全球气候变化已经引起了众多学者的关注^[1-3]。研究表明,全球变暖不仅导致许多区域降水量发生变化,而且还会引起降水时空上的重新分配^[4-9]。目前,对全球及北半球范围的气候变化研究较多,但是对区域气候变化的研究还不够全面和系统^[10-12]。近百年来山东地区气候变化与全国气候变化趋势大体一致,但又表现出明显的地域特色。山东地处暖温带东亚季风区,其在全球变化背景下不同时间尺度的降水变化趋势,已经引起许多学者的关注并进行了相关研究。廉丽姝等^[13]利用60个气象站的观测记录,对1961~2001年山东地区降水变化进行了研究。韩玮等^[14]利用21个气象站的气象资料,对1961~2011年来山东地区降水量变化进行了研究。徐宗学等^[15]利用Mann-Kendall非参数检验法分析了山东地区15个站点1958~1998年降水量的变化趋势。此外,还有学者对山东地区降水异常的影响因素进行了研究^[16-19]。

根据已有研究,最近数十年来,在全球变暖的背景下山东地区降水总体上呈减少趋势,特别是夏季降水减少更为显著。但是,前人关于山东地区降水变化研究主要集中于多站点的平均降水或代表性站点降水的变化特征,而对不同区域及其降水阶段性变化研究较少。此外,降水特征及其变化对山东地区农业生产及经济发展具有重要影响。因此,随着最新气候资料的不断积累,非常有必要进一步了解山东地区降水变化的最新特点,特别是阶段性的变化特点。本文利用相关时间序列分析方法,对山东地区不同区域的16个气象站1961~2012年的逐月降水数据以及东亚夏季风指数、南方涛动指数和北极涛动指数等大气环流指数进行了研究,并在此基础上分析了最近50 a来山东地区夏季降水变化的阶段性、区域性及其影响因素,以期丰富全球气候变化的区域降水效应研究,为预测今后降水及水资源、水环境变化趋势提供科学依据。

1 研究区概况

山东地区位于中国东部沿海,介于114^o47′E~122^o43′E,34^o23′N~38^o24′N之间,东临黄海并与朝鲜半岛、日本列岛隔海相望,北隔渤海与辽东半岛相对,西连亚欧大陆（图1）。山东地区陆地总面积15.67×10⁴km²,东西长约700 km、南北宽约420 km。地形以平原、丘陵为主,平原约占总面积的63%;山地、丘陵约34%;河流、湖泊约3%^[20]。根据地势不同,山东地区可划分为鲁中、鲁西北、鲁西南和胶东半岛4部分,鲁中地区为以泰山、沂蒙山等中山为主体的山地,鲁西北和鲁西南为低平的黄淮海平原,胶东半岛为起伏和缓的低山丘陵。特殊的地理位置和复杂的地形、地貌,影响着山东地区降水量的时空分布,使降水的预测变得十分困难。因此,有必要对山东地区降水的时空特征进行深入全面的研究。

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图1   山东地区地理位置（a）和气象站点分布图（b）

Fig.1   Location of Shandong region (a) and distribution of weather stations (b)

山东地区冬季受来自于欧亚大陆高纬度地区的西伯利亚-蒙古高压气团控制,空气温度低、湿度小,形成了偏北向的干冷冬季风;夏季盛行来自低纬太平洋海面的气流,空气温度高、湿度大,形成了偏南方向的暖湿夏季风。在冬季风和夏季风周期性交替控制下,该地区形成了典型的暖温带季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。年降水量在550~950 mm之间,降水量60%以上集中于夏季（6~8月）且强度大,常出现暴雨,故易形成涝灾;其他季节则为少雨季节,特别是春季降水稀少,易形成旱灾。此外,山东地区还是中国重要的农产区,素有“粮棉油之库,水果水产之乡”之称,粮食产量居全国第二位,并拥有全国最大的蔬菜基地^[21]。由于降水量年内分配不均,使该区旱涝灾害频繁发生,给农业生产和社会经济发展带来重大影响。因此,研究山东地区夏季降水的变化特征,对于合理规划农业生产,积极防灾减灾具有重要的指导意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据及来源

降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网^①（① http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。考虑到各气象站记录的起始时间不一致,且气象台站有撤销、迁移现象,为建立稳定的气候序列,本文选取山东地区资料完整的16个气象台站（表1）的逐月降水资料,并将时间统一订正到1961~2012年。数据可靠性和连续性均能满足研究的需求。根据地势和地理位置的差异对气象站进行划分,成山头、海阳、青岛、日照、临沂、长岛、龙口、潍坊等站属沿海地区,泰山、济南、沂源等站属鲁中山地,惠民县、德州、朝阳等站属鲁西北平原,菏泽、兖州等站属鲁西南地区。

东亚夏季风指数和北极涛动指数来源于李建平研究员的主页^②（② http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/1）,南方涛动指数来源于中国气象局国家气候中心^③（③ http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/cn/index.htm）,资料序列年限均为1961~2012年。其中,东亚夏季风指数选用6~8月均值,指数越大,夏季风越强;反之,夏季风越弱。南方涛动指数选用6~8月均值,指数出现持续负值,该年有厄尔尼诺现象;反之,该年有拉尼娜现象。北极涛动指数选用6~8月均值,指数为正值时,系统的气压差较正常强,限制极区冷空气向南扩展;指数为负值时,系统的气压差较正常弱,冷空气较易向南侵袭。

2.2 研究方法

首先,采用Mann-Kendall非参数检验法来检测夏季降水、夏季降水占年降水比例以及大气环流指数的总体变化趋势及变化幅度。以原假设H₀（即假设序列平稳且随机独立分布）为前提,分别计算参数Z_C和β。Z_C反映了序列的总体变化趋势,Z_C为正值,说明序列总体上呈上升趋势;Z_C为负值,则呈下降趋势。取显著性水平α=0.05,若|Z_C|≤1.96,则原假设H₀被接受,即时间序列变化趋势不显著;|Z_C|>1.96,则拒绝原假设,即时间序列存在显著的变化趋势。β表示单位时间内的变化量,|β|值越小,表示变化幅度越小;|β|值越大,表示变化幅度越大。

其次,利用累积距平法绘制各参数的累积距平曲线,分析夏季降水、夏季降水占年降水比例以及大气环流指数的阶段性变化特征。曲线的纵轴表示累积距平,横轴表示时间。曲线上升表明处于相对多雨的时期;反之,为相对少雨的时期。一般认为,曲线趋势发生变化很可能是降水发生突变的结果^[22]。

最后,利用有序聚类分析法（OCA法）和Mann-Whitney-Pettitt(MWP)法来检测夏季降水、夏季降水占年降水比例及大气环流指数序列的突变点情况。由于2种方法具有各自的优缺点,单独使用一种方法可能无法找到真正的突变点,因此本文使用两种方法来检测各参数的突变点。用有序聚类分析法推求突变点,就是寻找有序聚类曲线上的最低点。而对于一个长度为T的时间序列X_t（t=1,2,3…,T）,MWP法的计算方法如下^[23]:

Ut,T=∑∑Di,j1≤i≤t,t+1≤j≤T,1≤t≤T-1（1）

其中 Di,j=1当Xi>Xj0当Xi=Xj-1当Xi<Xj

令 Kt0=maxUt,T1≤t≤T-1（2）计算 P0=2exp-6Kt02T3+T2（3）

若P₀≤0.5,则认为点t₀为统计上的显著变点即突变点。

3 研究结果

3.1 最近50 a来夏季降水量的变化特征

最近50 a来,山东地区夏季降水量总体上呈减少趋势,但不显著（表2）。在16个站中,临沂、济南、菏泽、沂源、长岛等5站的Z_C值大于0,表明夏季降水量总体呈上升趋势,各站平均增加速率为0.68 mm/a。其余11站的Z_C值均小于0,表明夏季降水量总体呈下降趋势,各站平均减少速率为1.21 mm/a。从95%的置信度水平来看,16站夏季降水量的变化趋势均未达到显著性水平。其中,夏季降水量呈下降趋势的气象站,6个位于沿海、5个位于内陆;夏季降水量呈上升趋势的气象站,2个位于沿海、3个位于内陆。此外,山东地区夏季降水量下降速率内陆大于沿海,内陆地区各站平均下降速率为1.50 mm/a,沿海地区各站平均下降速率为1.07 mm/a。

最近50 a来,山东地区16站夏季降水变化过程均可划分为两个阶段,但划分界限存在明显差异。其中,成山头、海阳、日照、青岛、潍坊、临沂、龙口、兖州、朝阳等9站,夏季降水量大致以20世纪70年代后期为界划分为变化趋势不同的2个阶段,前期上升,后期下降,但前期在60年代中期存在显著的波动变化（图2a）。泰山、沂源、济南等3站,夏季降水量大致以60年代中期为界划分为变化趋势不同的两个阶段,前期直线上升,后期波动下降（图2b）。惠民县、德州等2站,夏季降水量大致以90年代末期为界划分为变化趋势不同的2个阶段,前期呈稳定的波动状态,后期直线下降（图2c）。长岛、菏泽等2站,夏季降水量以21世纪初期为界划分为变化趋势不同的两个阶段,前期波动下降,后期直线上升（图2d）。此外,泰山、沂源、济南等3站,夏季降水量在90年代初出现上升趋势;其余各站到21世纪初才出现不同程度的上升趋势。

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图2   山东地区16站夏季降水累积距平曲线

Fig.2   Accumulated difference curve for summer precipitation of 16 stations in Shandong region

最近50 a来,山东地区16站夏季降水变化过程均存在突变现象,大部分站点在70年代后期发生突变,少数站点在60年代中期发生突变,还有些站点在90年代末期和21世纪后发生突变（表3）。其中,潍坊站的突变年份为1980年,成山头、龙口等2站的突变年份为1978年,日照、青岛等2站的突变年份分别为1977年和1976年,海阳、临沂、兖州、朝阳等4站的突变年份为1975年,济南、沂源、泰山等3站的突变年份为1965年,惠民县、德州等2站的突变年份分别为1998年和1996年,菏泽、长岛等2站的突变年份分别为2002年和2008年。此外,沿海地区各站夏季降水发生突变后,降水量减少约17.22%;鲁中山地各站夏季降水发生突变后,降水量减少约31.16%;鲁西北平原各站夏季降水发生突变后,降水量减少约17.09%;菏泽站和长岛站夏季降水发生突变后,降水量分别增加31.39%和55.7%。

3.2 最近50 a来夏季降水占年降水比例的变化特征

最近50 a来,夏季降水占年降水比例沿海地区总体上呈上升趋势,内陆地区总体上呈下降趋势,但均不显著（表4）。在16个站中,成山头、长岛、临沂、青岛、龙口、海阳、潍坊、沂源等8站的Z_C值大于0,表明夏季降水占年降水比例总体呈上升趋势,平均每年上升幅度为0.04%。德州、惠民县、济南、兖州、泰山、日照、朝阳、菏泽等8站的Z_C值小于0,表明夏季降水占年降水比例总体呈下降趋势,平均每年下降幅度为0.06%。从95%的置信度水平来看,16站夏季降水占年降水比例的变化趋势均未达到显著性水平。其中,夏季降水占年降水比例呈上升趋势的气象站,7个位于沿海、1个位于内陆;夏季降水占年降水比例呈下降趋势的气象站,1个位于沿海、7个位于内陆。

最近50 a来,山东地区大部分站点夏季降水占年降水比例的变化过程无明显阶段性,少数站点可划分为两个阶段,但划分界限存在明显差异。其中,成山头、日照、青岛、潍坊、临沂、龙口、长岛、海阳、朝阳、沂源10站,夏季降水占年降水比例在整个研究时段呈稳定的波动状态（图3a）。惠民县、德州、济南、泰山4站,夏季降水占年降水比例大致以20世纪90年代末期为界划分为变化趋势不同的两个阶段,前期波动上升,后期波动下降（图3b）。菏泽、兖州2站,夏季降水占年降水比例大致以80年代初期为界划分为变化趋势不同的两个阶段,前期波动上升,后期波动下降（图3c）。

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图3   山东地区16站夏季降水占年降水比例累积距平曲线

Fig.3   Accumulated difference curve for summer precipitation accounted for the proportion of annual precipitation of 16 stations in Shandong region

最近50 a来,山东地区大部分站点夏季降水占年降水比例的变化过程不存在突变现象,少数站点存在突变现象且主要集中在20世纪80年代初期和90年代末期（表3）。其中,兖州、菏泽等2站的突变年份为1983,突变后夏季降水占年降水比例下降约3.44%;惠民县、德州、济南、泰山4站的突变年份为1997,突变后夏季降水占年降水比例下降约5.72%。

3.3 最近50 a来大气环流指数的变化特征

最近50年来,东亚夏季风指数和南方涛动指数呈现总体下降趋势,北极涛动指数呈现总体上升趋势（表5）。其中,东亚夏季风指数和南方涛动指数的Z_C值都小于0,表明东亚夏季风指数和南方涛动指数总体呈下降趋势。北极涛动指数的Z_C值大于0,表明北极涛动指数总体呈上升趋势。从95%的置信度水平来看,3种大气环流指数的变化趋势均未达到显著性水平。

最近50 a来,各个指数的变化过程均以20世纪70年代后期为界划分为两个阶段,东亚夏季风指数和南方涛动指数的变化趋势相同,而北极涛动指数与之相反。其中,东亚夏季风指数大致以70年代后期为界,前期上升,后期下降,但前期在60年代中期存在显著的波动变化（图4a）。南方涛动指数大致以70年代后期为界,前期波动上升,后期波动下降（图4b）。北极涛动指数大致以70年代后期为界,前期直线下降,后期波动上升（图4c）。突变点分析结果显示,3种大气环流指数的变化过程均在70年代后期发生突变(表5)。其中,东亚夏季风指数和南方涛动指数在1976年发生突变,北极涛动指数在1977年发生突变。

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图4   东亚夏季风指数（a）、南方涛动指数（b）和北极涛动指数（c）累积距平曲线

Fig.4   Accumulated difference curve of the East Asian summer monsoon index (a)、Southern Oscillation Index(b) and Arctic Oscillation Index(c)

4 讨 论

4.1 山东地区夏季降水变化的区域差异

最近50 a来,山东地区夏季降水变化幅度内陆大于沿海,有些学者对其他地区降水的研究也得到相似的结论^{[24, 25]}。此外,夏季降水的阶段性变化和突变时间沿海早于内陆、山地早于平原。其中,沿海地区夏季降水在20世纪70年代后期发生减少突变,前期波动上升、后期波动下降。研究表明,我国东部地区降水在70年代末期出现明显减少的变化^[26-28],这与山东沿海地区夏季降水发生突变的时间基本一致。内陆平原夏季降水在90年代末期发生减少突变,前期呈稳定波动状态、后期下降。鲁中山地夏季降水在60年代中期发生减少突变,前期直线上升、后期波动下降。相关研究表明,海拔高度也是影响降水变化的重要因素,即在一定的高度范围内,海拔越高,降水越多;反之,降水越少^[29]。

山东地区夏季降水占年降水比例的变化趋势总体上表现为沿海地区上升,内陆地区下降。其阶段性变化和突变现象在沿海与内陆、山地与平原之间存在显著差异。其中,沿海地区在整个研究时段都无明显的阶段性和突变现象;鲁中山地及鲁西北平原在1997年发生突变,前期波动上升、后期波动下降;鲁西南地区在1983年发生突变,前期波动上升、后期波动下降。

4.2 山东地区夏季降水变化的影响因素分析

最近50 a来,东亚夏季风指数和南方涛动指数以20世纪70年代后期为界,前期波动上升、后期波动下降;而北极涛动指数与之相反。研究表明,东亚夏季风越强,降水越多;反之,降水越少^[30-32]。南方涛动指数出现持续负值,就会发生厄尔尼诺现象,使降水偏少;反之,出现拉尼娜现象,使降水偏多^{[33, 34]}。北极涛动指数为正值时,可限制极区冷空气向南扩展,使降水增加;指数为负值时,冷空气较易向南侵袭,使降水减少^[35]。

山东沿海地区夏季降水变化主要受东亚夏季风和南方涛动影响。20世纪70年代后期前,东亚夏季风指数和南方涛动指数呈上升趋势,说明东亚夏季风增强并出现拉尼娜现象,使夏季降水增加;70年代后期后,东亚夏季风指数和南方涛动指数均呈下降趋势,表明东亚夏季风减弱并出现厄尔尼诺现象,导致夏季降水减少。鲁中山地在60年代中期前主要受东亚夏季风和南方涛动影响,夏季降水随东亚夏季风指数和南方涛动指数的上升而增加;60年代中期后,东亚夏季风指数和南方涛动指数仍在上升,但夏季降水却出现下降趋势,说明60年代中期后,夏季降水可能受到其他因素的影响。内陆平原地区在90年代末期前受东亚夏季风、南方涛动和北极涛动的共同影响,夏季降水无明显的变化;90年代末期后,受东亚夏季风和南方涛动影响大于北极涛动,此时东亚夏季风指数和南方涛动指数都呈下降趋势,说明东亚夏季风在减弱并出现厄尔尼诺现象,从而使夏季降水减少。

山东位于中国东部沿海,受海洋和大陆的共同影响,季风气候显著,降水主要集中于夏季。本文的分析结果显示,最近50 a来,山东地区夏季降水变化与东亚夏季风、南方涛动以及北极涛动等大气环流有密切关系,其间响应模式和影响机制值得今后进一步研究。

5 结 论

1） 最近50 a来,山东地区夏季降水呈现总体下降趋势,且变化幅度内陆大于沿海,但存在明显的阶段性和突变现象。其中,沿海地区在20世纪70年代后期发生突变,前期上升、后期下降,突变后降水量减少约17.22%;鲁中山地在60年代中期发生突变,前期上升、后期下降,突变后降水量减少约31.16%;内陆平原在90年代末期发生突变,前期总体稳定、后期下降,突变后降水量减少约17.09%。

2） 最近50 a来,夏季降水占年降水比例沿海地区呈现总体上升趋势,内陆地区呈现总体下降趋势。沿海地区夏季降水占年降水比例变化无明显的阶段性和突变现象;鲁中山地及鲁西北平原在1997年发生突变,前期波动上升、后期波动下降,突变后夏季降水占年降水比例下降约5.72%;鲁西南地区在1983年发生突变,前期波动上升、后期波动下降,突变后夏季降水占年降水比例下降约3.44%。

3） 最近50 a来,以20世纪70年代后期为界,东亚夏季风指数、南方涛动指数变化均为先增后减,而北极涛动指数先减后增。与其同步,山东沿海夏季降水也以70年代后期为界先增后减,但占年降水比例无明显响应。与沿海相比,内陆夏季降水占全年比例和平原夏季降水量变化对各指数的响应滞后约20 a,但鲁中山地夏季降水量无明显响应。这反映了区域降水对全球变化响应的复杂性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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