1994~2023年菏泽市降水时空特征分析

Analysis of Spatiotemporal Characteristics of Precipitation in Heze City from 1994 to 2023

摘要: 基于菏泽市1994~2023年的降水量数据资料，采用线性趋势分析方法和Arc GIS空间分析方法，研究分析了菏泽市近30年降水量时间变化趋势和空间变化规律，得到了该地区年降水量时空变化特征。研究结果表明：1) 1994~2023年菏泽市的年平均降水量呈现较不明显的上升趋势，1994~2023年菏泽市年平均降水量线性倾斜率为0.283/10a；2) 从平均降水量的空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量较多，西北部县区降水量较少；3) 从各县区降水量年际变化空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量增加趋势较强，西南部县区降水量增加趋势次之，巨野、定陶及附近地区降水量增加趋势较弱。该结果为本地区的防洪抗旱提供参考依据。

Abstract: Based on the precipitation data of Heze City from 1994 to 2023, linear trend analysis method and Arc GIS spatial analysis method were used to study and analyze the temporal and spatial variation trends of precipitation in Heze City over the past 30 years, and the spatiotemporal variation characteristics of annual precipitation in the region were obtained. The research results indicate that: 1) The annual average precipitation in Heze City showed a relatively insignificant upward trend from 1994 to 2023, with a linear slope rate of 0.283/10a from 1994 to 2023; 2) From the spatial distribution of average precipitation, the southeastern counties and districts of Heze City have more precipitation, while the northwestern counties and districts have less precipitation; 3) From the spatial distribution of interannual changes in precipitation in various counties and districts, it can be seen that the increasing trend of precipitation in the southeastern counties and districts of Heze City is stronger, followed by the increasing trend of precipitation in the southwestern counties and districts. The increasing trend of precipitation in Juye, Dingtao, and nearby areas is weaker. This result provides a reference basis for flood control and drought resistance in the local area.

1. 引言

气候变暖是当今世界关注的重点话题，目前已成为全球各国面临的巨大挑战。在气候变暖和人类活动的共同影响下，频繁出现各类气象灾害，以汛期洪涝灾害居多，给区域农业生产带来一定的经济损失，给当地社会发展和人民生活带来不便[1]。降水是反映区域气候特征的基本要素之一，也是大部分水资源的来源。菏泽市地处山东省西南部，半湿润大陆性季风气候，旱涝灾害呈季节性出现且特征明显。1~5月份降水偏少，7~8月份降水量强度较高，由于菏泽市属黄河冲积平原，坡地汇流慢，河网汇流能力较低，导致内涝灾害频发。本文旨在研究菏泽市降水时空分布特征及其变化趋势，探讨影响降水的主要原因，为防汛抗旱提供决策依据，并且对认识菏泽市的水资源变化也有重要意义[2]。

2. 材料与方法

文中采用线性回归模型和Arc GIS空间分析算法，选取菏泽市9个气象站点，对1994~2023年的降水变化特征进行了分析，近几年关于菏泽市降水变化规律的研究较少，为农业管理和防灾减灾提供数据支持[3]。因此，本文基于1994~2023年鄄城、郓城、菏泽、东明、定陶、巨野、曹县、成武、单县9个气象观测站逐日降水量统计数据观测资料，采用线性回归模型、气候倾向率等方法，利用Arc GIS空间分析工具，分析近30年菏泽市降水时空变化特征，研究结果可为菏泽市农业生产和科学布局提供参考，对菏泽市气候预测预报具有重要意义。

2.1. 研究区数据资料

菏泽市位于114˚48'E~116˚24'E，34˚52'N~35˚52'N之间，南北向157 km，东西向140 km，土地面积12,239 km²。地处黄河下游，四季分明，雨热同期，光热资源充足，降水分布不均匀。夏季降水高达全年降水量的60%，冬季降水仅占全年降水量的4%，春秋两季干旱少雨，秋季多于春季而少于夏季。一般暴雨会出现在5~9月期间，每年7~8月份最为集中，约占全年降水量的47%，年均暴雨日数1.9~2.7 d [4]。菏泽市共有9个地面气象观测站和151个区域自动气象站(共计160个站点)，均为降水量资料整编成果提供可靠依据。本文降水量数据来自代表性较好的地面气象观测站数据资料，能够较好地反映菏泽市降水变化规律。针对菏泽市1994~2023年近30年降水资料，采用线性回归模型和Arc GIS空间分析算法计算，分析菏泽地区近30年降水变化趋势，对本地洪涝灾害预防具有一定的现实意义[5]。研究区及气象站点分布如图1所示。

Figure 1. Overview of the research area

图1. 研究区概况

2.2. 时空分析方法

地理要素之间的相互作用和影响大小用相关程度来表示。相关系数法能够反映出统计变量之间相关关系的密切程度，采用相关系数法分析近30年逐日降水量和时间的关系[3] [6]。本文计算了降水量变化与时间的偏相关系数，对两者之间的相关程度进行分析，以期探索其时间变化规律。其计算公式如下：

$r_{xy,z}=\frac{r_{xy}-r_{xz}\times r_{yz}}{\sqrt{\left(1-r_{xz}^2\right)\left(1-r_{yz}^2\right)}}$ (1)

式中，$r_{xy,z}$ 表示剔除变量$z$ 之后变量$x$ 和$y$ 之间的偏相关系数，$r_{xy}$ 、$r_{xz}$ 、$r_{yz}$ 分别表示变量$x$ 和$y$ 、变量$x$ 和$z$ 。

克里金插值法(Kriging)是一种基于变异函数理论和结构分析的线性、无偏插值，在地理信息和气象学方面有着广泛的应用，如进行空间高程的插值、气温的插值，是当前较为常用的方法之一。其计算公式如下：

$Z={\displaystyle {\sum }_{\text{i}=1}^{\text{n}}\lambda iZ\left(xi\right)}$ (2)

式中，$Z$ 代表待估值，$\lambda i$ 代表权重系数，$n$ 代表已知样本数，$Z\left(xi\right)$ 代表样本属性值。

本文利用Kriging插值法对菏泽市1994~2023年的降水量空间变化及降水量年际变化空间特征进行分析。

3. 菏泽市近30年降水的时间变化特征

基于菏泽市9个气象台站1994~2023年总降水量数据，利用线性回归模型计算了近30年菏泽市各台站降水量的变化趋势。首先对菏泽市1994~2023年近30年9个气象台站的降水量进行累加统计，得到整个菏泽市各县区30年总降水量数据，将各县区每年总降水量数据进行平均得到菏泽市整个研究区近30年的平均降水量的时间变化特征。由图2中曲线可知，1994~2023年菏泽市的年平均降水量呈现较不明显的上升趋势。1994~2023年菏泽市年平均降水量线性倾斜率为0.283/10a。

Figure 2. Time variation trend of annual average precipitation in Heze City from 1994 to 2023

图2. 1994~2023年菏泽市年平均降水量时间变化趋势

4. 菏泽市近30年降水的空间变化特征

使用Arc GIS空间分析工具，统计分析了1994~2023年菏泽市各县区9个气象台站近30年总降水量及近30年整个研究区降水量变化趋势的空间分布。表1统计了菏泽市近30年各气象站年平均降水量和年际变化率，整体来看，近30年菏泽市降水量呈从东南向西北逐渐减少的趋势，年际变化呈东南向西北逐渐降低的趋势，变化趋势不仅存在时间上的差异而且存在空间分布上的差异。

Table 1. Statistics of annual average precipitation in various counties and districts of Heze City over the past 30 years

表1. 菏泽市各县区近30年年平均降水量统计

	鄄城	郓城	菏泽	东明	定陶	巨野	曹县	成武	单县
年平均降水量(mm)	605.3	577.8	644.1	611.8	677.0	654.2	702.7	718.1	756.5
年际变化率 (/10a)	3.336	3.0108	2.6018	3.0866	2.4868	0.7367	2.6018	4.5802	4.4659

4.1. 菏泽市年平均降水量的空间变化特征

从菏泽市各县区年均降水量的空间分布(图3)可以看出，9个气象台站年均降水量空间分布不均匀。单县年均降水量最多达到756.5 mm；其次为成武，年均降水量达到718.1 mm；曹县年均降水量较多，为702.7 mm；郓城年均降水量最少，为577.8 mm；鄄城年均降水量较少，为605.3 mm；其余4个县区年均降水量在611.8~677.0 mm之间。综上所述，从空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量较多，西北部县区降水量较少。

Figure 3.The spatial variation trend of annual average precipitation in Heze City from 1994 to 2023

图3. 1994~2023年菏泽市年平均降水量空间变化趋势

4.2. 菏泽市降水量年际变化的空间变化特征

从菏泽市各县区总降水量的年际变化趋势空间分布(图4)可以看出，9个气象台站降水量都具有上升的趋势，上升趋势空间分布不均匀。成武降水量增加趋势最明显，线性倾斜率为4.5802/10a；单县降水量增加趋势次之，线性倾斜率为4.4659/10a；鄄城、郓城、东明降水量增加趋势较明显，线性倾斜率为 3.0108~3.336/10a；菏泽、定陶、曹县降水量增加趋势较弱，线性倾斜率为2.4868~2.6018/10a；巨野降水量增加趋势最弱，线性倾斜率为0.7367/10a。综上所述，从空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量增加趋势较强，西南部县区降水量增加趋势次之，巨野、定陶及附近地区降水量增加趋势较弱。

Figure 4. Spatial distribution of interannual variation trend of annual average precipitation in Heze City from 1994 to 2023

图4. 1994~2023年菏泽市年平均降水量年际变化趋势空间分布

5. 结论与讨论

本文以菏泽市9个气象观测站的逐日降水数据为基础，基于线性回归、空间插值等方法，分析降水量的时间变化规律和空间变化特征，得出以下结论：

(1) 1994~2023年菏泽市的年平均降水量呈现较不明显的上升趋势。1994~2023年菏泽市年平均降水量线性倾斜率为0.283/10a。

(2) 从平均降水量的空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量较多，西北部县区降水量较少。

(3) 从各县区降水量年际变化空间分布上来看，菏泽市东南部县区降水量增加趋势较强，西南部县区降水量增加趋势次之，巨野、定陶及附近地区降水量增加趋势较弱。

研究结果与实际状况及前人研究基本一致。因此，在对降水时间变化规律和空间变化特征明确的基础上，还需要进一步加强对菏泽市季节尺度及汛期强降水时段降水量的具体研究，增强对菏泽市洪涝灾害预测及预报和应对气候变化的能力，为指导当地相关部门政务决策和防灾减灾、田间管理等提供数据支撑[7]。同时，旱涝灾害除降水量的影响外，也受气温、相对湿度等其他因素的共同作用，因此对相关气象灾害的研究还有待进一步探讨[8]。

NOTES

^*通讯作者。