體來說，研究期內彌河流域年降雨量在均值附近交替變化， 整體呈波動上升， 變化速率為1.676 mm/a， 降雨量增加75.4 mm。

2.1.2" 降雨時間

1976—2020年彌河流域不同等級降雨時間的年際動態(tài)變化如圖3所示。從圖中可以看出： 中雨、 暴雨時間呈遞增趨勢［圖3（b）、 （d）］，增加速率分別為0.032、 0.012 d/a； 小雨時間［圖3（a）］、 大雨時間［圖3（c）］、 總降雨時間［圖3（e）］總體呈遞減趨勢，遞減速率分別為0.213、 0.008、 0.177 d/a， 其中，總降雨時間與小雨時間最大值出現年份均在1990年， 分別為56.27、 79.47 d， 小雨時間占比70.81%； 總降雨時間最小值與中雨、 大雨時間最小值出現年份一致，為2019年， 該年小雨時間也明顯減少。 從表1中不同等級降雨時間年代際變化來看： 小雨時間在20世紀80年代至末期呈現增加趨勢且增加幅度逐漸變大， 在21世紀前10 a出現大幅度的減少趨勢， 距平百分率高達-14.14%； 中雨與大雨時間在20世紀80、 90年代發(fā)生頻率相對較低， 在20世紀末期出現大幅波動增加，在21世紀前10 a中雨時間距平百分率仍維持在4%左右，整體呈增加趨勢，但大雨時間距平百分率為-8.06%，出現大幅下降趨勢； 暴雨時間在研究期內變化呈減少-增加交替變化，且變化幅度較大?？傮w來說，研究期內彌河流域年降雨時間在均值附近減少-增加-減少交替變化， 21世紀初波動幅度最大， 其中， 2016年后大幅降低， 主要是由于受到小雨時間減少的影響， 整體上表現為不顯著下降趨勢， 變化速率為-0.177 d/a， 降雨時間減少7.97 d， 與文獻［13-14］中研究該流域所在大區(qū)域內小雨時間、 年降雨時間呈減少趨勢的結果一致。

2.2" 不同等級降雨空間變化特征

2.2.1" 降雨量

1976—2020年彌河流域不同等級降雨量表現出明顯的空間分異特征，如圖4所示。由圖4（a）、 （b）可看出，流域內小雨、 中雨的空間分布格局大致相同， 總體呈上游向下游先減后增的變化趨勢， 在流域中部宮家莊站附近存在1個低值中心， 流域上游安家莊、 東葦廠、 西沂山3個站點降雨量較少。 圖4（c）表明， 大雨在流域西南部較多， 整體表現為由流域上游向下游遞減的趨勢， 安家莊、 東葦廠、 西沂山3個站點的降雨量仍較周圍站點偏少。 由圖4（d）分析可知， 暴雨由上游至下游方向表現出由高到低平行的過渡帶的分布特征， 相對其他等級降雨具有較強的層次性。 年降雨量空間變化趨勢［見圖4（e）］受到小雨、 中雨以及大雨的影響，表現為安家莊、 東葦廠、 西沂山3個站點較周圍站點明顯偏少，總體上受到大雨、 暴雨影響表現為流域上游丘陵區(qū)要多于下游平原區(qū)。

不同等級降雨的氣候傾向率和M-K檢驗結果如圖5所示。由圖可見：小雨降雨量在流域西北呈下降趨勢，東南呈上升趨勢，上升趨勢由南部向北部逐漸減弱，但變化趨勢微弱，無站點通過顯著性檢驗；中雨降雨量變化除流域上游王莊、 黃山站周邊區(qū)域呈下降趨勢，其余區(qū)域均呈上升趨勢，其中，王墳站表現為顯著上升；大雨降雨量在流域上游的王莊、 九山站附近呈上升趨勢，其余區(qū)域表現出不同程度地下降，下降趨勢由流域上游向下游先增強后減弱，與中雨降雨量顯著性檢驗相同，僅王墳站通過了顯著性檢驗；暴雨降雨量在全流域表現為上升趨勢，傾向率由上游向下游先增加后減小，但各站點變化均不顯著；年降雨量在全流域呈不顯著增加趨勢?？傮w看，彌河流域僅有中游王墳站在中雨、 大雨降雨量上分別表現出顯著性增加與減少的變化趨勢；全流域暴雨與年降雨量呈現整體增加趨勢，且結合降雨量的分布特征，上游九山、 東葦廠、 西沂山站暴雨降雨量大且呈現較強的增加趨勢，該區(qū)域由降雨引起的各種風險可能在增加，應引起相關部門的高度重視。

2.2.2" 降雨時間

有研究［15］認為，中國降雨量的空間分布與相應時段的降雨時間空間分布格局大致相似。事實上，大雨、 暴雨降雨量決定總降雨量，小雨時間決定總降雨時間，因此降雨量和降雨時間的分布存在差異。1976—2020年彌河不同等級降雨時間及氣候傾向率空間變化見圖6、 7。由圖6可見，流域內不同等級降雨時間的空間分布有所不同，同時隨著降雨等級提高，對應降雨時間迅速減少。其中，小雨、 中雨、 暴雨時間變化趨勢的空間分布與其對應的降雨量變化趨勢空間格局基本一致，尤其在安家莊、 東葦廠、 西沂山3個站點表現出比周圍站點偏少的特征，大雨、 年降雨時間與對應的降雨量變化趨勢有所不同。小雨、 中雨時間的分布相似，均表現為從流域南部向北部增加、從西南向東北先減少后增加的分布趨勢。全流域大雨時間以4.3～4.7 d為主，流域上游的大雨時間明顯多于下游的。暴雨時間分布從流域上游向下游表現出減少-增加-減少的平行過渡帶特征。全流域年降雨時間分布較為分散，與小雨時間分布十分吻合，原因是年降雨時間分布特征主要取決于小雨時間的分布特征。

由圖7（a）可看出，小雨時間傾向率分布較為散亂， 其正值區(qū)在流域的南部的九山站—西沂山站—東葦廠站一帶與中部的宮家莊站一帶， 小雨時間傾向率為0.001～1.054 d/a， 負值區(qū)中在流域東北部譚家坊站—寒橋站一帶的小雨時間傾向率為-0.710～-0.525 d/a。 中雨時間傾向率除王莊、 黃山站附近， 其余區(qū)域均為正值， 在流域上游北部安家莊站—王墳站一帶增加速度最快［見圖7（b）］。 圖7（c）表明，大雨時間傾向率變化相對其他等級降雨時間的變化表現出明顯的區(qū)域性，由上游的增加趨勢到下游的減少趨勢，流域中部減少趨勢顯著。由圖7（d）可看出，暴雨時間傾向率僅在東葦廠、 臨朐、 大家洼3個站點附近表現為顯著下降趨勢，其他站點附近呈上升趨勢。圖7（e）表明，降雨時間傾向率的變化趨勢與小雨時間傾向率變化大致相同，15個站點中僅有上游的西沂山、 東葦廠站，中游的宮家莊3個站點表現為增加趨勢，王莊、 黃山、 冶源水庫、 王墳、 譚家坊、 寒橋、 大家洼7個站點表現出顯著減少趨勢。

2.3" 不同等級降雨對年降雨的影響

為了定量分析彌河流域不同等級降雨對年降雨的影響，計算不同等級降雨的貢獻率與發(fā)生率變化，結果見圖8。從圖8（a）可以看出， 中雨降雨貢獻率高達到27.99%， 其次為大雨、 暴雨、 小雨。 從貢獻率變化趨勢來看： 小雨、 大雨的貢獻率呈下降趨勢，中雨、 暴雨的貢獻率呈上升趨勢。 圖8（b）表明， 降雨發(fā)生率表現為隨降雨等級的提高而降低， 其中， 小雨時間發(fā)生率達到72.07%。 從發(fā)生率變化趨勢分析： 中雨、 大雨與暴雨的發(fā)生率均表現出上升趨勢， 且變化速率隨降雨等級的提高而降低； 僅有小雨的發(fā)生率呈下降趨勢， 但小雨發(fā)生率仍然最高。

1976—2020年彌河流域不同等級降雨指標與年降雨指標的相關系數見表2。由表可知，除暴雨時間與年降雨時間外，其他等級降雨量、 降雨時間分別與年降雨量、 降雨時間呈現極顯著正相關。其中，年降雨量與不同等級降雨量的相關系數表現為隨降雨等級的提高而增大，其中與暴雨降雨量的相關系數高達0.76，說明暴雨降雨量對年總降雨量的變化起主導作用。年降雨時間與不同等級降雨時間的相關系數隨降雨等級提高而減小，年降雨時間與小雨時間的相關系數達到0.89，說明小雨時間對年降雨時間的變化起主導作用。

2.4" 不同等級降雨的未來變化趨勢

表3為1976—2020年彌河流域不同等級降雨的Hurst指數H。由表可知，不同等級降雨的H存在較大差異。小雨時間、 年降雨時間的H均小于0.5，說明兩者未來的變化與過去呈現很弱的相反趨勢。小雨降雨量、 中雨降雨量與中雨時間H分別為0.52、 0.52、 0.51，未來延續(xù)性很弱。大雨降雨量、 大雨時間與暴雨時間的H為0.62～0.64，未來延續(xù)性相對較弱。暴雨降雨量與年降雨量H大于0.65，表現出較強的延續(xù)性。上述結果說明，未來彌河流域暴雨降雨量與年降雨量將持續(xù)增加，大雨降雨量與大雨時間呈減少趨勢，暴雨時間呈增加趨勢，而小雨降雨量、 中雨降雨量、中雨時間減少趨勢可能性較大，小雨時間與年降雨時間增加趨勢可能性較大。結合降雨量與降雨時間變化趨勢可以發(fā)現，容易引起流域洪澇災害的暴雨在降雨量與降雨時間上均表現出持續(xù)增加的趨勢，表明未來降雨等級存在向暴雨轉變的趨勢。

3" 結論

本文中基于彌河流域1976—2020年的逐日降雨數據，研究全流域不同等級降雨、 降雨時間的時空變化特征及對年降雨量的影響， 得到如下結論：

1）在時間上， 全流域小雨、 中雨、 暴雨降雨量及年降雨量呈增加趨勢， 大雨降雨量呈減少趨勢； 降雨時間上， 中雨、 暴雨時間呈增加趨勢， 而小雨、 暴雨及年降雨時間呈減少趨勢。

2）在空間上，流域整體年降雨量與大雨、 暴雨降雨量分布大致相同，由上游向下游遞減，各站點降雨量增加趨勢不顯著；年降雨時間與小雨時間分布吻合，分布相對分散，7個站點所在的大部分地區(qū)呈顯著減少趨勢。

3）中雨、 暴雨降雨量對年降雨量的貢獻率呈增加趨勢，其中，中雨降雨量的貢獻率最大，中雨、 大雨、 暴雨時間的對年降雨時間的貢獻率呈增加趨勢，但小雨時間仍占主導作用。

4）流域暴雨降雨量、 暴雨時間與年降雨量Hurst指數均大于0.6，表明未來流域暴雨降雨量、 暴雨時間以及年降雨量都將持續(xù)增加，其他等級降雨量均有持續(xù)減少的趨勢，未來彌河流域降雨結構存在向極端強降雨轉移的發(fā)展趨勢。

本文中僅分析了彌河流域不同等級降雨時空變異特征，未涉及造成這種差異的驅動因素，可在今后的研究中深入分析。

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（責任編輯：于海琴）