山东省典型河流近60 a降水演变规律分析

杨雪琪，武 玮，桑国庆，王琦琨，燕雪婷

(1. 济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2. 山东农业大学 艺术学院，山东 泰安 271018)

降水是水文循环的重要环节，是影响地球生态环境和人类经济社会发展的最重要气候之一。受气候变化和人类活动的双重影响，全球降水规律发生了显著改变[1-3]，导致洪涝、干旱等极端气候事件频发，对人类生命财产安全和经济社会发展产生了极大影响[4]，因此，明确气候变化背景下降水时空演变特征，并预测未来降水的变化规律，可以为应对干旱和洪涝灾害等极端气候事件提供参考。

近年来，国内外学者针对降水演变趋势进行了较多研究。Alexander等[5]分析了20世纪以来全球降水日数增减情况。刘凯等[6]分析了中国1951—2018年气温和降水的空间演变特征。孙思宇等[7]分析了吉林省吉林市降水周期规律。吴昊旻等[8]分析了1901—2015年浙江省丽水市降水周期变化。上述研究空间尺度主要集中于区域或流域[9-11]，时间尺度主要集中于年和汛期尺度，以季为尺度的降水周期规律研究较少。

根据山东省2019年水资源公报，2019年全省水资源总量为1.952 1×1010m3，总用水量为2.252 6×1010m3，属于严重缺水区。山东省作为我国经济发展强省，水是影响该省经济社会可持续发展的重要战略资源之一[12]。降水是水资源的主要来源，降水规律的变化直接影响了山东省水资源的利用。目前，已有部分学者对山东省降水规律进行了研究[13-18]，但主要集中于年降水、汛期降水和非汛期降水的演变规律。本文中根据山东省10条典型河流的13个站点1956—2016年的月降水量，分析年、汛期、非汛期和季节尺度的降水时空演变规律，并对未来降水规律进行预测，以期为未来山东省降水变化及应对干旱、洪涝灾害等极端气象事件提供参考数据。

1 数据与方法

1.1 数据来源及分区

山东省地处我国东部，属暖温带季风气候，除胶东半岛东部沿海外，大陆性气候显著，受大气环流、季风和地形条件的共同影响，降水量的年际变化较大，年内分布也不均匀，夏季降水占全年降水量的60%～70%。全省中小河流密布，根据河流水系完整性，分为徒骇马颊河、花园口以下、沂沭泗河和山东半岛沿海诸河四大水系，其中：徒骇马颊河水系主要包括位于鲁北平原区的漳卫新河、徒骇河、马颊河等；花园口以下水系主要包括大汶河、玉符河和南北沙河；沂沭泗河水系主要有沂河、沭河、泗河、洙赵新河等；山东半岛沿海诸河水系均为独流入海，包括大沽河、潍河、小清河、弥河等。本研究从四大水系分别选取典型河流进行分析，其中：花园口以下水系以大汶河为典型河流，代表气象观测站为莱芜和戴村坝；山东半岛沿海诸河以大沽河、潍河和小清河作为典型河流，代表气象观测站分别为南村、峡山水库和岔河；徒骇马颊河水系以徒骇河和马颊河为典型河流，代表气象观测站分别为白鹤观闸和堡集闸；沂沭泗河水系以沂河、沭河、泗河、洙赵新河为典型河流，沂河的代表性气象观测站为东里店和临沂，沭河的为莒县和大官庄，泗河的为书院，洙赵新河的为梁山闸。所选典型河流及气象观测站位置如图1所示。

图1 山东省典型河流及气象观测站空间分布 山东省地图从国家标准地图网站下载，地图审批编号为GS(2020)4634号(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0467%22)，经过ArcGIS 10.3软件数字化处理后得到。

上述典型河流和气象观测站基本代表了山东省河流的主要降水特征。收集以上10条典型河流的13个代表性气象观测站1956—2016年的实测月降水量，分别统计季节尺度、候尺度和年尺度，候尺度研究时段为汛期6—9月，该数据均由山东省水文局提供。

1.2 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall(M-K)检验是世界气象组织推荐的一种非参数检验方法[19-22]，现已广泛用来分析降水、径流和气温等要素时间序列的趋势或跳跃变化，因此本研究采用M-K检验分析1956—2016年代表站在季节尺度、汛期候尺度和年尺度降水量的趋势变化。

1.3 小波分析

Morlet连续复小波变换分析可揭示时间序列的多种变化周期，以此来定性评估未来趋势[23]。本文中采用Morlet复小波分析法计算降水周期性，并绘制小波方差图和降水周期图，综合分析降水在时间尺度上的周期变化特性。

1.4 Hurst指数

Hurst指数揭示了时间序列过去与未来变化趋势的相互关系，利用该序列的过去变化特征预测未来变化趋势[24]，目前广泛应用于判别气象或水文要素时间序列变化趋势的持续性或反持续性的强度。

Hurst指数值H可在双对数坐标系中用最小二乘法拟合得到。当0

2 结果与讨论

2.1 不同时间尺度降水量趋势分析

根据山东省典型河流13个气象观测站1956—2016年的季节尺度、汛期候尺度和年尺度的降水资料，进行M-K检验，结果如表1所示。

表1 山东省典型河流不同站点在不同时间尺度上的降水量趋势分析结果

从年尺度来看：小清河岔河站、徒骇河白鹤观闸站和马颊河堡集闸站的年降水量呈现增加趋势，其中小清河岔河站通过了置信度为95%的显著性趋势检验，为显著增加趋势；其他河流的各站点的年降水量均呈现减小趋势，其中沭河莒县站呈现显著减小趋势，其他站点减小趋势不显著，说明山东省鲁西北年降水量呈现增加趋势，而其余地区均为减小趋势。从汛期候尺度来看：汛期降水量存在与年降水量类似的趋势，仅小清河岔河站、徒骇河白鹤观闸站和马颊河堡集闸站出现微弱增加趋势，但汛期降水量呈增加趋势将增加汛期洪涝灾害的风险；其他河流的站点中则以洙赵新河梁山闸站和沭河莒县站减小趋势最为显著。从非汛期降水量来看，除小清河岔河站、潍河峡山水库站、泗河书院站、沂河临沂站和沭河大官庄站呈增加趋势，其他河流的各站点都呈减小趋势，且趋势均不显著。从季尺度降水量来看：春季降水量仅有沂河东里店站和沭河莒县站的降水量呈现下降趋势，其余站点的均呈增加趋势；夏季降水量趋势与汛期相同，仅小清河岔河站、徒骇河白鹤观闸站和马颊河堡集闸站的降水量呈增加趋势，其他站点的均呈现减小趋势，其中大汶河戴村坝站、洙赵新河梁山闸站和沭河莒县站的呈显著减小趋势；除小清河岔河站、徒骇河白鹤观闸站、泗河书院站和洙赵新河梁山闸站的秋季降水量呈增加趋势，其他站点的均减小趋势；仅沂河临沂站和沭河大官庄站的冬季降水量呈增加趋势，其余站点的均呈减小趋势。与其他时间段不同，鲁西南地区的冬季降水量呈增加趋势，其余地区的呈减小趋势。

从空间上来看，山东省鲁西北地区降水量有增加的趋势，鲁东南地区降水量呈下降趋势，从西北到东南降水量呈逐渐减小趋势，其中小清河岔河站的降水量呈显著增加趋势，大汶河戴村坝站，洙赵新河梁山闸站、莒县站呈显著下降的趋势。

2.2 不同时间尺度降水量周期分析

2.2.1 年尺度降水量周期分析

本文中以沂河东里店站为例，绘制Morlet小波变换系数实部等值线图和小波方差图，如图2所示。从图2(a)可以明显看出，东里店站年降水存在20～30、8～15 a的2个周期，且20～30 a周期最明显，是影响未来该地区降水的主要时间尺度。在20～30 a尺度周期中，1956—2016年降水明显地存在着枯—丰—枯—丰—枯—丰的3次枯丰交替振荡的变化过程，且周期整体上比较稳定。8～15 a尺度周期变化不稳定，尤其1985年以后，8～15 a尺度的周期性不明显。

由东里店站小波方差图(见图2(b))可知，1956—2016年共存在 2个较为明显的方差极值，最大方差峰值对应的时间尺度为27 a，说明以27 a 为周期的降水演变规律最为明显，因此27 a为降水变化的第一主周期，11 a为降水变化的第二主周期，由于第二主周期的峰值远小于第一主周期的峰值，因此第一主周期控制着东里店站降水在整个时间段内的变化特征。

根据沂河东里店站年降水小波系数实部等值线图(见图2(a))发现，1985年前后东里店站降水周期发生了一定程度的改变，因此以1985年为分界点，分析1985年前、后2个时期的降水周期变化，1985年之前第一主周期为8～14 a，第二主周期为4～8 a，其Morlet小波变换系数实部等值线图和小波方差图见图3；1985年之后第一主周期为4～8 a，第二主周期为8～12 a，其Morlet小波变换系数实部等值线图和小波方差图见图4。由图3、4可以看出，1985年后，控制年降水变化的第一主周期变短，说明在气候变化背景下，降水丰枯交替变化更加明显，与蔡敷川等[26]分析的广东省河源市汛期降水周期在20世纪80年后变短情形一致。

(a)小波系数实部等值线(b)小波方差图2 沂河的东里店站年尺度降水周期分析结果

(a)小波系数实部等值线(b)小波方差图3 沂河的东里店站1985年前降水周期分析结果

(a)小波系数实部等值线(b)小波方差图4 沂河的东里店站1985年后降水周期分析结果

除沂河东里店站外，其他河流的各站点存在不一样的周期，如：大汶河戴村坝站年降水第一主周期为5～13 a，第二主周期为13～25 a；大汶河莱芜站年降水第一主周期为 10～20 a，第二主周期为20～30 a；沂河临沂站年降水第一主周期为10～30 a，第二主周期为5～10 a。其他站点的年降水周期规律与沂河东里店站的相似。具体降水周期见表2。

总的来说，山东省河流年降水演变过程中普遍存在2个尺度振荡周期，其中第一主周期为20～30 a ，第二主周期为10～20 a。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加的趋势，第二主周期尺度则呈现从鲁西南地区向鲁东北先增加后减小的趋势。

2.2.2 汛期候尺度降水量周期分析

沂河东里店站汛期降水第一主周期为20～30 a，第二主周期为10～15 a；大汶河戴村坝站汛期降水第一主周期为5～15 a，第二主周期为15～25 a；沂河临沂站汛期降水第一主周期为15～20 a，第二主周期为25～30 a。其余站点的汛期降水周期规律与沂河东里店站相似。总的来说，汛期降水演变过程中存在20～30、10～20 a这2个尺度振荡周期，其中第一主周期为20～30 a，第二主周期为10～20 a。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先增加后减小的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐减小的趋势。

沂河东里店站非汛期降水第一主周期为20～30 a，第二主周期为5～15 a：沂河临沂站非汛期降水第一主周期为15～20 a，第二主周期为25～30 a；大汶河戴村坝站非汛期降水第一主周期为5～15 a，第二主周期为15～25 a。其余站点的非汛期降水周期规律与以上3个站点相似。总的来说，非汛期降水演变过程中存在 20～30、5～15 a这2个尺度振荡周期，其中第一主周期为20～30 a，第二主周期为5～15 a。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁东南地区向鲁西北地区逐渐减小的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁东南地区向鲁西北地区逐渐减少的趋势。

表2 山东省典型河流不同站点在不同时间尺度上的降水周期表 时间/a

2.2.3 季节尺度降水量周期分析

沂河东里店站春季降水第一主周期为5～15 a，第二主周期为15～20 a；大沽河南村站春季降水第一主周期为5～10 a，第二主周期为10～20 a。其余站点的春季降水周期规律均与以上2个站点相似。总的来说，春季降水演变过程中存在 5～15、15～20 a这2个尺度振荡周期，其中第一主周期为5～15 a，第二主周期为15～20 a。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先减小后增加的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先减小后增加的趋势。

沂河东里店站夏季降水第一主周期为20～30 a，第二主周期为10～20 a；大汶河戴村坝站夏季降水第一主周期为5～15 a，第二主周期为15～25 a。其余站点的夏季降水周期规律均与以上2个站点相似。总的来说，夏季降水演变过程中存在 20～30、15～20 a这2个尺度振荡周期。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐减小的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁西北地区向鲁东南地区先减小后增加的趋势。

沂河东里店站秋季降水第一主周期为13～20 a，第二主周期为7～13 a；泗河书院站秋季降水第一主周期为13～20 a，第二主周期为7～13 a。其余站点的秋季降水周期规律均与以上2个站点相似。总的来说，在秋季降水演变过程中存在 15～20、5～15 a这2个尺度振荡周期。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加的趋势。

沂河东里店站冬季降水第一主周期为20～30 a，第二主周期为10～20 a；大汶河戴村坝站冬季降水第一主周期为10～20 a，第二主周期为20～30 a。其余站点的冬季降水周期规律均与以上2个站点相似。总的来说，在冬季降水演变过程中存在15～30、5～20 a这2个尺度振荡周期。从空间上来看，第一主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加的趋势，第二主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先减小后增加的趋势。

2.3 未来降水量预测

根据Hurst指数和前期降水量趋势分析结果，分析山东省典型河流各站点的降水量未来变化特征，结果如表3所示。根据重标极差(R/S)分析，从年尺度来看，除马颊河堡集闸站的Hurst指数小于0.5外，其余站点的均大于0.5，说明这些站点未来降水量变化趋势与过去变化趋势相同，即除小清河岔河站年降水量未来存在增加趋势外，其他河流的年降水量均呈现下降趋势。从汛期候尺度来看： 汛期仅有马颊河堡集闸站Hurst指数小于0.5，未来降水量变化趋势与年尺度相同；非汛期仅有徒骇河白鹤观闸站、马颊河堡集闸站、沂河东里店站3个站点的Hurst指数小于0.5，未来大汶河戴村坝站、莱芜站，大沽河南村站，洙赵新河梁山闸站，沭河莒县站5个站点的非汛期降水量呈现下降趋势，其余8个站点的呈增加趋势。从季节尺度来看： 春季仅有大汶河戴村坝站，徒骇河白鹤观闸站，马颊河堡集闸站，洙赵新河梁山闸站，沭河莒县站、大官庄站的Hurst指数小于0.5，未来仅大汶河戴村坝站、徒骇河白鹤观闸站、马颊河堡集闸站、沂河东里店站、洙赵新河梁山闸站、沭河大官庄站6个站点的降水量有下降趋势，其余7个站点的呈增加趋势。未来山东省春季降水量也有增加的趋势，与孔宁宁等[27]研究山东省聊城市春季降水规律较为一致。夏季仅有大汶河戴村坝站、马颊河堡集闸站的Hurst指数小于0.5，未来仅有大汶河戴村坝站、小清河岔河站和徒骇河白鹤观闸站的降水量呈增加趋势，其余站点的均呈下降趋势。秋季仅大汶河莱芜站、马颊河堡集闸站和泗河书院站的Hurst指数小于0.5，未来仅大汶河莱芜站、小清河岔河站和徒骇河白鹤观闸站的降水量有增加的趋势，其余站点的均呈下降趋势。冬季所有站点的Hurst指数均大于0.5，除沭河大官庄站和沂河临沂站外，其余站点的未来冬季降水量均呈下降趋势。

表3 山东省典型河流未来降水量预测

总的来说，除徒骇河白鹤观闸站、马颊河堡集闸站和大汶河戴村坝站外，其余站点的Hurst指数平均值为0.58，表明山东省典型河流未来降水量变化趋势可能与过去变化趋势相同，呈下降趋势。从整体来看，除小清河岔河站的未来降水量呈上升趋势，其余站点的均呈下降趋势，但非汛期和春季也有部分站点的降水量有上升的情况，有助于缓解春季干旱局面，对粮食生产极为有利。总之，未来山东省降水量整体呈下降趋势，与房永生等[28]和胡刚等[29]的研究结果较为一致。

3 结论

本文中以山东省10条典型河流的13个气象观测站的1956—2016年降水数据为基础，基于M-K检验、小波分析和Hurst指数等方法，选取年、汛期候和季节3个时间尺度分析降水量的时间变化特征，得出以下结论：

1)山东省年降水量整体呈下降趋势，仅小清河岔河站的降水量呈显著上升趋势。汛期鲁西北地区的降水量呈增加趋势，其余地区的均呈下降趋势；非汛期除仅少部分地区的降水量有上升趋势，其余地区的均呈下降趋势。春季降水量整体呈上升趋势，夏季降水量整体呈下降趋势，且洙赵新河梁山闸站、莒县站的夏季降水量呈显著下降趋势，秋季降水量除鲁西北地区外基本呈减小趋势，冬季降水量整体呈减小趋势。

2)山东省年降水中存在20～30、10～20 a这2个周期尺度，从空间来看，年降水主周期呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加趋势。汛期降水存在20～30、10～20 a这2个周期尺度，汛期主周期呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先增加后减小的趋势。非汛期降水存在20～30、5～15 a这2个周期尺度，非汛期主周期呈现从鲁东南地区向鲁西北地区逐渐减小的趋势。春季降水存在5～15、15～20 a这2个周期尺度，主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区先减小后增加的趋势。夏季降水存在20～30、15～20 a这2个周期尺度，主周期尺度呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐减小的趋势。秋季降水存在15～20、5～15 a这2个周期尺度，冬季降水存在 15～30、5～20 a这2个周期尺度，且秋季和冬季的主周期尺度都呈现从鲁西南地区向鲁东北地区逐渐增加的趋势。

3)除徒骇马颊河堡集闸站外，其他河流各站点的降水量具有较强的持续性，很可能遵循历史发展趋势，可以预测，除小清河岔河站的未来降水量有增加趋势外，还有部分河流的站点在非汛期和春季的降水量也有增加趋势，但山东省未来降水量整体呈下降趋势。