引言

山东省地处中纬度，濒临渤海、黄海，境内山峦起伏，地形复杂，各地气候差异明显。气候业务中将全省划分成鲁西北、鲁西南、鲁中、鲁南、半岛五个气候区^[1]。鲁南地区包括临沂、枣庄两市和日照部分地区，该区地处鲁中山区的东南麓，北依鲁中群峰，南接苏北平原，夏季盛行从海上吹来的潮湿的东南季风，经山丘的抬升，降水量显著增多，是山东省降水量最多的地方。特殊的地理位置加上丰富的水热资源，使鲁南地区成为山东经济腾飞的两翼之一。

近年来，气候变化问题越来越受到公众的关注，我国许多科技工作者在中国近代气候变化规律以及气候变化对区域气候的影响方面作了诸多的研究^[2-7]。在山东气候研究方面，也取得了许多最新研究成果^[8]。相对于全球性的持续变暖趋势，降水量变化格局及其区域分异有更大的不确定性。因此研究不同区域降水量的变化特征是当前气候变化研究的重要内容之一。本文利用累积距平及滑动t检验法、K-W检验法及SPI指数，分析鲁南地区降水量的长期变化趋势及干旱频率变化特征，为气候预测提供依据。

1 资料和方法

为分析鲁南地区降水量和SPI指数，且使之具有代表性，我们选用两个资料年代较长的代表站逐月降水资料：临沂站资料年代为1951—2005年，枣庄站资料年代为1958—2005年。

采用方法：

(1) 利用累积距平及滑动t检验法^[9]分析年降水量的突变点。

(2) 利用K-W检验^[10]检定样本是否具有显著差异。若有n个样本，检定统计量H：

式中，而n_i代表各组样本大小，R_i为各组样本的等级和。取α＝0.05水平下H>χ_{(0.05, 1)}²=3.84, 表示样本存在显著差异。

(3) SPI指数^{[11, 12]}：Mckee(1993)对美国地区的降雨进行研究，结果发现Gamma分布^[6]最能代表其统计特性。假设某一时段的降水量为x, 则其Gamma分布的概率密度函数为：

式中α为形状参数，β为尺度参数，x为降水量，Г(α)是Gamma函数。最佳的α、β估计值可采用极大似然法求得，即

式中n为计算序列的长度。于是给定时间尺度的累积概率可计算如下：

假设t=x/β, 上式则形成

由于Gamma方程不包含x=0的情况，而实际降水量可以为0，所以累积概率方程式可修正如下：

式中q是降水量为0的概率，如果m表示降水序列中降水量为0的数量，则q=m/n。

累积概率H(x)可以通过下式转换为标准正态分布函数。

当0 < H(x)≤0.5时：

当0.5 < H(x) < 1时：

c₀=2.515517; c₁=0.802853; c₂=0.010328; d₁=1.432788;d₂=0.189269; d₃=0.001308。

据此，可以求得SPI。本文计算年降水量的SPI值及利用连续3个月降水量计算逐月SPI3值。Mckee定义SPI≤-1.0为干旱事件，其干旱等级值见表 1。

2 结果分析 2.1 鲁南地区降水量长期变化趋势分析

我们用累积距平及滑动t检验法分析两代表站年降水量(表 2)，发现鲁南年降水量在1970年代中期发生了气候突变。临沂年降水量在4、7、14~18年的气候变化尺度上，均有显著水平超过0.01的年份，对比分析发现，当n₁=n₂=15时，突变最为显著，突变点为1975年，显著水平达到0.004。枣庄年降水量在5~9、13~16年的气候变化尺度上，均有显著水平超过0.01的年份，对比分析发现，当n₁=n₂=16时，突变最为显著，突变点为1976年，显著水平也达到0.004。

用K-W检验法检定突变点前后年降水量发现均存在显著差异，临沂超过0.027的显著性水平，枣庄超过0.004的显著性水平。两站年降水量均减少12%以上，汛期降水量均减少16%以上，差异非常显著。冬半年降水量临沂略有增加，枣庄略有减少，但均不显著(表 3)。历年资料显示，汛期降水量占年降水量的70%以上，汛期降水量的显著减少使得蓄丰济枯的水资源减少，干旱情况有可能会严重化，致使其缺水现象日益严重，近年的干旱情形尤为严重。

2.2 鲁南地区气象干旱分析

根据鲁南地区年降水量的SPI指数值，SPI≤-1.0的干旱年临沂8年，枣庄有9年。临沂极端干旱年为1988、1981年，严重干旱年为2002、1989年，中度干旱年为1976、1977、1983、1989年。枣庄极端干旱年为1988年，严重干旱年为1981年，中度干旱年为1976、1978、1983、1989、1992、1997、2002年。干旱年全部出现在降水量突变后。两站干旱年中有7年相同，说明干旱发生具有区域性。我们计算逐月SPI3值，根据干旱事件定义，统计年降水量突变点前后逐月及各季各级干旱发生频率及持续时间。

2.2.1 鲁南地区干旱频率的逐月变化特征

降水量突变前后两站逐月干旱频率变化差异明显(图 1)。临沂除7月外，各月干旱频率均有所增大，其中9月干旱频率增大最显著达29%，其次是2月及5月为18%，7月干旱频率明显下降为-10%。枣庄2—9月干旱频率均有所增大，其中6月干旱频率增大最显著达24%，其次是4月为20%，10—1月干旱频率均明显减小，其中12月减小最大为-13%。可见，逐月干旱频率变化具有明显的地域差异。

2.2.2 鲁南地区干旱频率的季节变化特征

鲁南地区一年四季均有干旱发生，其季节分布有明显的地域特征，1970年代中期以后干旱有加重的趋势。年降水量发生突变前，中度干旱发生频率临沂以夏季最大，枣庄以秋季最大；严重干旱发生频率临沂以秋季最大，枣庄以夏季最大；极端干旱发生频率均以冬季最大。干旱发生总频率临沂以夏冬季旱最大，枣庄以秋冬季最大。各级干旱强度中临沂以中度干旱频率最大，枣庄以中度及严重干旱频率最大。

年降水量发生突变后，中度干旱发生频率临沂以秋季最大，枣庄以夏季最大；严重干旱发生频率临沂也以秋季最大，枣庄以春季最大；极端干旱发生频率临沂以冬春季最大，枣庄以秋季最大。干旱发生总频率临沂以秋季最大，枣庄以夏季最大。各级干旱强度中均以中度干旱频率最大。

从干旱频率变化值来看，除两站冬季极端干旱频率均有所减小，枣庄秋季中度干旱及夏季严重干旱频率也有所减小外，其它各季各级干旱频率均有所增大。中度干旱频率增大临沂以冬季最大，枣庄以夏季最大；严重干旱频率增大临沂以秋季最大，枣庄以冬季最大；极端干旱频率增大临沂以夏秋季最大，枣庄以秋季最大。干旱总频率临沂以秋季最大，枣庄以夏春季最大。各级干旱强度中均以中度干旱频率增大最显著。

2.2.3 干旱持续时间的变化特征

表 5给出临沂、枣庄干旱持续的发生频率，从表 5可以看出，年降水量发生突变前，临沂以持续1~2个月干旱为主，持续3月干旱也仅出现1次, 频率为4%。而枣庄仅出现持续1~2个月的干旱。年降水量发生突变后，临沂持续1、3~5个月干旱频率明显增大，其中以持续3月干旱频率增大最显著，增大2.9倍，持续2个月干旱频率未变；枣庄持续1个月干旱频率略有减小，持续2个月干旱频率未变，以持续3个月干旱频率增大最显著，2002年出现了持续6个月的干旱，干旱持续时间有明显延长趋势。

3 结论

(1) 分析鲁南地区年降水量的长期变化趋势发现，20世纪70年代中期的突变最为显著，突变点前后年降水量差异显著，均减少12%以上，其中以汛期降水量减少最为显著，均减少16%以上，冬半年降水量变化不显著。

(2) 鲁南地区干旱发生具有区域性，各级干旱强度中均以中度干旱频率增大最显著，但其突变前后月、季干旱频率分布地域差异也很明显。临沂各季干旱频率均明显增大，枣庄春夏秋三季干旱频率明显增大。其中临沂中度干旱频率冬季增大最显著，严重干旱秋季增大最显著，极端干旱夏秋季增大最显著，干旱总频率秋季增大最显著；枣庄中度干旱频率夏季增大最显著，严重干旱春季增大最显著，极端干旱秋季增大最显著，干旱总频率夏季增大最显著。

(3) 鲁南地区年降水量突变前，主要是持续1~2个月干旱，突变后以持续3个月以上干旱频率增大最显著，干旱持续时间有明显延长趋势。