近60年济南市降水量变化特征分析

徐源，齐欢，李传磊，赵有美，李常锁

(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境重点实验室，山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

泉水是济南城市的标志，对于济南社会经济发展起重要作用。济南泉水自1972年以来经历了多次断流，尤其1999年3月停喷以来，济南泉群创下停喷长达926d的纪录。济南历经“采外补内”保泉、“节水”保泉、“引黄”保泉、“封井”保泉等阶段，虽然目前泉群已连续出流17年，但都未从根本上解决泉水长期连续壮观喷涌和城市居民引用优质地下水问题[1-2]。泉水动态水位受降水、人工开采等因素综合影响，而降水作为大多数地下水系统的主要补给来源，它的时空分布及变化从宏观上决定了泉水水位的动态特征。因此查明济南降水的变化规律，对于保持泉水的持续喷涌具有重要的现实意义[3-6]。

2019年1月，《济南市名泉保护总体规划》正式公布实施，这是济南市首个名泉保护总体规划。规划确定了保持正常降雨条件下趵突泉群持续喷涌的近期目标(2020年)，以及保持正常降雨条件下趵突泉群地下水位高于28.15m(黄色预警线)全年累计200d以上的远期规划(2035年)。济南泉水喷涌受地下水位的控制，地下水位又主要受控于大气降水量。已有学者对济南降水量与泉水水位动态关系[7]、泉水出露区水位对降水量的响应时滞[8]、泉水水位回升降水量阈值[9]等进行了分析，而鲜有对济南市降水量变化规律的专门研究。因此，本文采用累积距平分析[10]、Mann-Kendall法[11-12]、集合经验模态分解方法(EEMD)等方法对济南市降水量进行综合分析，揭示其变化特征和发展趋势，从而达到提前谋划、及早部署、科学保泉的目的。

1 研究区概况

趵突泉泉域北部边界为灰岩顶板600m埋深线，南部边界为地表分水岭，东部边界为东坞断裂，西部边界为马山断裂[13](图1)。研究区位于泰山背斜北翼的济南单斜构造区，岩层倾向总体向N，地势南高北低，岩层倾向与地势的一致性，为济南泉水的形成奠定了地质地貌基础。研究区南部山区分布有巨厚的石灰岩地层，地表和地下岩溶裂隙发育，有利于降水及地表水的入渗补给、汇集储存和由南向北径流。岩溶地下水自南向北径流至老城区附近，受北部济南岩体的阻隔，在地势低洼部位通过浅部石灰岩岩溶裂隙涌出地表，形成济南四大泉群[14]。

1—第四系；2—奥陶系；3—寒武系；4—泰山岩群；5—水库；6—地表分水岭；7—断裂；8—济南站；9—趵突泉

济南市地处中纬度内陆地带，属暖温带大陆性气候，一年四季分明。春季风多雨少，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干旱。平均气温为12.8℃，最高月平均气温在7月份，为27.3℃；最低月平均气温在1月份，为-3.3℃。极端高温为42.1℃(1955年7月24日)，极端低温为-23℃(1972年1月26日)。霜冻期约120d，冻土深度小于0.5m。降水具有明显的季节性，汛期6—9月份降水量占全年降水量的70%。

2 研究数据及方法

2.1 研究数据

选取的济南市1956—2018年降水量资料来自中国气象数据网，站号为54823，对于个别缺失数据，采用回归订正法进行插值确定。根据降水量资料，济南市平均降水量为687.93mm，其中春季、夏季、秋季和冬季降水量占比为14.45%,65.54%,16.54%和3.47%，降水量变化呈上升的趋势，多年的降水量倾斜率为8.35mm/10a(图2)。

图2 1956—2018年济南市降水量趋势图

2.2 研究方法

累计距平法是由曲线斜率的变化直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统计方法，可用于识别水文序列的突变年份[15]。当距平持续增大时，表明该时段要素值持续为正；当距平持续减小时，表明此时要素值持续为负[16]。曲线上的微小变化可表示出降水量距平值变化，而长时期的曲线演变则可反映出降水的长期演变趋势。

Mann-Kendall法是一种广泛应用的非参数统计检验方法，同传统的参数方法比较，该方法不需要样本服从某种分布，也不受少数异常值的干扰[17]，定量化程度高，检测范围广，计算简便，更适用于顺序变量和类型变量。一般取显著性水平α=0.05，则临界值UF0.05=±1.96，即95%的置信区间在±1.96之间。若UF>0，则表明时间序列呈上升趋势，若UF<0，则表明序列呈下降趋势；如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻即是置信度的突变点[18-19]。

EEMD方法(集合经验模态分解)是一种近年来发展起来基于EMD(经验模态分解)的时间上局部的自适应时间序列分析技术[20-21]。该方法在原始信号中加入了白噪声，白噪声具有零均值噪声的特性，在后期多次分解中会被抵消，因此能够克服模态混合问题，使得它在分解非线性、非平稳序列的时候具有更好的稳定性，能够提取真实的气候变化信号[22]。EEMD计算方法如下：①将正态分布的白噪声加到原始信号；②将加入白噪声的信号作为一个整体，然后进行EMD分解，得到各IMF分量；③重复步骤①和②，每次加入新的正态分布白噪声序列；④将每次得到的IMF做集成平均处理后作为最终结果[23]。

3 结果与分析

3.1 累积距平分析

济南市区地下水位与降水量累积距平关系如图3所示，两者之间的Pearson相关系数为0.76，且通过了99%的置信区间检验，相关性显著，因此降水量累积距平曲线可以一定程度上反映济南泉水水位的变化趋势。累积距平更好地呈现出了降水量年际变化的阶段性，济南市降水量可分为如下几个阶段：1958—1960年，曲线趋势下降，该时间段内降水量减少；1960—1964年，曲线趋势上升，该时间段内降水量增加，1964年达到近60年的最大值，累计距平为979.58mm；1964—1970年，曲线趋势下降，该时间段内降水量减少；1970—1980年，该时间段为降水量波动时期，降水量基本正常；1980—1989年，曲线趋势下降，该时间段内降水量减少，1989年达到近60年的最小值，累计距平为-1053.91mm；1989—2002年，该时间段为降水量波动时期，降水量基本正常；2002—2005年，曲线趋势上升，该时间段内降水量增加；2005—2018年，该时间段为降水量波动时期，降水量基本正常。

3.2 Mann-Kendall分析

图3 济南市区水位与降水量累积距平图

图4 降水序列Mann-Kendall突变检验

降水序列的Mann-Kendall突变检验如图4所示，济南市年降水序列UF的波动情况较复杂，但整体趋势不显著。1956-1961年降水序列UF小于0，降水呈减少趋势，UF与UB线在1961年出现交点，且位于95%置信区间内，表明降水发生突变，降水量由1960年的460.5mm猛增至1961年的983.6mm，增幅达213.59%；1962-1966年降水序列UF大于0，降水呈增加趋势；1967-1972年降水序列UF小于0，降水呈减少趋势；1973-1980年降水序列UF大于0，降水呈增加趋势；1981-1993年连续13年降水序列UF小于0，降水呈减少趋势，UF与UB线在1990年出现交点，且位于95%置信区间内，表明降水发生突变，降水量由1989年的365.0mm猛增至1990年的779.7mm，增幅达213.62%；1994年以后连续24年降水序列UF大于0，处于降水偏多时期，且数值整体呈现增大的趋势，预测未来济南市降水量仍然以偏多为主。

3.3 EEMD分析

采用EEMD方法对近60年济南市降水量序列进行分解，得到5个具有不同波动周期的固有模态函数分量IMF和一个趋势分量RES，并对IMF分量结果进行统计，如图5和表1所示。IMF分量包含了从高频到低频的不同频率，体现了原始序列的局部化特性，趋势项表示的是原始数据序列总体上随时间变化的趋势[24]。从结果可以看出，济南市降水量具有4个震荡周期，分别为2.62a和5.73a的年际尺度，以及10.50a和36.50a的年代尺度，其中IMF1，IMF2与原始降水序列的相关系数分别为0.69和0.53，且都通过了99%的置信区间检验，贡献率合计达到85.94%；IMF3与原始降水序列的相关系数为0.25，通过了95%的置信区间检验，贡献率为10.44%；IMF4与原始降水序列的相关系数为0.24，在95%的置信水平上不显著，贡献率最小，占比仅为3.63%。趋势分量RES可以反映近60年济南市降水量的整体变化趋势，降水量呈现先减少后增加的变化趋势，且后期的升高幅度小于前期的下降幅度。

图5 济南市降水量EEMD分析结果

表1 IMF分量统计结果

各IMF分量的白噪声检验结果如图6所示，IMF2分量通过α=0.05的显著性检验，其余分量均未通过α=0.10的显著性检验，说明在95%置信度下IMF2分量具有统计学意义。济南市降水量具有5.73a的周期变化特征(图7)，呈现偏大--偏小--偏大--偏小的变化趋势，1970年以后，振幅基本在100m以内波动。1956—1995年，降水量振幅由1963年的359.25mm逐渐减小到1995年的4.06mm，然后增大到2004年的111.10mm，后又逐渐减小至2018年的2.23mm。

图6 各IMF分量的白噪声检验结果

图7 济南市降水量变化特征图

4 结论

本文采用累积距平分析、Mann-Kendall法、集合经验模态分解方法(EEMD)等方法对1956—2018年济南市降水量变化特征和未来发展趋势进行综合分析，结果如下：

(1)近60年济南市平均降水量为687.93mm，整体呈上升的变化趋势，10年的降水量倾斜率为8.35mm/10a，其中夏季降水量占比达65.54%，起到主要的控制作用。

(2)通过对降水量进行Mann-Kendall分析得出，降水量在1956—1961年、1967—1972年和1981—1993年为偏少时期，在1962—1966年、1973—1980年和1994—2018年为偏多时期，1961年和1990年发生过2次降水由偏少到偏多的突变，预测未来济南市降水量仍然以偏多为主。

(3)EEMD分析结果表明，降水量存在2.62a和5.73a的年际周期，以及10.50a和36.50a的年代周期；其中5.73a分量通过了95%的置信区间检验，周期性显著，对降水量贡献率为48.73%；降水量整体呈现先减少后增多的变化趋势，且后期的升高幅度小于前期的下降幅度。

开展济南市降水量分析研究工作，掌握其历史变化特征和未来发展趋势，对于济南市管理部门提前部署安排补源措施、合理规划地下水开采布局、维持泉水持续喷涌具有重要意义，也对济南市泉·城文化景观申遗工作的开展具有推动作用。