近50年山东省降水特征分析
Characteristics of Precipitation in Shandong Province in 50 Years
DOI: 10.12677/SD.2020.103059, PDF, HTML, XML, 下载: 262  浏览: 1,215  科研立项经费支持
作者: 张文朝, 李超朋, 郑 梅, 杨舒晗, 宋雨洋, 张 可, 沙 核, 王炳赟*:成都信息工程大学,大气科学学院,四川 成都
关键词: 山东省降水气候特征可持续发展Shandong Province Precipitation Climate Change Sustainable Development
摘要: 山东省作为中国农业大省之一,也是中东部人口重要聚居地之一,其降水的气候变化对农业生产和社会的可持续发展有着较大影响。本文利用1961~2007年山东地区17个站点的降水资料通过气候倾向率、小波分析法以及MK检验等方法分析47年来山东地区降水量分布时间变化的特征。结果表明:在全球气候变暖的总背景下,近47年来山东地区总体降水量呈减小趋势。小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨降水量呈弱下降趋势,大暴雨降水量呈弱上升趋势。由此可见山东地区在研究时段内不同量级的降水有一定的变化,极端降水天气增多。研究结果可为山东省农业生产和社会经济的可持续发展提供参考。
Abstract: As one of the largest agricultural provinces in China, Shandong province is also one of the important settlements of population in central and eastern China. According to the daily precipitation data of 17 stations in 1961-2007 from the Chinese Academy of phonological observation net work in Shandong, the changes of precipitation was analyzed using Climate trend rate, Mann-Kendall test method and Wavelet analysis. The results showed that the rainfall of light rain, moderate rain, heavy rain and torrential rain were reducing, but the extraordinary rain was increasing. More extreme rainy weather would be occurring in Shandong. The results can provide reference for sustainable development of agricultural production and social economy in Shandong Province.
文章引用:张文朝, 李超朋, 郑梅, 杨舒晗, 宋雨洋, 张可, 沙核, 王炳赟. 近50年山东省降水特征分析[J]. 可持续发展, 2020, 10(3): 473-479. https://doi.org/10.12677/SD.2020.103059

1. 引言

水是生命之源,一个地区降水的多寡对于该地区的水资源补充极为重要,对于农作物的生长发育更是极为重要。山东省是中国农业大省之一,该地区气候属暖温带季风气候,降水相对集中,雨热同期,四季分明,春秋略短暂,冬夏略长。作为中国中东部人口重要聚居地之一,其降水的变化对东部经济建设和社会发展有着较大影响,因此研究该地区降水气候时空特征,并发现其内在联系可以给山东地区的农业和经济的可持续发展提供降水气候变化的参考依据。

国内外气象工作者对区域降水气候做了很多的研究和探索。高留喜和刘秦玉 [1] 通过EOF等方法对山东春季降水的时空变化特征进行了相关分析,并且得出山东省春季降水分布类型:总体一致型、东南–西北差异型和西南–东北差异型,同旱(涝)是山东春季各月降水的基本型,山东春季易出现干旱,春季降水存在明显的年际变化,有4.8~6年的振荡周期。张立波等 [2] 利用华东地区88个气象站逐日降水资料指出了华东地区年雨日和年降水量的长期趋势变化几乎相反,年雨日普遍减少,而年降水量除山东省外却普遍增加,反映年平均的日降水强度增加。夏季、冬季降水量在山东省呈减少趋势,在其他地区呈增加趋势,其中长三角地区夏季及江淮流域冬季的降水增加显著,而雨日在山东和福建是负趋势,其他地区为正趋势。年雨日在山东中东部、福建北部减少最多,且四季雨日都是减少趋势,平均每10a减少3~5 d。山东半岛年雨日在20世纪70年代末期发生突变,此后年雨日明显减少。任永健等 [3] 分析了中国东部夏季降水年代际变化指出太平洋年代际振荡会影响中国东部降水变化。赵绿荣等 [4] 分析发现威信县年平均气温呈微弱升高趋势,年降水量呈明显减少趋势。年平均气温突变年份在2000年,年降水量突变年份较多,以1983年最显著。林春泽等 [5] 分析了湖北省夏季降水日变化特征。Yaw et al. [6] 分析了1901~2015年期间的非洲中部降水和温度变化,并对该地区的气温和降水变化进行了预估。Shridevi et al. [7] 等研究了加勒比海岛巴巴多斯逐日极端气温和降水指数的历史趋势,指出该地区年降水量总量、简单日降水量强度指数(SDII)和日降水量呈现增长趋势,年平均最高气温和最低温度也是呈现增长趋势,其中年平均最低温度增速是年平均最高温度的5倍多。

2. 研究资料与方法介绍

2.1. 研究资料

本文采用中国气象局日均资料中的山东地区1961年至于2007年覆盖山东省17个站点(表1)的24小时累积降水资料进行分析。

Table 1. Stations and location

表1. 站点及位置

在气候学研究中,四季的划分通常将本年的12月至次年的2月定义为冬季,3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季。并且根据国家降水标准量级分布如表2

Table 2. National precipitation standards

表2. 国家降水标准量级

2.2. 研究方法

本研究在计算变化趋势时,采用最小二乘法 [8]、小波分析法 [8] [9] 和Mann-Kendall突变检验法 [10]。其中,最小二乘法用来计算降水随时间的线性回归关系。小波分析法分析降水变化的周期性和频率。Mann-Kendall检验多用于气候变化趋势分析研究,实现的较长序列变化的突变检测。具体方法请见参考文献,在此不作赘述。

3. 降水时空变化分析

3.1. 年均降水量的年际变化

降水量级年代变化:山东地区在1961年至2007年这47年来,总的降水量呈减小趋势(图1(a)),减少速率约为2.6 mm/a。相对其前五年降水量来看,自2002年以后降水量略有增加。由多年降水量的MK图(图1(b))可看出:就有一个交点,无明显突变,一些年代降水量增多如1963年~1969年,自1970年后降水量多为减少趋势,虽有些年代会增加,但增加趋势不明显,所以总体上降水量为减少趋势,与降雨量趋势图有一致性。

3.2. 年均降水量周期变化分析

由降水量距平值的25年时间尺度分析(图2),25年以上的时间尺度降水量变化呈“多–少–多–少”四个阶段:在1970年以前,降水量偏多,但在1970年~1980年降水量偏少,1980~1990年降水量有所增多,1990~2007年降水量再次减少,在1980年~2005年存在约9~11年的周期震荡。其中,约11年的主周期最为明显,与太阳黑子周期类似。次主周期约为13~15年左右。

(a) (b)图(b)中实曲线为UF,虚曲线为UB,横坐标为年份,纵坐标为M-K统计量(横线为临界值u(0.05) = 1.96))

Figure 1. Average annual precipitation trend (a) and MK test (b)

图1. 年均降水量趋势图(a)和MK检验(b)

(a) (b)

Figure 2. Analysis of periodic changes of average annual precipitation (a) and periodic variance (b)

图2. 年均降水量周期变化分析(a)和周期方差(b)

3.3. 不同降水量级分析

1) 小雨的分析

在1961年至于2007年,山东地区年小雨的总降水量的平均值为296.4 mm。年小雨的总降水量呈略微减少趋势,减少速率约为6.4 mm/10a (图3)。

2) 中雨的分析

山东地区中雨的降水总量的多年平均值约223.36 mm,年总降水量呈下降趋势,减少速率为7.2 mm/10a (图4),年总降水量在1964年现了相对大值超过300 mm,其他年份都在200 mm上下波动。

3) 大雨的分析

图5可知,山东地区大雨的降水总量的多年平均值为300.3 mm,年总降水量呈下降趋势,减少速率约为7.3 mm/10a,年总降水量在1964年和1990年出现了相对大值。

Figure 3. Annual total precipitation change of light rain

图3. 小雨年总降水量变化

Figure 4. Annual total precipitation variation of moderate rainfall

图4. 中雨年总降水量变化

Figure 5. Annual total precipitation change of heavy Rain

图5. 大雨年总降水量变化

4) 暴雨的分析

图6可知,山东地区暴雨的降水总量的多年平均值为276.4 mm,暴雨年总降水量程下降趋势,减少速率约9.2 mm/10a (通过了0.05水平显著检验),但是自2000年以后暴雨降水量有略微增加趋势。

5) 大暴雨的分析

山东地区大暴雨年降水总量多年均值为166.4 mm,年总降水量呈较弱上升趋势,增速约为2.5 mm/10a (图7),该趋势与之前的所有量级的趋势相反。

Figure 6. Annual total precipitation change of torrential rain

图6. 暴雨年总降水量变化

Figure 7. Annual total precipitation change of torrential rain 100 - 200 mm/d

图7. 大暴雨(100 - 200 mm/d)年总降水量变化

6) 特大暴雨的分析

山东地区特大暴雨的降水总量的多年平均值为18.4 mm,特大暴雨年总降水量呈较弱下降趋势,减少速率为0.3 mm/10a (图8),与与小雨,中雨,大雨,暴雨的减少趋势相同。

Figure 8. Annual total precipitation change of torrential rain more than 200 mm/d

图8. 特大暴雨(>200 mm/d)年总降水量变化

4. 结论及讨论

本文初步分析了山东地区1961年~2007年17个测站的降水资料,结论如下:

1) 降水周期的分析:在25年以上的大尺度上山东地区的降水量总体上经历了“多–少–多–少”四个阶段,从小尺度上出发,降水量周期变化不是非常明显,有很多较小的周期变化。

2) 降水量级年代变化:大暴雨年降水量呈弱的上升趋势,增速约为2.5 mm/10a,小雨、中雨、大雨、暴雨的降水年降水量都呈弱下降趋势,减少速率约为5~10 mm/10a,特大暴雨基本没变化。

3) 从山东地区的年均降水总量来看,大雨年均降水约为300 mm,其次小雨年均降水约为296 mm,再次暴雨年均降水总量约为276 mm,之后为中雨约为223 mm,大暴雨年降水总量约为166 mm,特大暴雨年均降水总量最少约为18 mm。

本文仅对山东地区降水的时空分布特征进行了分析,为山东省农业和经济的可持续发展提供了一定的参考,但其形成机理还有待分析和研究。

基金项目

四川省雅安市科技局2019年度科技计划项目(2019yyjskf02)和欧美同学会(中国留学人员联谊会) 2020年度研究课题(2)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] 高留喜, 刘秦玉. 山东春季降水的时空变化特征分析[J]. 高原气象, 2005(5): 811-815.
[2] 张立波, 景元书, 娄伟平, 肖薇. 近50a华东地区雨日及降水量的变化特征[J]. 大气科学学报, 2013, 36(4): 426-433.
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[4] 赵绿荣, 曾厅余, 刘成. 威信县近54年的气候变化特征和突变分析[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2013, 35(S2): 296-299.
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