基于降水Z指数的山东省近60 a旱涝变化特征

马丽，楚鹏

（1．济宁市气象局，山东 济宁 272000；2．济宁市科学技术情报研究所，山东 济宁 272000）

文章已被贵州气象杂志社录用，贵州气象杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/guizhouqixiang

摘要：利用山东省123个国家级气象观测站1954—2013年的逐月降水量资料，对全省降水情况进行分析，将平均降水量值较为一致的站点结合地理分布特征，把山东省划分为鲁西北黄泛平原、鲁中山区、山东半岛丘陵、鲁西南平原、鲁东南平原5个气候区。通过各气候区代表台站资料，计算出逐年降水Z指数，发现近60 a鲁西南、鲁东南及山东半岛易涝易旱，并易发生等级较高的旱涝灾害。运用趋势系数法、M-K趋势检验法、滑动t检验法和Morlet小波分析法分析各气候区降水Z指数的年际变化特征、突变特征及周期特征，得出近60 a 5个气候区逐年Z值均呈减少趋势，鲁西北、山东半岛、鲁东南降水Z指数突变时间均在1979年前后。鲁中降水Z指数存在16 a左右的年代际旱涝变化周期，鲁西北在1970年代中期之前存在9 a左右的年代际旱涝变化周期，山东半岛存在的年代际旱涝变化周期则以12 a为主，鲁西南在1974年之前的周期以8 a为主，鲁东南在1980年代之前的周期为12 a左右，之后周期加长。

关键词：气候分区；旱涝特征；降水Z指数

 

The characteristics of drought and flood changes based on Z index in Shandong Province in recent 60 years

Ma Li，Chu Peng， Deng Hai Li， Li Li

(窗体顶端

(1. Jining Meteorological Bureau, Jining Shangdong 272000,China;2.Jining Institute of Scientific and Technical Information, Jining Shangdong 272000,China)

Abstract In this paper, we analyzed the monthly precipitation data observed by the 123 basic weather stations in Shangdong province. According to the Geographical distribution of the stations with consistent precipitation, the Shangdong province was divided into 5 climatic zones including the yellow panplain zone in the northeast of Shangdong province, the mountain zone in the middle of Shangdong province, the hill zone in Shangdong peninsula, the southwest plain of Shangdong province, and the southeast plain of Shangdong province. The yearly precipitation Z index was calculated according to the representative stations data, and the results showed  that the drought and flood events, even with higher disaster levels, occured more frequently and earlier in the southwest plain and the southeast plain of Shangdong province and the Shangdong peninsula than the rest area of the province. We also calculated the Z index for every climatic zone by using trend coefficient method, Mann-Kendall tendency test method, moving t-test method, and Morlet wavelet analysis method, and analyzed the annual variation characteristics, jumping features, and periodic characteristics. The results indicated that 1）each climatic zone had a decreasing trend of annual Z values; 2）the jumping time of precipitation Z index in the southeast, northwest, and peninsula of Shangdong province occured around 1979; 3) the precipitation Z index showed interdecadal variations of drought and flood with different periods in different regions such as 16 years in the middle area of Shangdong province, 9 years before 1970s' in the northwest of Shangdong province, 12 years in the peninsula of Shangdong province, 8 years before 1974 in the southwest of Shangdong province, and 12 years before 1980 and longer after 1980 in the northeast of Shangdong province, respectively.

Key words climatic zone; drought and flood characteristics; precipitation Z index

 

引言

近年来，水资源安全、农业生产安全受全球气候变暖和气候异常影响严重，导致极端干旱事件增加。农业是中国的重要产业之一，旱涝灾害造成的粮食损失占所有自然灾害造成粮食损失的比例高于50%^[1-2]。山东省人均拥有水资源量为334 m³，仅为世界人均拥有水资源量的4%。山东省每年因气象灾害方面造成的经济亏损、农业减产相当严重，其中因干旱造成的灾害在气象灾害中占有比例最高。山东省6—8月降雨量约为全年降雨量的60%^[3]，故山东省在春季、秋季、冬季出现干旱的次数较多，而在夏季则容易出现洪涝灾害的现象，并且旱涝灾害的危害比较严重^[4]。李维京等^[5] 认为，中国干旱受灾面积与成灾的面积在全球及亚洲地区整体气候变暖的环境下，显现出增多的大趋势。孙安健等^[6]对中国华北平原地区代表站的44 a间，6—8月的降水量进行了研究，发现华北20世纪50年代多雨涝，60年代至80年代多干旱，进入90年代雨涝增多。郑世芳等^[7]对山东省1951—1989年13个代表站平均降水量资料作7 a滑动平均曲线，发现山东20世纪60年代前期为多雨期,70年代前期为相对多雨期，70年代后期至80年代为明显少雨期,特别是进入80年代后,持续少雨,干旱严重。李君等^[8]利用山东省1959—2000年6—8月降水量资料计算Z指数，从而划分山东伏期旱涝等级。研究发现山东20世纪70年代中期以后，干旱出现的频率明显增加，有明显的干旱化趋势，90年代得到缓解，洪涝明显多于干旱，与华北地区一致。杨成芳等^[9]采用气候诊断方法，利用山东省5个代表站1470—2000年的旱涝指数资料，分析山东省近531 a旱涝变化特征得出整个山东省干旱与洪涝变化呈现明显阶段性分布，干旱多发于15世纪 70年代至17世纪，18世纪为多涝年代，20世纪80年代的干旱程度大于历史上任何一个年代的干旱程度，目前山东正处于多旱少涝的气候阶段。本文利用近60 a降水资料，在山东全省分区的基础上，对山东各区域降水Z指数从旱涝强度及概率、时间特征、空间特征和旱涝频率方面进行更为细致的分析，从而得出气候变化下山东省各区域的旱涝变化特征，可为山东省旱涝趋势预测和防灾减灾提供参考。

1 资料和方法

利用山东省气象信息中心提供的山东省123个国家级气象观测站1954—2013年逐月降水量资料，绘制出山东省平均年降水量分布图，将山东省平均年降水量级一致性较好的站点，结合地理分布特征进行归类，对全省进行气候分区。利用各气候区代表台站资料，计算出逐年降水Z指数，运用趋势系数法、M-K（Mann-Kendall）趋势检验法、滑动t检验和Morlet小波分析法，分析各气候区旱涝的强度、年际变化特征、突变特征和周期特征。

1.1山东省气候分区

从地貌上来看，山东省内的山体呈东北至西南走向，山东中南部山区与黄海相对，而山东东部的丘陵地区则连接于黄海、渤海。这两个地区在夏季不断接受海上而来带有大量水汽的东南季风，再由于经山坡地形的抬升，其降水量均有明显的提高。而山东省的西北部，地形平坦，是黄泛冲击而成的平原，这个地区经向风较为畅通，同时由于处在东南的季风背风面，故降水偏少。    

1954—2013年山东省各地平均年降水量约在500～900 mm之间。从平均年降水量的分布图（图1）可以看出降水量特征如下：山东全省平均年降水量由山东的东南部向山东的西北部依次减小，鲁西南高于鲁西北，鲁中高于鲁西南，丘陵高于平原，山体迎风坡高于背风坡，沿海地区高于内陆地区。

综合以上因素把山东省分为5个气候区(图2)：鲁西北黄泛平原区、鲁中山区、山东半岛丘陵区、鲁西南平原区、鲁东南平原区。5个气候分区中60 a降水资料完整的共有16个气象站，故此文选取此16个气象站1954—2013年降水量资料进行分析。所选代表站如下：

鲁西北黄泛平原气候区4个代表站：德州、惠民、东营、禹城；

山东半岛丘陵气候区4个代表站：烟台、莱阳、成山头、崂山；

鲁西南平原气候区2个代表站：菏泽、济宁；

鲁东南平原气候区2个代表站：临沂、莒县；

鲁中山区气候区4个代表站：济南、淄博、潍坊、泰安。

 

图1 山东各地平均年降水量分布图

Fig. 1 The distribution of average annual precipitation in Shandong province

 

 

图2 山东省气候分区示意图

Fig. 2 The climate zoning map in Shandong province

1.2 降水Z指数及旱涝等级标准

降水Z指数、湿度指标和降水距平百分率为常用的旱涝指标。在这三类旱涝指标中，降水距平百分率指标反应较为迟缓，而湿度指标则反应太敏锐，从而就扩大了旱涝的程度，经过多方的分析与对比发现，降水Z指数可以较真实的反映某一时段内旱涝的情况，并且降水Z指数可以较好地划分华北地区的旱涝时段^[10-11]，因此采用降水Z指数进行山东旱涝特征的研究。

降水Z指数是用来表征旱涝发生的空间分布和旱涝影响程度的数学方法 ^[12-13]，主要用来衡量旱涝的空间分布情况以及旱涝发生发展程度。目前在中国应用比较广泛，是国家和省级旱涝监测业务的主要指标。由于在一定时间内降水量的分布一般不服从正态分布，为此用PersonⅢ型分布去拟合某一时间段的降水量则较理想^[14]。由于降水Z指数正是假设降水量服从P-Ⅲ型分布，将其概率密度函数转化为以Z为新变量的标准化正态分布是通过对年降水量进行标准化处理，降水Z指数越大表示越涝，越小表示越旱。其公式为：

                      (i=1,2,… n)     （1）     

式（1）中为各台站的降水Z指数，为偏态系数，为标准变量，均可由降水资料序列计算求得，其公式为：

                                                    （2）                                                         （3）     

式（2）、（3）中为标准差, n为样本个数，在这里指总台站数。为单站历年降水量平均值。

在上述分区的基础上，可认定在山东省各个分区中代表台站的降水均匀分布的特征，则可利用下面公式来进行计算，从而得出山东省各个分区的旱涝指标 ：

                         （4）     

式（4）中Z为区域旱涝指标，m为区域代表站数量。

这是对山东各个分区内代表台站的降水Z指数做平均处理，所得平均值即为相应分区的降水Z指数值，再对其进行旱涝等级的划分，各级旱涝指标，列于表1 ^[15] 。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表1 降水Z指数旱涝等级标准

Table 1 The drought or flood grade standard of precipitation Z index

2  山东省降水Z指数特征分析

2.1 降水Z指数年际变化特征分析

从1954—2013年鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南5个气候区逐年降水Z指数值的变化图3a-e可以看出，5个气候区的逐年降水Z指数值均呈减少趋势，其变化倾向率分别为鲁中-0.025/10 a、鲁西北-0.034/10 a、山东半岛-0.099/10 a、鲁西南-0.080/10 a和鲁东南-0.076/10 a，表明逐年降水Z指数值减少鲁中最小，山东半岛最大；5个气候区的趋势系数分别为-0.051、-0.069、-0.189、-0.150和-0.141，均未通过信度为0.01和0.05的显著性检验，表明鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南5个气候区逐年降水Z值减少的趋势不明显。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3 山东各气候区1954—2013年降水Z指数值变化

（a.鲁中，b.鲁西北，c.半岛，d.鲁西南，e.鲁东南）

Fig. 3 The change of precipitation Z index in the climate area of shandong in 1954-2013

(a. the middle of Shangdong province, b. the northwest of Shangdong province, c. Shangdong Peninsula, d. southwest of Shangdong province, e. southeast of Shangdong province)

根据表1中旱涝等级标准进行对照分析。

鲁中(图3a)在1950年代末到1960年代初期以涝为主。1960年代中期至2013年，这个阶段旱涝交替出现，出现干旱频率高于洪涝频率，期间出现特旱2次，为1968、2002年，出现大旱3次，分别为1965、1989、1992年，出现特涝1次，为1990年，出现大涝3次，分别为1971、1974、1992年。鲁中降水Z指数变化较为平缓，极端旱涝较少，正常年份较多。

鲁西北(图3b)旱涝变化最为规律，旱涝交替出现，一个涝期后跟一个旱期，且旱涝强度相似，旱涝影响周期长度近于相同。从1954—2013年间，鲁西北于1968、2002年出现特旱2次，于1965、1986、1989、1992年出现大旱4次，出现特涝2次，分别为1964、1990年，出现大涝4次，分别为1961、1963、1971、1974年。这些数据可以明显看出鲁西北旱涝交替出现，出现干旱与洪涝频率与强度基本一致。

山东半岛(图3c)1950年代中期到1970年代中期以涝为主，期间1964年出现特涝1年，1959年大涝1次，这段时间仅出现一次等级为大旱的干旱，洪涝趋势明显。1970年代中期至1980年代初期为旱年，于1981年出现特旱1次，于1982、1983年出现大旱2次。1980年代中期至2013年旱涝交替出现，旱涝频率相当。期间1999年出现特旱1次，1986、1989、2002年出现大旱3次，1985、2007年出现大涝2次，可以得出山东半岛近年来发生强度较大旱涝，其干旱频率高于洪涝频率。

鲁西南（图3d）1950年代中期到1970年代初期旱涝交替，期间1964年出现特涝1次，1957、1971年出现大涝2次，1966年出现1次等级为大旱的干旱。1970年代的中期至1980年代的初期为旱年，但干旱程度不大，仅1981年出现了大旱年1次。1980年代中期至21世纪初期旱涝则呈现为交替的出现，出现干旱的频率高于洪涝频率。此次旱涝周期较之前面1950年代中期到1970年代初期旱涝强度有增强的趋势。期间出现特旱2次，分别为1986、2002年，出现大旱4次，分别为1981、1988、1997、1999年，出现大涝3次，分别为1984、1990、1993年。21世纪初期至2013年以涝为主，期间2003年出现特涝1次，2005年出现大涝1次，2012年出现1次等级为大旱的干旱。

鲁东南(图3e)1950年代的中期至1970年代的中期，以涝为主，发生的涝年多于旱年。1970年代的中期至1990年代的初期干旱显著，这个时间区间鲁东南为旱期，其中出现大旱5次，分别为1983、1986、1988、1989、1992年，出现特旱1次，为1981年。由此看出，在旱期，大旱和特旱（6级、7级）年存在着明显的群发性。1990年代初期到2013年这个阶段旱涝交替出现，干旱等级略高于洪涝等级，期间出现特旱1次，为2002年。

这表明1954—2013年山东全省有由涝变旱的趋势（山东半岛略为显著），但趋势不明显，变化不显著。

2.2 降水Z指数突变特征分析

根据各气候区代表站的降水Z指数的M-K检验曲线，进行旱涝的突变特征分析^[16-20] ，并结合滑动t 检验来分析各时段的突变情况。图4为鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南各气候区降水Z指数序列的Mann-Kendall突变检验曲线，图中的实线是降水Z指数的顺序时间序列的统计量曲线，虚线是降水Z指数逆序时间序列的统计量曲线，取95％的信度水平，即：=0.05，临界值=±1.96。图5为鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南各气候区降水Z指数序列的滑动t检验曲线，取95％的信度水平，即：=0.05，临界值=±2.10。

由图4a图可见，鲁中降水Z指数的M-K突变检验中，UF和UB曲线在=0.05显著性水平线之间，表明其变化不显著，且两条线的交点较多，配合滑动t检验分析（图5a），鲁中降水Z指数没有发生明显突变，仅在1979、1989年接近=0.05临界突变点。鲁西北、鲁西南降水Z指数的M-K突变检验中（图4b、4d），UB曲线1979年后超过=0.05显著性水平线，但两条线的交点较多。交点鲁西北集中在1979年之前，从UF线可以看出，1979年后总体表现为下降趋势，配合滑动t检验分析（图5b），交点出现在1978—1979年，综合判断，鲁西北降水Z指数在1979年前后发生突变，在1989年前后接近临界突变点。鲁西南两条线交点较多且集中在1960—1970年，配合滑动t检验分析（图5d），通过显著性检验的时间段位于2001年，综合判断，鲁西南降水Z指数突变不明显。山东半岛、鲁东南降水Z指数的M-K突变检验中（图4c、4e），从UF线可以看出降水Z指数呈现下降趋势，两条线交点均出现在1968—1972年。根据滑动t检验分析（图5c、5e），通过显著性检验的时间段位于1974—1980年，这主要是由于两种方法各自缺陷造成的误差。根据山东半岛、鲁东南降水Z指数线性趋势分析（图3c、3e）可以发现，降水Z指数值在1979年前后突然减小，且趋势线与零线的交点也出现在1979年前后。综合判断，山东半岛、鲁东南降水Z指数在1979年前后发生突变。  

综上所述，鲁中、鲁西南降水Z指数没有明显突变，鲁西北、山东半岛、鲁东南降水Z指数在1979年前后发生突变。

 

 

 

 

 

a                                          b

 

 

 

 

 

 

 

 

c                                           d

 

e

                                     

 

 

 

 

 

 

图4 山东各气候区1954—2013年降水Z指数Mann-Kendll突变检验曲线

（a.鲁中，b.鲁西北，c.半岛，d.鲁西南，e.鲁东南）

Fig. 4 The Mann-Kendll mutation test curve of precipitation Z index in the climate area of shandong in 1954-2013(a. the middle of Shangdong province, b. the northwest of Shangdong province, c. Shangdong Peninsula, d. southwest of Shangdong province, e. southeast of Shangdong province)

 

 

 

 

 

 

 

 

a                                          b

 

 

 

 

  

                                         

 

 

c                                           d

 

                                        e

 

 

 

 

 

图5 山东各气候区1954—2013年降水Z指数滑动t检验曲线

（a.鲁中，b.鲁西北，c.半岛，d.鲁西南，e.鲁东南）

Fig. 5 Same as Fig4 but for moving t-test 

2.3 降水Z指数周期特征分析

通过对各气候区的降水Z指数进行Morlet小波分析，得出旱涝周期特征^[21]。 从图6a-b可以看出，1954—2013年鲁中的降水Z指数存在着16 a左右的年代际的旱涝变化周期，周期较长，但强度不是最显著的，不同时间段也存在不同的周期，1954—1984年还存在10 a左右的周期，1985—1994年的周期以2 a为主，强度也最显著，1995—2013年的周期为4 a左右。鲁西北（图6c-d）在1970年代中期之前存在着9 a左右的年代际旱涝变化周期，强度较强，之后周期加长为17 a左右。1954—2013年山东半岛（图6e-f）存在的年代际旱涝变化周期则以12 a年为主，1954—1988年强度较强，之后强度有所减弱，且周期加长。鲁西南（图6g-h）在1974年之前的周期不是很显著，以8 a为主，之后周期加长至12 a左右，强度也有所增强。鲁东南（图6i-j）在1980年代之前的周期为12 a左右，强度较强，之后周期加长，强度相对减弱，1980年后还存在4 a左右的周期。综上所述，鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南各气候区都存在10 a以上的较长旱涝变化周期和2～5 a的较短旱涝变化周期，但强度和时间段各有不同，不同气候区表现出不同变化。

 

 

 

 

a                                   b

 

c                                   d

 

e                                   f

 

g                                   h

 

i                                   j

 

图6 山东各气候区1954—2013年降水Z指数Morlet小波分析图

(a.鲁中小波实部，b.鲁中小波的模，c.鲁西北小波实部，d.鲁西北小波的模，e.半岛小波实部，f.半岛小波的模，g.鲁西南小波实部，h.鲁西南小波的模，i.鲁东南小波实部，j.鲁东南小波的模)

Fig. 6 The Morlet wavelet analysis diagram of precipitation Z index in the climate area of shandong in 1954-2013(a.the wavelet real part of the middle, b.the wavelet mode of the middle, c.the wavelet real part of the northwest, d.the wavelet mode of the northwest, e.the wavelet real part of Peninsula, f.the wavelet mode of Peninsula, g.the wavelet real part of the southwest, h.the wavelet mode of the southwest, i.the wavelet real part of the southeast, j.the wavelet mode of the southeast)

3 小结

1）鲁中、鲁西北、山东半岛、鲁西南和鲁东南5个气候区的逐年降水Z值均呈减少趋势，均未通过信度为0.01的显著性检验，即近60 a山东有由涝变旱的趋势，趋势不明显，变化不显著。其中，鲁中降水Z指数变化较为平缓，极端旱涝较少，正常年份较多；鲁西北旱涝变化规律，旱涝交替出现，干旱与洪涝频率与强度基本一致。山东半岛20世纪70年代中期前以涝为主，近年多发生强度较大旱涝，其干旱频率高于洪涝频率。鲁西南20世纪70年代初期前旱涝交替，20世纪80年代中期至21世纪的初期旱涝交替出现，出现干旱的频率高于洪涝频率。鲁东南20世纪70年代的中期前以涝为主，20世纪70年代中期至90年代的初期干旱显著，近年则旱涝交替出现。

2）鲁中、鲁西南降水Z指数没有明显突变，鲁西北、山东半岛、鲁东南降水Z指数在1979年前后发生突变。

3）近60 a鲁中降水Z指数存在着16 a左右的年代际旱涝变化周期，不同时间段的周期也不同；鲁西北在20世纪70年代中期之前存在着9 a左右的年代际旱涝变化周期，之后周期加长为17 a左右；山东半岛存在的年代际旱涝变化周期则以12 a为主；鲁西南在20世纪70年代之前的周期不显著，以8 a为主，之后周期加长至12 a左右；鲁东南在20世纪80年代之前的周期为12 a左右，之后周期加长。

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