南四湖流域降水集中度和集中期研究

董宁，李莉，郭红艳，李瑞芬，王晓默

（山东济宁市气象局，山东 济宁 272000）

南四湖位于苏鲁交界处，是中国北方最大的淡水湖泊，全湖面积约1 300 km2，南北长约130 km，东西宽5～25 km，独特的地理位置和气候特征使得该地区蕴藏着丰富的气候资源。近年来，由于降水时空分布不均，南四湖流域持续性暴雨、洪涝等气候灾害频繁发生。目前，针对南四湖流域降水的研究主要集中在降水量变化的趋势和阶段性[1]以及旱涝等级的演变[2]等方面，而对于降水集中程度和集中时段的研究尚处于空白。研究表明，把降水看成矢量，构建降水集中度（PCD）和集中期（PCP）指标度量降水的非均匀分配，能很好地反映降水过程内的时空非均匀性分布特征[3～7]。利用南四湖流域内9 个观测站点的实测日降水资料，运用PCD 和PCP 探究南四湖流域降水时空非均匀分布与演变特征，以期揭示南四湖流域降水的变化规律，可为天气预报提供气候背景信息，也可为整个南四湖流域相关研究提供基础资料和信息参考。

1 数据来源与研究方法

使用位于南四湖流域的济宁、邹城、微山、鱼台、薛城、丰县、沛县、滕州和徐州9 个国家气象站（图1）1981～2014 年逐日降水数据，分析南四湖区域PCD 和PCP的变化规律。其中，丰县、沛县、徐州和鱼台4个站点位于湖的西部，其他5个站点均位于湖的东部。具体方法如下：

从（1）和（2）式可知，PCD 反映的是降水总量在研究时段内各个旬的集中程度，是一个无量纲数。如果某年的降水量集中在某一旬内，则PCD 为极大值1；如果每个旬的降水量都相同，则PCD 为最小值0。可见，PCD 的取值为0～1。其越接近1，表明降水量越集中；越接近0，则表明各旬的降水量较平均。PCP 计算的是合成向量的方位角，指示每个旬降水量合成后的总体效应，反映汛期最大降水量出现在哪个时段[8，12]。

2 结果与分析

2.1 南四湖流域PCD 和PCP 的年际变化特征

图1 南四湖流域各站点的地理位置Fig.1 Location of each weather station in Nansi Laker basin

1841～2014 年南四湖流域PCD 的多年平均值为0.34，且以0.015/10 a（p＜0.05）的速率上升（图2a）。PCD 年际间变化较大，最大值出现在2014 年，为0.52；次大值出现在2012 年和1983 年，为0.51；最小值出现在1999 年，为0.20；次小值出现在1993 年和2001 年，为0.25。PCD 整体变化分为3 个阶段，其中，20 世纪80 年代和2005 年以后的PCD 相对较大，波动也较大，极大值和次大值均出现在这个时段内；1990～2005 年PCD 明显偏小，波动也较小，极小值和次小值均出现在该时段内。

1981～2014 年南四湖流域多年平均的PCP 为8 月上旬，且以0.07/10 a（p＜0.05）的速率上升（图2b）。PCP 最早出现在6 月上旬，分别为1996 年、1997 年和2009 年；最迟出现在10 月中旬，分别为1982 年和2014 年；PCP 出现在第16 旬～第27 旬（汛期）的年份占85.3%。总体来看，PCP 的变化也存在3 个阶段，其中，20 世纪80 年代和2000 年以后的PCP，除个别年份外，相对较大，波动也较大；20 世纪90 年代的PCP 明显偏小，波动也较小。

图2 1981～2014 年南四湖流域PCD（a）和PCP（b）的年际变化Fig.2 Inter-annual variations of PCD（a）and PCP（b）in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

南四湖流域PCD 与PCP 的相关系数为0.52，呈极显著正相关，即：降水集中期出现得越晚，降水集中度越高；反之，降水集中期出现得越早，降水集中度越低[13]。

2.2 南四湖流域PCD 和PCP 的空间分布特征

1981～2014 年南四湖流域PCD 和PCP 的变化特征均表现为湖西地区＞湖东地区（表1 和图3）。

湖西地区4 个站点PCD 的平均值为0.37，最大值（0.38）出现在徐州站，且以0.01/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖东地区5 个站点PCD 的平均值为0.31，且以0.004/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可见，湖东地区的降水集中程度呈缓解趋势；湖西地区的降水集中度高于湖东地区，降水总量较为集中在某一时间段内，且集中的程度呈逐年递增趋势，较易出现洪涝灾害，气象部门应予以重视[14～16]。

表1 1981～2014 年南四湖流域9 个站点的平均PCD 和PCP 值Table 1 The average PCD and PCP of 9 stations in Nansi Lake basin from 1981 to 2014

图3 南四湖流域东部和西部的PCD（a）和PCP（b）的空间分布Fig.3 Spatial distribution of PCD（a）and PCP（b）in the eastern and western parts of Nansi Lake basin

湖西地区4 个站点PCP 的平均值为23，最大值（24）出现在丰县站，且以0.295/10 a（p＜0.05）的速率上升；湖东地区5 个站点PCP 的平均值为18.6，且以0.615/10 a（p＜0.05）的速率下降。由此可见，湖西地区一年中最大旬降水量出现较晚，且有延后趋势；湖东地区出现较早，有提前趋势。

2.3 南四湖流域PCD 和PCP 的突变和周期分析

为了明确南四湖流域的PCD 和PCP 是否存在气候突变现象，我们采用M-K 突变检验方法进行突变检测，给定显著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。UF 代表按时间序列顺序排列计算出的统计量序列，UB 代表按时间序列逆序排列计算出的统计量序列。UF 和UB 曲线在0 线以上，表示呈增加趋势；UF 和UB 曲线在0 线以下，表示呈减少趋势[17～19]。在临界线之间，根据UF 与UB 曲线交点的位置，确定南四湖流域PCD 和PCP 均存在一次明显的突变现象，突变点分别位于1986 年和1987 年，PCP 与PCD 的突变时间较为接近（图4）；PCD 和PCP 在2010 年之后突变现象不明显，可能与时间序列较短有关。

利用Morlet 小波变换对极端降水日数变化进行多时间尺度分析[20]，得到南四湖流域PCD 和PCP 的变化特征（图5 和6）。在20 世纪80 年代，PCD 存在2～3 a的周期振荡；后续特征不明显，可能与时间序列较短有关。在20 世纪80 年代，PCP 以4～5 a 的周期振荡为主；2000 年之后，存在3～4 a 的周期振荡。

3 结论

3.1 1981～2014 年南四湖流域PCD 的变化特征

从年际变化上看，多年PCD 平均值为0.34，且以0.015/10 a 的速率上升；年际变化存在3 个阶段，表现为20 世纪80 年代和2005 年以后PCD 较高且波动较大，1990～2005 年PCD 较低且波动较小。

从空间分布上看，湖西地区PCD 较高，且呈递增趋势，较容易出现洪涝灾害；湖东地区PCD 较低，且呈逐渐缓解趋势。

图4 南四湖流域PCD（a）和PCP（b）的Mann-Kendall 检验Fig.4 Mann-Kendall test of PCD (a) and PCP (b) in Nansi Lake basin

图5 南四湖流域PCD 的小波变化系数Fig.5 Wavelet variation coefficient of PCD in Nansi Lake basin

图6 南四湖流域PCP 的小波变化系数Fig.6 Wavelet variation coefficient of PCP in Nansi Lake basin

从突变和周期特征来看，南四湖流域PCD 存在一次明显的突变现象，突变点位于1986 年；20 世纪80 年代PCD存在2～3 a 的周期振荡，后续特征不明显。

3.2 1981～2014 年南四湖流域PCP 的变化特征

从年际变化上看，多年平均PCP 出现在8 月上旬，且以0.07/10 a 的速率上升，PCP 出现在汛期的年份占比为85.3%；年际变化存在3 个阶段，表现为20 世纪80 年代和2000 年以后PCP 较大且波动较大，20世纪90 年代PCP 较小且波动也较小。

从空间分布上看，湖西地区一年中最大旬降水量出现较晚，且有延后趋势；湖东地区出现较早，且有提前趋势。

从突变和周期特征来看，南四湖流域PCP 也存在一次较为明显的突变现象，突变点位于1987 年；在20 世纪80 年代PCP 以4～5 a 的周期振荡为主，2000年之后存在3～4 a 的周期振荡。

3.3 1981～2014 年南四湖流域PCD 与PCP 的关系

南四湖流域PCD 与PCP 存在极显著的正相关，相关系数为0.52。即：在南四湖流域，降水集中期出现得越晚，降水集中度越高；反之，亦然。