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        1950—2019年諸城市多時(shí)間尺度降水特征分析

        2021-12-09 02:01:52張英杰管西柯于愛玲
        山東水利 2021年11期
        關(guān)鍵詞:諸城市年際貢獻(xiàn)率

        張英杰,管西柯,于愛玲

        (1.諸城市水利局,山東 諸城262200;2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098;3.諸城市墻夼水庫運(yùn)營維護(hù)中心,山東 諸城262200)

        諸城市位于山東半島東南部,總面積2183km2。根據(jù)1950—2019年系列,諸城市年均降水量705.7 mm,人均水資源量不足400 m3,屬于嚴(yán)重缺水區(qū)。受氣候變化影響,諸城市氣溫呈顯著上升趨勢(shì),據(jù)對(duì)諸城市1961年以來氣溫變化分析[1],諸城市氣溫上升速度為0.38℃/10 a。氣溫升高進(jìn)一步加劇了水資源短缺和極端氣候事件的發(fā)生。因此,研究諸城市降水特征的變化規(guī)律對(duì)深化認(rèn)識(shí)該地區(qū)氣候變化對(duì)降水的影響至關(guān)重要。

        1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源

        數(shù)據(jù)來源于諸城市水利局1950—2019年30個(gè)雨量站70年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將各月按照季節(jié)劃分:春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12~次年2月)。按照汛期時(shí)間劃分:汛前(1~5月)、汛期(6~9月)、汛后(10~12月)。降水?dāng)?shù)據(jù)處理采用泰森多邊形法將點(diǎn)雨量轉(zhuǎn)化為面雨量,并計(jì)算諸城市月降水量、季節(jié)降水量、汛前、汛期、汛后降水量及年降水量。

        1.2 研究方法

        由于降水具有隨機(jī)性且年際變化起伏較大的特點(diǎn),降水的變化規(guī)律難以直觀顯示。因此,在對(duì)降水變化規(guī)律分析時(shí)通常采用5年滑動(dòng)平均法[2-4]。該方法可以根據(jù)降水的時(shí)序數(shù)據(jù),逐項(xiàng)滑動(dòng)計(jì)算5年降水的時(shí)序平均值,從而達(dá)到消除降水隨機(jī)波動(dòng)影響,使降水變化規(guī)則能夠更直觀展現(xiàn)的目的。對(duì)降水變化趨勢(shì)分析通常采用降水傾向率[5-7]來描述降水時(shí)序數(shù)列的線性變化趨勢(shì)。分析某一時(shí)間尺度降水變化趨勢(shì)對(duì)整體降水變化趨勢(shì)的影響程度通常用變化趨勢(shì)貢獻(xiàn)率來表示。

        2 結(jié)果分析

        2.1 年降水特征分析

        諸城市1950—2019年降水量變化規(guī)律及距平百分比,見圖1。由圖1(a)可知,諸城市近70年平均降水量為705.7 mm,年最大降水量是年最小降水量的3.1倍,其中最大降水量發(fā)生在1964年(1 328.2 mm),最小降水量發(fā)生在1988年(427.0 mm),年際變化較大。從降水傾向率來看,諸城市年降水量存在明顯的減少趨勢(shì),減少速率為31.76 mm/10a。從5年滑動(dòng)平均降水量的變化趨勢(shì)來看,諸城市降水量總體呈現(xiàn)出增減交替的波動(dòng)性減少趨勢(shì)且存在一個(gè)6~20年的增減變化周期。從年內(nèi)不同季節(jié)降水量來看,諸城市的降水主要集中在夏季,占全年降水量的62%,冬季降水量最少,僅占全年降水量的5.1%,春秋兩季降水量相近,秋季降水略多于春季,春季降水占全年降水量的14.9%,秋季降水占全年降水量的18%。

        對(duì)1950—2019年降水量做距平百分比見圖1(b),諸城市降水豐枯情況呈現(xiàn)出1975年之前降水量較多,存在連續(xù)豐水年系列,1975年之后,降水量減少趨勢(shì)明顯,連續(xù)枯水年發(fā)生次數(shù)較多。具體來看,諸城市1950—1974年是一個(gè)降水量較為豐富時(shí)期,有12年是偏豐或者特豐水年,僅5年為偏枯或者特枯水年。1975年之后,諸城市降水量減少趨勢(shì)明顯,45年內(nèi)枯水年發(fā)生了24次,豐水年僅9次,且1977—1992年間,發(fā)生了連續(xù)的枯水年。

        圖1 諸城市年降水量變化規(guī)律及距平百分比

        2.2 季節(jié)降水特征分析

        諸城市1950—2019年各季節(jié)降水變化及變化規(guī)律見圖2。從季節(jié)降水量年際變化來看,諸城市各季降水量存在年際變化較大的情況。其中,春季最大降水量發(fā)生在1963年(274.8 mm),最小降水量發(fā)生在1986年(18.1 mm),最大降水量是最小降水量的15.18倍;夏季最大降水量發(fā)生在1971年(937 mm),最小降水量發(fā)生在1992年(188.6 mm),最大降水量是最小降水量的4.97倍;秋季最大降水量發(fā)生在1961年(315 mm),最小降水量發(fā)生在1988年(11.6 mm),最大降水量是最小降水量的27.16倍;冬季最大降水量發(fā)生在1998年(79.8 mm),最小降水量發(fā)生在1999年(0 mm)。

        圖2 諸城市季節(jié)降水變化及變化規(guī)律

        從降水傾向率來看,諸城市四季降水都呈現(xiàn)出減少趨勢(shì),其中夏季降水減少速率最為顯著,降水傾向率高達(dá)23.63 mm/10 a;冬季減少速率最小,僅為0.63 mm/10 a;春季、秋季減少速率接近,但秋季降水減少速率略大于春季,秋季降水傾向率為4.22 mm/10 a,春季降水傾向率為3.27 mm/10 a。從不同季節(jié)降水量對(duì)全年降水量的變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率來看,夏季降水的變化趨勢(shì)對(duì)全年降水變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率最大,為74.41%;冬季的貢獻(xiàn)率最小,為1.98%;秋季的貢獻(xiàn)率為13.3%;春季的貢獻(xiàn)率為10.31%。全年降水變化減少趨勢(shì)的主要原因在于諸城市夏季降水的減少。

        從季節(jié)內(nèi)月降水的構(gòu)成來看,諸城市春季降水5月份最多,占比達(dá)47.2%;4月份次之,為34%,3月份最少,為18.8%。夏季降水7、8月份占比相近,7月份略多于8月份,7月份占比為41.8%;8月份占比38.2%,6月份占比20%。秋季降水主要集中在9月份,占比超過了秋季降水的1/2,為52.5%;10月份占比次之,為27.9%;11月份占比最少,為19.6。冬季降水較為均勻,12、1、2月降水量占比分別為33.8%,25.5%,39.3%。

        2.3 汛前、汛期、汛后降水特征分析

        按照汛期時(shí)間,將余年劃分為汛前期(1~5月)、汛期(6~9月)、汛后期(10~12月)3個(gè)時(shí)間段,分析諸城市降水的特征。

        1950—2019年諸城市汛前期、汛期、汛后期降水量見圖3。汛前期、汛期、汛后期降水量變化都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。汛期下降速率最大,為25.07 mm/10 a,汛前期下降速率大于汛后期,汛前期下降速率為4.07 mm/10 a,汛后期下降速率為2.62 mm/10 a。從汛前、汛期、汛后降水量年際變化來看,汛前期最大降水量為305.7 mm,最小降水量為25.7 mm,最大值是最小值的11.89倍,年際差異較大;汛期最大降水量為1 016.3 mm,最小降水量為233.7 mm,最大值是最小值的4.35倍,年際差異明細(xì);汛前期最大降水量為166.3 mm,最小降水量為0.8 mm,最大值是最小值的207.88倍,年際差異極大。從汛前期、汛期、汛后期降水量對(duì)全年降水量變化規(guī)律的貢獻(xiàn)率來看,汛期的貢獻(xiàn)率最大,為78.95%,汛前期貢獻(xiàn)率為12.8%,汛后期貢獻(xiàn)率為8.25%。諸城市降水量減少主要集中在汛期降水的減少。

        圖3 汛前期、汛期、汛后期降水量及變化規(guī)律

        從不同時(shí)期內(nèi)各月降水量構(gòu)成來看,汛前期降水量主要集中在3、4、5月,占汛前期總降水量的80.6%。其中5月份占比最大,為38%;1月份最小,僅為7.4%。汛期降水主要集中與7、8月,占汛期總降水量的69.2%,兩月降水量占比相近,7月(36%)略大于8月(33.1%),6、9月降水量占比相近,6月(17.2%)略大于9月(13.6%)。汛后期降水主要集中于10、11月,占汛后期總降水量的77.5%,10月(46.6%)大于11月(30.9%),12月占比22.5%。

        2.4 月降水特征分析

        以月時(shí)間尺度分析諸城市1950—2019年降水變化特征見圖4。從降水傾向率看,以7月為例,降水量呈下降趨勢(shì),最大減少速率為17.61 mm/10 a;以8月為例,降水量呈增長趨勢(shì),最大增長速率為2.04 mm/10 a。用同樣的方法對(duì)其余月份進(jìn)行分析,1~6月、9~11月降水量均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì),其中4月、10月降水量減少速率在2~3 mm/10 a;3月、9月降水量減少速率在1~2 mm/10 a之間;1月、2月、6月、11月降水量減少速率小于1 mm/10 a;5、12月降水量呈增加趨勢(shì),5月增長速率為1.15 mm/10 a,12月增長速率最小為0.16 mm/10 a。

        圖4 1950—2019年諸城市1~12月降水量及其變化趨勢(shì)

        從降水量減少貢獻(xiàn)率來看,對(duì)全年降水傾向率貢獻(xiàn)最大的是7月(55.45%),其次為6月(25.39%),6、7兩月的合計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80.85%,年降水量減少主要原因在6、7月份降水的減少。對(duì)季節(jié)降水傾向率的貢獻(xiàn)率來看,春季主要是4月份降水量的減少,其貢獻(xiàn)率為89.6%;夏季主要是7月份降水量減少,其貢獻(xiàn)率為74.52%;秋季主要是10月份降水量的減少,其貢獻(xiàn)率為54.27%;冬季主要是1、2月份降水量的減少,貢獻(xiàn)率分別為53.97%,71.43%。對(duì)汛前期、汛期、汛后期降水傾向率的貢獻(xiàn)來看,汛前期主要是3、4月份降水量的減少,貢獻(xiàn)率分別為36.61%,71.99%;汛期主要是6、7月降水量的減少,貢獻(xiàn)率分別為32.15%,70.24%;汛后期主要是10月份降水量的減少,其貢獻(xiàn)率為87.4%。

        3 結(jié)論

        通過以上分析得到如下結(jié)論:

        1)諸城市年降水量以31.76 mm/10 a的速率減少,年際波動(dòng)大,降水主要集中在夏季,且年降水量存在6~20 a的周期性增減規(guī)律。從降水量的距平百分比來看,諸城市降水存在較為明顯的連豐連枯現(xiàn)象。

        2)諸城市春夏秋冬四季降水量年際波動(dòng)大,尤以秋冬季最為顯著。降水量的減少速率以夏季最為迅速,其減少速率為23.63 mm/10 a,對(duì)全年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)達(dá)到74.41%,是諸城市降水量減少的主要原因。

        3)對(duì)汛前期、汛期、汛后期降水趨勢(shì)情況分析可知,汛期降水減少的速率最快,為25.07 mm/10 a,汛后期減少速率快于汛前期。汛期降水的減少是造成諸城市年降水量減少的主要原因。

        4)以月時(shí)間尺度對(duì)諸城市降水特征的分析可知,諸城市存在5月、8月、12月的降水量呈增長趨勢(shì),其余月份降水量均存在不同程度的減少趨勢(shì)情況,其中6月、7月降水量減少速率尤為顯著,降水量減少趨勢(shì)明顯,其對(duì)年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率超過80%,這說明諸城市年降水量減少的主要原因是6月、7月份降水量減少。

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