徐澤華, 韓 美, 張廣彩, 姜小翠

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 濟(jì)南250000)

降水不僅是全球水循環(huán)中最重要的因子之一，而且是一種能量的載體，通過潛熱釋放為驅(qū)動(dòng)全球大氣環(huán)流提供了3/4的能量。降水通過改變大氣中水、熱量再分布，對區(qū)域和全球的天氣和氣候產(chǎn)生重要的影響。因此，研究降水的空間分布和時(shí)間變化特征對全球水循環(huán)和大氣環(huán)流具有重要的科學(xué)意義[1]。在全球變暖的背景下，我國各區(qū)域降水變化存在明顯的地域差異，東北北部、長江中下游的東南部地區(qū)和西部廣大地區(qū)降水增加，而華北地區(qū)以及東北東南部和西北東部地區(qū)降水明顯減少，而減少最明顯的區(qū)域是環(huán)渤海地帶[2]。近十幾年來，夏季降水明顯增加，尤其是長江中下游地區(qū)、華南地區(qū)和西北西部地區(qū)。而華北地區(qū)夏季降水減少趨勢明顯。段麗瑤等根據(jù)1961—2008年降水資料，利用EOF和REOF方法得到環(huán)渤海地區(qū)夏季降水存在明顯的區(qū)域一致性[3]以及年際和年代際變化特征，降水總體呈下降趨勢。王紹武[4]等利用重建的1880年以來中國東部35 個(gè)站的四季降水量資料，研究了19世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90 年代中國年降水量的十年際變化特征。Dinget al[5]用同樣的資料研究了一百多年來中國東部不同地區(qū)華北、長江淮河流域以及華南夏季降水的年代變化特征及其與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系。陳隆勛等[6]研究了近80 年來中國氣溫和降水的年代際變化特征。我們過去的研究表明近一百多年中國東部不同區(qū)域降水發(fā)生年代際躍變的時(shí)期有所不同。徐宗學(xué)等[7]利用M-K法分析了山東14個(gè)氣象站1958—2008年氣溫和降水的變化，表明除濟(jì)南降水量呈略微上升趨勢外，其余地區(qū)的降水傾向率均為負(fù)值。楊士恩等[8]應(yīng)用1961—1998年的山東省40個(gè)代表站夏季降水資料，分析了山東夏季降水特征，得出山東夏季降水呈現(xiàn)出整體一致性，即降水的同多(同少)型。在總體一致的趨勢下還有明顯的東、西差異和南、北差異，存在3.8年震蕩周期，并且在1978年出現(xiàn)了一次降水突變。遲竹萍[9]利用1961—2005年山東省26個(gè)氣象站逐日降水資料，分析了山東夏季降水量、雨日和暴雨日數(shù)特征，表明，山東夏季降水大部分地區(qū)為減少趨勢，暴雨日降雨強(qiáng)度的變化與夏季降水量的減少關(guān)系更為密切；夏季降水量、暴雨日降雨強(qiáng)度和旱澇年有明顯的年代際變化特征。

山東省位于中國東部地區(qū)，年內(nèi)降水時(shí)空分布受海陸位置及區(qū)域內(nèi)地形地貌特征的影響而差異明顯。山東主要的自然災(zāi)害是旱澇災(zāi)害，在60年代，山東省發(fā)生了很多洪災(zāi)，80年代降雨量偏少，發(fā)生了嚴(yán)重干旱災(zāi)害，1990年代則旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)，21世紀(jì)以來，不斷出現(xiàn)洪澇等自然災(zāi)害。當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全、地方經(jīng)濟(jì)受到旱澇災(zāi)害的嚴(yán)重影響。為減少損失，我們要進(jìn)一步研究旱澇等自然災(zāi)害產(chǎn)生和加重的原因，降水量年內(nèi)的不均勻性分配是產(chǎn)生旱澇災(zāi)害事件的重要原因之一。以前學(xué)者對山東降水特征的研究多集中于降水日數(shù)和降水量的時(shí)空變化特征上，很少有關(guān)于降水量年內(nèi)非均勻性分配特征方面的分析，所以，從定量角度分析某個(gè)地區(qū)降水事件的不均勻性特征有著深遠(yuǎn)意義。

1　研究區(qū)概況

山東省位于我國東部、黃渤海之間，泉城濟(jì)南是其省會(huì)。面積15.7萬km2，南北最長距離大約420 km，東西最寬700余km。地域東面緊鄰黃渤海，西面連接內(nèi)陸。水平地域由半島和內(nèi)陸兩大塊組成，東部的半島位于黃海、渤海之間，與遼東半島隔著一個(gè)渤海海峽，西面內(nèi)陸地區(qū)與河北、河南、安徽、江蘇4省自北向南依次接壤，是中國重要的農(nóng)產(chǎn)區(qū)。平原、洼地約占全省面積的65%，山地、丘陵約占35%。平原有魯西、北平原和膠萊平原，山地丘陵包括魯中南低山丘陵和膠東低山丘陵兩部分。山東生物資源種類多、數(shù)量大，以北溫帶針、闊葉樹種為主。山東省屬暖溫帶季風(fēng)氣候，降水集中，雨熱同季，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害且年降水量主要集中在夏季;春季、秋季和冬季節(jié)是少雨季節(jié)，春季降水特別稀少，旱災(zāi)頻發(fā)[10]。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)據(jù)及來源

本研究氣象數(shù)據(jù)來自各省、市、自治區(qū)氣候資料處理部門逐月上報(bào)的《地面氣象記錄月報(bào)表》的信息化資料。資料數(shù)據(jù)集全稱為中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。從此數(shù)據(jù)集中選用1981—2010年山東省18個(gè)地面氣象觀測站的逐日降水量的實(shí)測資料。

南方濤動(dòng)指數(shù)來源于中國氣象局國家氣候中心，東亞夏季風(fēng)指數(shù)來源于李建平研究員的主頁，資料序列均為1981—2010年，其中，東亞夏季風(fēng)指數(shù)選用6—8月均值，指數(shù)越大，夏季風(fēng)越強(qiáng)；反之，夏季風(fēng)越弱。南方濤動(dòng)指數(shù)選用相應(yīng)月均值對應(yīng)不同的季節(jié)，指數(shù)出現(xiàn)持續(xù)正值，該年有拉尼娜現(xiàn)象；反之，該年有厄爾尼諾現(xiàn)象[11]。

2.2　研究方法

首先，采用Mann-Kendall方法對山東降水進(jìn)行趨勢分析，Mann-Kendall檢驗(yàn)中樣本不需要遵循一定的分布，也不會(huì)受到極少數(shù)異常值的影響，在水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)中有很大的適用性，具有計(jì)算方便等特點(diǎn)。

在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1，…,Xn),是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不一樣的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算如下式：

(1)

(2)

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)系統(tǒng)變量通過下式計(jì)算：

(3)

雙邊的趨勢檢驗(yàn)中，在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計(jì)量Z，大于0時(shí)是上升趨勢；小于0時(shí)是下降趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28，1.64，2.32時(shí)，分別表示通過了信度90%，95%，99%的顯著性檢驗(yàn)。

為了檢驗(yàn)序列的趨勢,需要計(jì)算單調(diào)趨勢的大小-Kendall傾斜度,即單位時(shí)間內(nèi)的變化量,以此來量化單調(diào)趨勢[12],其計(jì)算公式:

(4)

式中:1≤j

然后采用Mann-Kendall方法對山東降水進(jìn)行突變檢驗(yàn)，當(dāng)Mann-Kendall檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，通過構(gòu)造一秩序列：

(5)

(6)

定義統(tǒng)計(jì)變量：

(7)

E(Sk)=k(K+1)/4;var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(8)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2,則表明序列的趨勢變化很明顯，我們可以將時(shí)間序列x按逆序排列，再按照(4) 式計(jì)算，與此同時(shí)令

(9)

我們可以通過研究統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化，從而明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域位置。若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢；若UF值小于0，則說明呈下降趨勢；當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，說明上升或下降趨勢很明顯。如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

最后采用Morlet小波變換方法對山東降水和大尺度氣候因子進(jìn)行周期分析，對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為[13]：

(10)

(11)

通過增加或減小伸縮尺度a來得到信號的低頻或高頻信息，然后分析信號的概貌或細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對信號不同時(shí)間尺度和空間局部特征的分析。本文研究中，由小波變換方程得到小波系數(shù)，然后通過這些系數(shù)來分析山東降水時(shí)間序列的時(shí)頻變化特征。

3　結(jié)果與分析

3.1　降水空間分析

從圖1可以看出,山東省降水量在空間分布上有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 自東南向西北遞減。泰山、日照和石島地區(qū)為多雨區(qū),年降水量達(dá)740 mm以上;莘縣、惠民縣和東營等地為少雨區(qū),年降水量在500～550 mm左右。(2) 沿海多于內(nèi)陸。沿海一帶與其他地區(qū)相比,降水明顯偏多,這主要是因?yàn)樵搮^(qū)距離海洋較近,來自海上的東南氣流受山列抬升,容易產(chǎn)生降水。因此,年降水量要多于內(nèi)陸。(3) 山地多于平原。例如,魯中南低山地區(qū)降水量要比魯西北平原地區(qū)高出100 mm左右。

3.2　年降水序列趨勢分析

山東多年降水量變化傾向率空間差異明顯(圖2)，全省降水都呈現(xiàn)上升趨勢，平均上升幅度為5.67 mm/a,濟(jì)南、莒縣、威海和青島為降水上升中心，上升幅度都達(dá)到8 mm/a以上，濰坊、惠民、東營、泰山和莘縣為相對低值區(qū)，但降水上升幅度也可達(dá)到2 mm/a。沿海地區(qū)降水上升幅度普遍大于內(nèi)陸地區(qū)，其中威海上升幅度最大，高達(dá)9.71 mm/a。

圖1　山東30 a平均降水量

圖2　年降水量Kendall傾斜率

山東1981-2010年降水量呈上升趨勢(圖3)，1990年年降水量出現(xiàn)最大值，為997.6 mm。1981年出現(xiàn)最小值，為446.4 mm，極差為551.2 mm，可見區(qū)域年際變化差異比較明顯。研究區(qū)年降水量在1995年前基本為負(fù)距平，1995年以后以正距平為主，表明自1995年以來降水量呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

圖3　山東省1981-2010年降水變化

3.3　季降水序列趨勢分析

從降水量變化傾向率的季節(jié)空間分布來看，各季節(jié)均存在明顯的空間差異(圖4)，春季，全省降水都呈現(xiàn)上升趨勢，其中濟(jì)南上升趨勢最為明顯，除濟(jì)南外，降水上升幅度自東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸變小。夏季，全省降水都呈現(xiàn)上升趨勢，平均上升幅度為3.59 mm/a,莒縣上升幅度最為明顯。秋季，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)下降趨勢，東南沿海一帶及魯南地區(qū)呈現(xiàn)大面積負(fù)值區(qū)，其中兗州下降幅度最大，為1.65 mm/a，魯中和魯北地區(qū)呈現(xiàn)微弱上升趨勢。冬季，濰坊、海陽、成山頭、龍口和泰山表現(xiàn)出輕微下降趨勢，其他地區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢，其中莒縣上升趨勢較為明顯。總體上，除秋季外，其他季節(jié)山東降水量表現(xiàn)出上升趨勢，以夏季上升趨勢最為顯著。

圖4　降水量KENDALL傾斜率

3.4　突變檢驗(yàn)

從圖5年降水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可以看出，在1997年山東年降水量有一次顯著的突然上升的過程。運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)對山東地區(qū)18個(gè)站點(diǎn)各個(gè)季節(jié)降水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出山東地區(qū)18個(gè)站點(diǎn)降水變化過程中均存在突變現(xiàn)象，但少數(shù)站點(diǎn)的某個(gè)季節(jié)沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，突變年份集中在80，90年代，少數(shù)站點(diǎn)在21世紀(jì)后發(fā)生突變(表1)。分季節(jié)來看，春季除石島和威海站沒有發(fā)生突變外，其他站點(diǎn)都發(fā)生了突變，多數(shù)站點(diǎn)突變后呈現(xiàn)上升趨勢，約占總站數(shù)的56%，少數(shù)站點(diǎn)突變后呈現(xiàn)下降趨勢，約占總站數(shù)的33%。夏季各個(gè)站點(diǎn)都發(fā)生了突變，大部分站點(diǎn)突變后呈現(xiàn)上升趨勢。秋季除濟(jì)南外，其他站點(diǎn)都發(fā)生了突變，相比于春夏季突變后呈現(xiàn)上升趨勢的站點(diǎn)有所下降。冬季除萊陽、沂源、兗州、莒縣和石島外，其他站點(diǎn)都發(fā)生了突變，突變后以上升趨勢為主。

圖5　山東省年降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

3.5　降水量與大氣環(huán)流的相關(guān)性分析

3.5.1降水量與南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)性分析近30 a降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(圖6)發(fā)現(xiàn)，各季節(jié)降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)性存在明顯的空間差異。春季除東營、龍口和青島等少數(shù)沿海地區(qū)外，山東其他地區(qū)的降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)存在負(fù)相關(guān)，表明拉尼娜年山東大部分地區(qū)降水易偏少。夏季山東各個(gè)地區(qū)降水量都與同期南方濤動(dòng)指數(shù)存在正相關(guān)，東南沿海、魯西北平原和魯西南地區(qū)這種正相關(guān)關(guān)系比較明顯，魯中山地地區(qū)相關(guān)性較弱，這可能與地形條件有關(guān)。秋季除東南沿海一側(cè)，山東大部分地區(qū)降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)存在負(fù)相關(guān)，這可能與海陸位置有一定的關(guān)系。冬季山東各個(gè)地區(qū)降水量都與同期南方濤動(dòng)指數(shù)存在負(fù)相關(guān)，從西南內(nèi)陸到東北沿海負(fù)相關(guān)性有逐漸加大的趨勢，其中濰坊地區(qū)與同期南方濤動(dòng)指數(shù)存在明顯的負(fù)相關(guān)，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，說明南方濤動(dòng)指數(shù)的顯著變化對該地區(qū)降水有明顯影響。

表1　山東省18個(gè)氣象站四季降水突變檢驗(yàn)

3.5.2降水量與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)性分析近30 a夏季和秋季降水量與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(圖7)發(fā)現(xiàn)，東亞夏季風(fēng)指數(shù)對同期夏季和后期秋季山東降水的影響在區(qū)域響應(yīng)上存在明顯差異，夏季除魯中山地外，大部分地區(qū)與同期東亞季風(fēng)指數(shù)存在負(fù)相關(guān)，而秋季除魯西和東南沿海一側(cè)，大部分地區(qū)與前期東亞夏季風(fēng)存在正相關(guān)，不過相比夏季，秋季降水量對東亞夏季風(fēng)指數(shù)變化的響應(yīng)很弱，基本不存在滯后效應(yīng)。

3.5.3基于Morlet小波的降水量和氣候因子的振蕩特征對山東省降水事件(區(qū)域平均值)和2個(gè)大尺度氣候因子(南方濤動(dòng)和東亞夏季風(fēng))的時(shí)間序列進(jìn)行Morlet 小波分析，可以看出山東省降水量和2大尺度氣候因子在不同時(shí)間段呈現(xiàn)出各種振蕩周期。山東省年降水量存在4 a、7 a和14 a的變化周期，4 a震蕩周期在30 a中始終存在，7 a震蕩周期在90年代后期和21世紀(jì)10年代前期比較顯著，14 a震蕩周期表現(xiàn)最為顯著且振幅最強(qiáng)。南方濤動(dòng)存在6～7 a和7～8 a的變化周期，6～7 a震蕩周期在80年代和90年代后期比較明顯，7～8 a震蕩周期在90年代前期比較明顯。山東夏季降水量在80，90年代存在較為顯著的4 a震蕩周期，7 a震蕩周期在80，90年代初期比較顯著，14 a震蕩周期表現(xiàn)最為顯著，貫穿整個(gè)時(shí)段。比較年、夏季降水量周期可見，兩者高度相性，這亦與年降水量主要集中與夏季(汛期)有關(guān)[14]。山東秋季降水量的3 a震蕩周期在80年代和21世紀(jì)10年代中期比較顯著，8 a震蕩周期在80年代后期和90年代初期以及21世紀(jì)10年代后期比較顯著，11～12 a震蕩周期在80年代比較顯著，15 a震蕩周期在90年代后期以來比較顯著。東亞夏季風(fēng)存在4 a、7 a和12 a的變化周期，4 a震蕩周期幾乎存在整個(gè)時(shí)段，7 a震蕩周期在80年代和90年代前期較為顯著，12 a震蕩周期在90年代后期和21世紀(jì)10年代前期較為顯著。結(jié)果表明：山東降水量與大尺度的氣候因子在一定的時(shí)段存在相似的振蕩周期變化。

圖6　山東省春季降水量、夏季降水量、秋季降水量、冬季降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

圖7　山東省夏季降水量(A)和秋季降水量(B)與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

4　結(jié)論與討論

(1) 空間分布上，泰山、日照和石島地區(qū)為多雨區(qū)，年降水量達(dá)740 mm以上;莘縣、惠民縣和東營等地為少雨區(qū),年降水量在500～550 mm左右。泰山的年平均降水量達(dá)到了1 046.5 mm，是全省降水最豐富的地方。受海陸位置和地形條件影響，降水量沿海大于內(nèi)陸，山區(qū)大于平原。

(2) 近30 a年來，全省降水都呈現(xiàn)上升趨勢，平均上升幅度為5.9 mm/a,濟(jì)南、莒縣、威海和青島為降水上升中心，濰坊、惠民、泰山、莘縣和石島為相對低值區(qū)，沿海地區(qū)降水上升幅度普遍大于內(nèi)陸地區(qū)，其中威海上升幅度最大。分季節(jié)來看，春夏季和全年保持一致，降水呈上升趨勢，秋冬季部分站點(diǎn)呈現(xiàn)下降趨勢，其中秋季最為明顯，東南沿海和魯南地區(qū)出現(xiàn)大面積負(fù)值區(qū)。

(3) 在1997年左右山東年降水量有一次顯著的突然上升的過程。山東地區(qū)18個(gè)站點(diǎn)降水變化過程中均存在突變現(xiàn)象，但少數(shù)站點(diǎn)的某個(gè)季節(jié)沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，突變年份集中在80，90年代，少數(shù)站點(diǎn)在21世紀(jì)后發(fā)生突變。不同站點(diǎn)不同季節(jié)突變現(xiàn)象呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。

(4) 近30 a年來，山東各季節(jié)降水量與同期南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)性存在明顯的空間差異，拉尼娜年，山東夏季降水易偏多，而冬季易偏少。近30 a年來，除魯中山地外山東其他地區(qū)夏季降水量與東亞夏季風(fēng)指數(shù)存在負(fù)相關(guān)，山東大部分地區(qū)秋季降水量則與東亞夏季風(fēng)存在正相關(guān)。降水量序列Morlet小波分析發(fā)現(xiàn)山東省存在4 a和7 a的年際振蕩周期特征，呈現(xiàn)了同大尺度氣候因子相似的變化特征。

(5) 受氣候背景、下墊面等因素的影響，不同區(qū)域降水時(shí)空變化區(qū)域差異明顯，本文研究表明，近30 a山東省年降水量呈上升的趨勢，但上升趨勢不顯著。山東省全年降水量主要集中在夏季,春季和秋季為少雨季節(jié),冬季則呈現(xiàn)干旱少雨的趨勢。在區(qū)域分布上,沿海地區(qū)的降水量明顯高于內(nèi)陸地區(qū)。南方濤動(dòng)和東亞夏季風(fēng)通過影響東亞季風(fēng)環(huán)流和太平洋副熱帶高壓，對中國從沿海到內(nèi)陸的氣候產(chǎn)生不同程度的影響，對我國不同區(qū)域影響的程度、方式和結(jié)果也有較大差異[15]。對山東降水作用的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

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