―沂沭河流域降水序列变化特征

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摘要：以沂沭河流域为研究区，根据流域内7个代表性雨量站1954年-2010年降水资料，采用自相关系数、频次分析法、累积距平法、小波分析法、Mann-Kendall法、R/S法等方法分析了流域内降水演变特征。结果表明：各站年降水量之间存在显著的正相关性，多年平均降水量从北向南逐渐增加，降水年际变化幅度从北向南逐渐减小；降水偏丰水年、平水年出现频次最大；降水年际变化经历了3个丰水段、1个平水段和4个枯水段；各站年、汛期、非汛期降水变化的第一周期为12 a、12 a和5 a，第二周期为16 a、17 a和5 a，第三周期为4～5 a、4～5 a、3 a或10 a；各站年、汛期、非汛期降水多呈不同程度的减少趋势，未来降水多呈较强的下降趋势。

关键词：降水量；变化特征；时间序列分析方法；沂沭河流域

中图分类号：TV124；TV882.3 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1060-05

Abstract：According to the precipitation data of seven representative precipitation stations in the Yishu River Basin from 1954 to 2010，the variation characteristics of precipitation were analyzed using the correlation coefficient，frequency analysis method，accumulative anomaly method，Morlet wavelet method，Mann-Kendall method，and R/S method.The results showed that （1） there is a significantly positive correlation between the precipitation data series of each station，and the average annual precipitation increases gradually from north to south，while the annual variation magnitude of precipitation decreases from north to south；（2） the occurrence frequencies of partial wet year and normal year are the highest；（3） the variations of annual precipitation have undergone three wet phases，one normal phase，and four dry phases；（4） the first characteristic time scales of annual precipitation，flood season precipitation，and non-flood season precipitation are 12 a，12 a，and 5 a，respectively，the second characteristic time scales are 16 a，17 a，and 5 a，respectively，and the third characteristic time scales are 4～5 a，4～5 a，and 3 or 10 a，respectively；and （5） annual precipitation，flood season precipitation，and non-flood season precipitation have a decreasing trend，and precipitation of most stations will have a strong decreasing trend in the future.

Key words：precipitation；variation characteristics；time series analysis method；Yishu River Basin

近几十年来，气候变化逐渐成为研究的热点和重点[1]，其中降水作为重要的气候因子，其变化规律越来越受到相关学者的关注[2-4]。沂沭河流域位于淮河流域东北部，地处南北气候过渡带，降水是流域水资源的主要补给源。降水的多寡在一定程度上决定着流域水资源的丰枯，降水的时空分布将直接影响流域的年际、年内旱涝变化。因此，研究沂沭河流域降水变化特征具有重要意义。

张仙娥等[3]指出沂沭泗流域年降水和年地表水存在减少趋势，且未来一段时间内仍会减少；张爱军等[4]发现沂沭泗流域降水量、极端降水特征量和有效降水特征量均呈减少趋势；詹道强[5]等得出沂沭泗流域汛期降水量偏多2成以上时，临沂站有较大可能出现大洪水或较大洪水；薛丽芳[6]等发现沂河流域上游临沂站年及年内各月降水多有微弱减少趋势，流域内降水发生变化将会影响径流的演化。目前，与沂沭泗流域降水有关的学术成果已较为丰富，但多局限于个别站点降水变化，研究方法相对单一，且有关于沂沭河流域降水年际、年内演变特征方面的研究仍然相对薄弱。鉴于此，本文对沂沭河流域内7个代表性雨量站的降水演变规律进行分析，以期为研究流域降水变化规律，保障流域工农业安全生产活动提供一定的参考。

1 资料及计算方法

为保证计算结果的准确性，本文选择沂沭河流域内具有长系列降水资料的雨量站作为代表站，即傅旺庄、莒县、姜庄湖、葛沟、临沂、大官庄、新安（按纬度由高到低排序）等站，采用的资料为各站1954年-2010年的年、汛期、非汛期降水数据。根据这些数据，本文在分析各站降水相关性的基础上，采用频次分析法[7]获得降水的丰、枯变化特征，运用累积距平法[3，8]分析降水年际变化的阶段性特征，借助小波分析法[9-10]提取降水的多时间尺度演变特征，选取Mann-Kendall法[10-12]定量检验降水变化趋势的显著性，最后利用R/S法[13-15]研究降水变化趋势的持续性。

2 计算结果及分析

2.1 年降水相关性分析

各站年降水序列的相关关系见表1。查相关系数检验表[16]可知，自由度n=55对应显著性水平α=0.01时，rα=0.339。比较可得，7站年降水序列之间的相关系数均通过了0.01的显著性水平检验，说明7站降水之间存在显著的正相关性，因此基本能反映沂沭河流域的降水演变规律。

根据沂沭河流域降水年际变化特征（图1、表2）可以看出：（1）从年代变化分析，各站降水在20世纪50-70年代降水年际波动幅度较大，20世纪80-90年代降水波动则相对平缓，21世纪初期出现极端降水过程，进入新的波动周期；（2）从年际变化分析，各站多年平均降水量为744.7～880.9 mm，年降水量最大值为1 510.0 mm （傅旺庄，2003年），最小值为32.0 mm （姜庄湖站，2001年），极值比值为2.66～40.78，Cv为0.23～0.35；线性倾向系数显示，除大官庄站年降水呈增加趋势外，其余各站均呈减少趋势；（3）从年内变化分析，受黄淮气旋、台风、南北切变和地形的影响，各站降水年内分配极不均匀，汛期、非汛期降水分配比例差别明显。其中，汛期（6月-9月）降水量可达多年平均降水量的68.92%～76.66%，非汛期降水量仅占多年平均的23.34%～31.08%；（4）从降水空间变化分析，发现由北向南，各站多年、汛期平均降水量呈增加趋势，降水的年际、年内波动幅度呈现南小北大的变化趋势。

从上述统计结果中挑选出降水持续时间最长且均值最大的连丰水段、持续时间最长且均值最小的连枯水段，分别计算连丰水段、连枯水段降水量的时段平均值及其与整个系列降水量多年平均值的比值，即K丰和 K枯，结果见表3。可以看出：（1）各站降水丰水段、枯水段发生时间相对集中，持续时间相近，其中降水连丰水段多出现于20世纪60-70年代（持续3-7 a，K丰值为1.11～1.40），降水连枯水段则多集中于20世纪80-90年代和21世纪初期（持续3～5 a，K枯值为1.40～6.40）；（2）由北向南，各站丰水段、枯水段时段平均降水量大致呈现先增后减趋势，而且流域内降水的丰、枯水年型可能具有同期异地发生、同地交替发生的特点。

2.4 降水变化阶段分析

运用累积距平法分析各站降水年际变化的阶段性特征，并按时间序列绘制各站年降水的累积距平曲线（图3）。由图3可知：（1）整体上，各站年降水累积距平曲线变化过程相似，存在3个丰水段（1955年-1965年、1969年-1975年和2003年-2008年）、1个波动的平水段（1990年-2000年）、4个枯水段（1966年-1968年、1976年-1989年、2001年-2002年，2009年-2010年）；（2）各站中，姜庄湖站和大官庄站部分时段降水丰枯变化与多站平均降水丰枯变化稍有差别。其中，姜庄湖站1975年-1985年、大官庄站1982年-2000年降水处于波动的平水段，姜庄湖站1986年-2002年、大官庄站1976年-1981年降水处于枯水段。

2.5 降水变化周期分析

为得到各站年、汛期、非汛期降水序列中存在的多时间尺度演变特性，借助水文气象上常用的Morlet小波的小波方差曲线分析各站降水的波动能量随时间尺度的分布情况。

从沂沭河流域年、汛期、非汛期降水序列小波方差曲线（图4）可以看出：（1）各站年降水的主周期与汛期降水的主周期基本一致，而与非汛期降水的主周期相差较大；在同一周期内，各站降水变化呈现的周期值则较为接近，其中，各站年、汛期、非汛期降水变化的第一周期为12 a、12 a和5 a，第二周期为16 a、17 a和5 a，第三周期为4～5 a、4～5 a、3 a或10 a；（2）单站中，以傅旺庄站为例，其年、汛期、非汛期降水变化的第一周期分别为5 a、5 a和23 a，第二周期分别为11 a、11 a和5 a，第三周期分别为24 a、24 a和10 a，显见年、汛期降水周期变化最为强烈；（3）总体上，由北向南，各站年降水变化的第一周期逐渐变大，第二周期则先增后减，第三周期逐渐减小，而非汛期降水变化的除第三周期逐渐减小外，其他时段降水周期的空间变化趋势并不明显。2.6 降水变化趋势分析

Mann-Kendall法是一种被广泛应用于气象参数和水文序列的非参数统计检验方法[12]，其优点是不需要样本遵循一定的分布，也不受个别异常值的干扰，能够定量地揭示时间序列变化趋势[12]。

根据沂沭河流域年、汛期、非汛期降水序列变化趋势Mann-Kendall法检验结果（图5）可知：（1）年降水变化上，除大官庄站年降水呈现不显著的增加趋势外，其余各站年降水均表现为减少趋势，其中傅旺庄站、姜庄湖站、新安站年降水减少趋势通过了90%置信度检验，而莒县站、葛沟站年降水减少趋势通过了95%置信度检验，临沂站年降水减少趋势未通过显著性检验；（2）汛期降水变化上，除大官庄站汛期降水呈现不显著的增加趋势外，其余各站汛期降水均表现为减少趋势，其中新安站汛期降水减少趋势通过了90%置信度检验，莒县站汛期降水减少趋势通过了95%置信度检验，其余各站汛期降水减少趋势未通过显著性检验；（3）非汛期降水变化上，除临沂站、大官庄站非汛期降水呈现不显著的增加趋势外，其余各站均表现为减少趋势，其中傅旺庄站、葛沟站非汛期降水减少趋势通过了95%置信度检验，姜庄湖站非汛期降水减少趋势通过了99%置信度检验，其余各站非汛期降水减少趋势未通过显著性检验。

2.7 降水变化持续性分析

考虑到Mann-Kendall法只能对过去的降水变化趋势进行定量分析，故利用R/S法通过线性回归得出Hurst指数，以揭示流域降水时间序列的分形特征和长期记忆过程，定性地识别未来各站的年、汛期、非汛期降水序列持续性趋势特征。由沂沭河流域降水的Hurst指数计算结果（表4）可知：（1）整体变化上，各站年、汛期、非汛期降水的Hurst指数均介于0.5～1.0之间，其均值分别为0.75、0.71、0.71，说明7站年、汛期、非汛期降水序列具有长程依赖性，未来降水变化总趋势恰与过去50多年降水变化趋势相一致，即具有较强的持续性，多表现为减少变化；（2）单站变化上，傅旺庄站、姜庄湖站、葛沟站汛期降水下降趋势持续程度远弱于其非汛期降水下降趋势持续程度，莒县站、临沂站汛期降水下降趋势持续程度远弱于其非汛期降水下降趋势持续程度，大官庄站汛期、非汛期降水下降趋势持续程度相当，新安站汛期降水、非汛期降水变化趋势相反，即汛期降水将呈下降趋势，非汛期降水呈上升趋势。

总体而言，未来一段时间内，沂沭河流域大部分站点的年、汛期、非汛期降水将会减少，这与文献[11，13]及文献[3-4]的研究结论相一致。因此，未来一段时期内，沂沭河流域水资源供需形势将会更加严峻。

3 结论

基于多种时间序列分析方法，对沂沭河流域7个代表性雨量站近60年的年、汛期、非汛期降水资料进行了分析，获得了以下结论。

（1）沂沭河流域降水大体呈现南多北少的分布格局，降水的年际、年内波动幅度呈现南小北大的变化趋势。其中，20世纪50-70年代降水年际波动幅度较大，80-90年代降水波动平缓，21世纪初期出现极端降水过程，进入新的波动周期。

（2）沂沭河流域降水偏丰水年、平水年出现频次最大，占统计年份比例约为30%，枯水年出现频次居次，约占20%～30%，丰水年、偏枯水年出现频次最小，维持在10%左右；降水的连丰水段多出现于20世纪60-70年代，连枯水段多集中于20世纪80-90年代和21世纪初期；各站降水累积距平曲线变化过程相似，经历了3个降水丰水段、1个波动的降水平水段和4个降水枯水段。

（3）沂沭河流域各站年、汛期、非汛期降水降水变化的第一周期为12 a、12 a和5 a，第二周期为16 a、17 a和5 a，第三周期为4～5 a、4～5 a、3 a或10 a。各站年、汛期、非汛期降水多存在不同程度的减少变化，未来降水多呈较强的下降变化。

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