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《水利水电技术（中英文）》官网网址https://sjwj.cbpt.cnki.net摘 要：【目的】为了探讨气候变化背景下山东省气温与降水的时空变化特征，【方法】根据山东省25个国家级气象观测站1981年1月—2021年2月逐月气温和降水资料，通过线性趋势、Mann-Kendall检验、小波分析、重标极差分析法等方法研究山东省气温、降水的时空变化特征，并预测未来变化趋势。

【结果】结果显示：(1)山东省年均气温呈显著上升趋势，倾向率为0.4℃·(10 a)-1,年均气温在1986年发生较明显突变，鲁南东部和西部、鲁西北东部及半岛西部增温最快山东省年降水量呈不显著增加趋势，倾向率为26.5 mm·(10 a)-1,未发生明显突变，鲁西北东部和鲁南东部降水增加最明显。

(2)山东省四季平均气温均呈显著上升趋势，倾向率分别为春季0.5℃·(10 a)-1、夏季<0.3℃·(10 a)-1、秋季0.3℃·(10 a)-1和冬季0.4℃·(10 a)-1;春季、夏季、冬季降水量呈不显著增加趋势，倾向率分别为5.5 mm·(10 a)-1、19.7 mm·(10 a)-1和3.1 mm·(10 a)-1,秋季降水量呈不显著减少趋势，趋势率为-1.7 mm·(10 a)-1。

各季节平均气温和降水量变化趋势的地区差异较大(3)山东省年均气温波动能量中心有2个，中心尺度分别为5～6 a和2～3 a,未来变化具有强持续性，平均循环长度为6 a;年降水波动能量中心有2个，中心尺度分别为3～4 a和2～3 a,未来变化具有持续性，平均循环长度为5 a。

【结论】气候变化背景下，山东省气温变暖趋势显著，1986年发生较明显突变；降水增加趋势不显著，未发生较明显突变；气温和降水变化均具有周期性特征，且未来变化均具有持续性关键词：气温;降水;特征;趋势;山东省;气候变化;全球变暖;极端降水;

作者简介：任建成(1984—),男,工程师,硕士,主要从事农业气象、应用气象等研究*谷山青(1983—),女,工程师,学士,主要从事大气科学、大气探测等研究*冯存峨(1969—),女,助理工程师,学士,主要从事大气物理、应用气象等研究。

基金：国家自然科学基金项目(41401103);山东省气象局科学研究项目(SDYBY2020-11);引用：任建成，谷山青，冯存峨，等． 气候变化背景下山东省气温与降水时空变化特征分析［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2023，54 ( 5) : 27-37.

REN Jiancheng，GU Shanqing，FENG Cune，et al． Analysis of the temporal and spatial variation characteristics of temperature and precipitation in Shandong Province under the background of climate change［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2023，54( 5) : 27-37.

0 引 言气候变化已成为科学界公认的基本事实IPCC第五次评估报告指出，近百年来温室气体浓度的增加导致全球大气和海洋变暖是毋庸置疑的，气候变化增温幅度的提高可能会给自然和人类系统带来严重而不可逆的风险IPCC第六次评估报告进一步指出，归因研究确证了人类活动对大气、海洋和陆地气候变化的影响毋容置疑，地球上各个区域都已受到了气候变化的影响，随着全球继续升温，气候变化将进一步加剧。

《中国气候变化蓝皮书(2022)》指出：全球变暖趋势仍在持续，且极端降水事件频发中国的升温速率高于同期全球平均水平，2012年以来中国年降水量持续偏多，年降水量总体呈较明显增加趋势气候变化导致高温、洪涝和干旱等灾害更加频繁，造成的经济损失和社会影响也更加明显。

欧洲、澳大利亚、北美等地区都饱受高温的困扰,其中仅2021年全球就有400余个(其中含中国62个)气象站观测的最高温度打破本站历史记录历史上中国特别是南方地区饱受暴雨洪涝灾害的侵袭，2016年长江流域发生了1998年以来的最大洪水。

华南地区2019年出现1961年以来最长前汛期，2020年全国平均降雨量为1961年以来历史同期第三多，其中长江中下游地区的梅雨量为1961年以来的历史之最中国每年的干旱面积接近全部耕地面积六分之一，是全球遭受旱灾影响最严重的国家之一。

顾颖等分析认为中国干旱灾害发生范围、严重程度等都将进一步恶化，北方地区更加明显气温和降水是研究气候变化最直接的指标从全球范围来看，沈贝蓓等研究表明1981—2019年期间全球陆地气温表现出显著的变暖，南北半球变化趋势不同，变暖最快的地区主要集中于北美洲北部、亚洲北部等区域。

俄罗斯等地则呈现气温增暖趋势显著、且极端低温变化更显著的特点全球海洋和陆地的增温差异比较明显，但同纬度陆地增温较好的响应了海洋的增温效应气候变暖与极端降水事件基本成正比关系,南美、欧洲等区域极端降水对于气候变暖的响应更加明显,但全球陆地上的总降水量基本保持稳定，仅北半球中高纬地区降水增加较为明显。

全球气候变暖背景下，中国气温上升幅度几乎是全球上升幅度的两倍严中伟等对中国区域气候变暖进行再评估，结果表明1990年以来中国增温速率远高于全球平均水平全球气候变暖并导致降水结构的变化过去几十年，国内降水量整体变化不显著,但东南沿海、长江下游、青藏高原和西北地区年降水量呈增加趋势，东北、华北和西南地区降水量呈减少趋势，特别是东北地区和华北地区年降水量呈显著减少趋势，尤其是夏季降水。

山东省是中国华东地区的一个沿海省份，气候属暖温带季风气候类型对于山东省气候要素变化特征，已有部分研究，如程增辉等研究表明，1951—2015年山东省降水呈减少趋势，但变化趋势不显著，气温序列呈增加趋势，且变化趋势显著，降水和气温均存在较明显的波动周期。

王学宵的研究表明：1951—2015年山东省年均气温在20世纪90年代增温最明显，年均降水呈不显著减少趋势随着气候的持续变暖，中低纬度地区气候变化规律也有所变化,为探明气候变化大背景下山东省气温和降水的最新变化特征，本文应用山东省最新的气温和降水数据，对年尺度和季节尺度的气温和降水特征进行了较为翔实的分析研究，期望研究结果作为对前人研究的改进和补充，为当地气候预测、防灾减灾等提供较好的理论依据。

1 数据与方法1.1 数据来源气温和降水数据包括山东省25个国家级地面气象观测站1981年1月—2021年2月的逐月平均气温和降水数据，源于中国气象数据网(http: //data.cma.cn/),数据经气象部门质控，可靠性较高。

站点分布如图1所示。

图1 山东省气象站点分布1.2 研究方法1.2.1 赫斯特指数和重标极差分析法赫斯特指数(下称Hurst指数)是可以描述时间序列信息长期依赖性的有效方法，其计算方法为重标极差分析法(下称R/S分析法),主要计算过程如下。

(1)将时间序列χi(长度为N)均分为A个相邻的子区间(长度为n),表示为Ia,a=1,2,…,A。(2)求出Ia对于其均值的累积截距

(3)定义极差

(4)子区间Ia的标准差为

(5)RIa的标准化处理

(6)n从3开始，并重复1—5步，直到n=N,得到序列[R/S]n,n=3,…,N。以log(n)为解释变量，log(R/S)为被解释变量进行线性回归

其斜率为Hurst指数的估值，其具体形式如表1所列。

研究的时间序列是否为周期性循环及其平均循环长度可通过统计量V进行判断，统计量V的计算公式为

在Vn-ln n的曲线上，若H=0.5,V统计量应该为一条水平线，若H0.5,曲线向上倾斜曲线第一次出现的明显转折点对应的时间长度n就是未来对过去的依赖长度1.2.2 其他方法

运用Arcgis软件，对统计量进行反距离(IDM)插值，用以分析研究区统计量的空间分布特征；应用一元线性回归分析法分析统计量的趋势性特征，采用P值(P-value)对气候倾向率进行显著性检验；应用Mann-Kendall(下称M-K)突变检验法分析统计量的突变特征；应用Morlet小波分析统计量的周期性特征；本文中气候趋势性、突变特征分析均采用a=0.05显著性水平。

2 研究结果2.1 山东省气温和降水量的时间变化特征由图2、表2可以看出：近40 a来，山东省年均气温和降水量整体上均呈上升趋势，倾向率分别为0.4 ℃·(10 a)-1(P0.05),其中气温上升趋势更加显著，这与全球气候变暖的总体趋势较为一致。

山东省年均气温和年降水量在1980年代均为所有年代最小值，说明1980年代山东省气温偏低、降水量偏少，偏冷偏干的区域性气候较为明显；1990年代山东省年均气温和降水量较1980年代均有所增加，说明山东省1990年代气温偏低和降水量偏少的趋势有所减弱，偏冷偏干的区域性气候有所缓和；山东省年均气温和年降水量在2000年代较1990年代有所增加，其中降水量为所有年代最多，说明山东省在2000年代较温暖，最湿润；山东省年均气温在2010年代为所有年代最高，降水量为所有年代第2高值，说明山东省在2010年代，气候最温暖，较湿润。

图2 山东省气温和降水的年际变化特征

综上，山东省年均气温在年代际尺度上一直呈上升趋势，1980年代至1990年代上升最快；年降水量在年代际尺度上整体呈增加趋势，1990年代到2000年代增加最快，2010年代有减少的趋势，但仍高于1980年代和1990年代。

由图3可以看出：山东省四季平均气温均呈显著上升趋势，其中春季平均气温趋势率最大，达到0.5 ℃·(10 a)-1(P<0.05),其次是冬季，为0.4 ℃·(10 a)-1(P<0.05),再次为秋季，为0.3 ℃·(10 a)-1(P<0.05),夏季平均气温趋势率最小，小于0.3 ℃·(10 a)-1(P<0.05)。

降水方面，山东省春季、夏季、冬季降水均呈不显著上升趋势，秋季降水呈不显著下降趋势，且趋势率绝对值最小，为-1.7 mm·(10 a)-1(P>0.05)夏季降水上升趋势最明显，趋势率达到19.7 mm·(10 a)-1(P>0.05),其次是春季，为5.5 mm·(10 a)-1(P>0.05),冬季降水上升趋势最弱，趋势率为3.1 mm·(10 a)-1(P>0.05)。

图3 山东省平均气温和降水量的季节变化2.2 山东气温和降水量气候倾向率空间特征2.2.1 年均气温和年降水气候倾向率空间特征由图4可以看出：山东省各气象站点平均增温速度达到0.4 ℃·(10 a)-1,且绝大部分站点增温趋势显著(仅济南站增温趋势不显著),其中有4个站点增温速度高于0.5 ℃·(10 a)-1,分别为垦利、龙口、菏泽和莒县，莒县站增温速度为0.6 ℃·(10 a)-1,增温最明显。

4个站点增温速度低于0.3 ℃·(10 a)-1,分别为成山头、济南、淄博和石岛，济南站的增温速度仅为0.1 ℃·(10 a)-1,增温最不明显从空间分布来看，鲁东南、鲁西南局部、鲁西北东部及半岛内陆地区增温最快，气温趋势率普遍高于0.3 ℃·(10 a)-1,而鲁西北西部、鲁南局部和半岛沿海地区增温相对较慢，气温趋势率低于0.3 ℃·(10 a)-1。

图4 山东省年均气温和年降水的气候倾向率空间分布山东省各气象站点降水量平均增长速度为24.8 mm·(10 a)-1,绝大部分站点增长趋势不显著，其中有4个站的降水趋势率高于40.0 mm·(10 a)-1,分别为东营、垦利、莒县和临沂，临沂站降水趋势率达到50.4 mm·(10 a)-1,降水增加最多。

另有3个站降水趋势率低于10.0 mm·(10 a)-1,分别为泰山、泰安和海阳，其中海阳站降水趋势率为3.3 mm·(10 a)-1,降水增加最少从空间分布来看，年降水增长趋势大体上由中部分别向东向西减弱，其中鲁西北东部和鲁东南地区降水增加最明显，鲁西北西部、鲁西南和半岛沿海地区降水增加最不明显。

2.2.2 各季节气温倾向率的空间分布特征由图5可以看出：山东省各站点春季、秋季、冬季平均气温均呈上升趋势，夏季济南站气温呈下降趋势，其他站点平均气温呈上升趋势各季节绝大部分站点平均气温变化趋势显著，其中春季所有站点平均气温变化趋势均显著。

图5 山东省各季节平均气温倾向率空间分布由空间分布来看，春季增温最快的地区主要为鲁东南、鲁西南局部、鲁西北东部、半岛内陆地区，而半岛沿海、鲁西北西部增温最慢；夏季鲁西南、半岛北部增温最快，鲁西北西部、鲁中西部增温最慢；秋季鲁中东部、鲁西北东部、鲁东南和鲁西南局部、半岛内陆地区增温最快，鲁西北西部、鲁南局部增温最慢；冬季鲁西北东部、鲁中东部、鲁西南局部增温最快，半岛沿海、鲁西北西部增温最慢。

2.2.3 山东省各季节降水倾向率的空间分布特征由图6可以看出：山东省春季、夏季、冬季降水整体上呈上升趋势，其中冬季所有站点降水均呈上升趋势，秋季降水呈下降趋势各季节绝大多数站点降水变化趋势不显著，其中春季、秋季所有站点降水变化趋势不显著。

图6 山东省各季节降水倾向率空间分布由空间分布来看，各季节差异较大，春季降水增加比较明显的地区主要为半岛地区和鲁东南地区，而鲁西南局部降水呈下降趋势；夏季鲁西北东部、鲁东南局部降水增加最明显，降水增加速度大致上由中部逐渐向东向西降低；秋季大部分站点降水呈下降趋势，下降趋势最明显的地区主要分布在鲁中东部和半岛南部部分地区，而鲁西南局部和鲁东南局部降水呈弱增长趋势；冬季降水增加趋势大致上由南向北逐渐递减，鲁南地区降水增加趋势最明显，半岛内陆地区降水增加趋势最慢。

2.3 山东省气温和降水的Mann-Kendall检验山东省年均气温UF曲线上升趋势较为明显，UF曲线和UB曲线存在多个交点，其中仅1986年交点通过a=0.05显著性检验，且在1997年以后年均气温上升趋势突破a=0.05显著性水平上限，说明山东省年均气温在1986年发生较明显突变，且1997年以后年均气温上升趋势更加明显。

进一步对突变前后多年气温特征进行检验，突变前年均温呈不显著下降趋势，趋势率为-1.3 ℃·(10 a)-1,多年平均气温均值为12.2 ℃,突变后年均温呈显著上升趋势(P<0.05),趋势率为0.3 ℃·(10 a)-1,多年平均气温均值为13.2 ℃,突变前后多年平均气温均值相差1.0 ℃[见。

图7(a)]。

图7 山东省年均气温和年降水的Mann-Kendall突变分析山东省年降水UF曲线总体上呈上升趋势，但UF曲线没有突破a=0.05显著性水平上限，说明山东省年降水上升趋势总体不明显年降水UF曲线和UB曲线存在多个交点，主要发生在1980年代和2014—2015年之间，且均在置信区间之间，但各交点之后降水变化趋势均未突破a=0.05显著性水平，说明研究期内山东省年降水不存在明显突变[见图7(b)]。

2.4 山东省气温和降水的周期性特征运用连续的Merlet小波变换对山东省年均气温和年降水进行周期性分析从山东省年均气温小波系数模部平方等值线图可以看出，小波波动能量中心共有2个，分别为：中心尺度5～6 a, 在1990年代中后期表现最为强烈；中心尺度2～3 a, 在2000年代前中期表现最为强烈。

降水方面，小波波动能量中心有2个，分别为：中心尺度3～4 a, 在1980年代后期到1990年代前期表现最为强烈，中心尺度2～3 a, 在2000年代前中期表现最为强烈。

图8 山东省年均气温和年降水小波系数模部平方等值线2.5 山东省气温和降水未来趋势预测对山东省年均气温和年降水的未来趋势运用R/S分析法进行预测，气温时间序列的Hurst指数为0.94,大于0.65,表明山东省年均气温时间序列前后具有强持续性，即未来山东省年均气温将继续呈现比较明显的上升趋势；降水时间序列的Hurst指数为0.59,小于0.65但大于0.5,表明山东省年降水量时间序列前后具有持续性，即未来山东省年降水量将继续呈现上升趋势。

由图9可以看出：气温V统计量第一个拐点的lnn≈1.79,对应的时间长度n≈6,说明山东省年均气温时间序列过去状态对未来状态的影响时间为6 a, 6 a后持续性将慢慢减弱直至消失；降水V统计量第一个拐点的ln n≈1.61,对应的时间长度n≈5,说明山东省年降水量时间序列过去状态对未来状态的影响时间为5 a, 5 a后持续性将慢慢减弱直至消失。

图9 山东省年均气温和年降水V-ln(n)变化曲线3 结果讨论山东省气温与降水时空分布是多因素综合的结果如地形和海拔因素，鲁西北和鲁西南地区地形主要为平原，海拔对气候影响相对不明显中部地区主要为泰沂山地，地形起伏大，气候受海拔的影响相对明显，泰沂山脉的迎风坡也是山东省降水最丰富的地区之一，而背风坡的降水则相对较少。

半岛地区受海洋气候的影响明显，降水比较丰富，温差相对较小再如人类活动会明显影响地表覆被，引起地球能量收支变化，导致气温上升和降水变化，增加干旱等自然灾害风险,而气溶胶通过吸收太阳辐射，可以使云量和降水发生变化等。

本文对近40年来山东省气温和降水的变化特征进行了较为详细的分析，认为山东省年均气温及各季节平均气温均呈显著上升趋势，年降水及各季节降水的变化趋势均不显著，年均气温在1980年代中后期发生较明显突变，年降水不存在显著突变点，年均气温和年降水序列均存在周期性变化特征，且未来变化均具有持续性，这与程增辉等、王学宵等学者研究结论较为一致，但限于数据时间长度等原因，本文分析结果也存在一定的不确定性，如小波分析的周期长度相对较短，且关于山东省降水与气温变化的原因及影响，也有待于后续进一步研究。

目前一般使用研究区站点观测数据的均值来计算研究区平均温度或降水量，这要建立在各站点观测数据独立分布的前提下，且会受到站点密度、空间布局等因素的影响但区域内站点间气象要素值一般存在空间相关性，故直接将观测数据用于其周边地区均值推算存在不确定性。

另一些学者提出研究气温和降水变化应该排除城市化的影响，否则可能会出现温度和降水倾向率虚高的现象本研究对气候倾向率进行空间插值，考虑到了气象要素的空间自相关，减弱了上述不确定因素的影响本研究还对气候趋势性、突变性进行了显著性检验，进一步强化了研究结果。

山东省是我国重要的“粮仓”和蔬菜之乡，经济发展较为迅速，水资源供需矛盾向来较为突出，这对山东省水资源的高效利用提出了更高的要求气候变化也深刻影响着山东省的生态环境,因此正确认识山东省的气候变化特征具有重要的现实意义。

通过对未来趋势的分析发现，山东省气温上升趋势在较长一段时间内仍然会比较明显，而当前降水量处在相对比较丰富的时期，近年来极端高温、降水情况发生频繁，如2021年，山东省平均降水量为988.2 mm, 为有气象记录以来次多；2022年夏天，山东省出现近12年来最高温，平均高温天数达38 d, 这些都需要引起足够重视。

学术界的研究重点正在由常规气候分析转向极端气候方面,这也是笔者后续的研究方向4 结 论(1)山东省年均气温和降水整体上均呈上升趋势，倾向率分别为0.4 ℃·(10 a)-1(P0.05),其中气温上升趋势更加显著，这与全球气候变暖的总体趋势较为一致。

山东省年均气温在1986年发生较明显突变，1997年以后上升趋势更加明显，突变前后多年气温均值相差1.0 ℃鲁东南、鲁西南局部、鲁西北东部及半岛内陆地区增温最快，鲁西北东部和鲁东南地区降水增加最明显山东省年均气温在年代际尺度上一直呈上升趋势，1980年代至1990年代上升最快；年降水量在年代际尺度上整体呈增加趋势，1990年代到2000年代增加最快，2010年代有减少的趋势，但仍高于1980年代和1990年代。

(2)山东省四季平均气温均呈显著上升趋势，其中春季平均气温趋势率最大，达到0.5 ℃·(10 a)-1(P<0.05),其次是冬季，为0.4 ℃·(10 a)-1(P<0.05),再次为秋季，为0.3 ℃·(10 a)-1(P<0.05),夏季平均气温趋势率最小，小于0.3 ℃·(10 a)-1(P<0.05)。

降水方面，山东省春季、夏季、冬季降水均呈不显著上升趋势，秋季降水呈不显著下降趋势，且趋势率绝对值最小，为-1.7 mm·(10 a)-1(P>0.05)夏季降水上升趋势最明显，趋势率达到19.7 mm·(10 a)-1(P>0.05),其次是春季，为5.5 mm·(10 a)-1(P>0.05),冬季降水上升趋势最弱，趋势率为3.1 mm·(10 a)-1(P>0.05)。

山东省春季增温最快的地区主要为鲁东南、鲁西南局部、鲁西北东部、半岛内陆地区；夏季鲁西南、半岛北部增温最快；秋季鲁中东部、鲁西北东部、鲁东南和鲁西南局部、半岛内陆地区增温最快；冬季鲁西北东部、鲁中东部、鲁西南局部增温最快。

山东省春季降水增加比较明显的地区主要为半岛地区和鲁东南地区；夏季鲁西北东部、鲁东南局部降水增加最明显，降水增加速度大致上由中部逐渐向东向西降低；秋季大部分站点降水呈下降趋势，下降趋势最明显的地区主要分布在鲁中东部和半岛南部部分地区；冬季降水增加趋势大致上由南向北逐渐递减，鲁南地区降水增加趋势最明显。

(3)山东省年均气温小波波动能量中心共有2个，分别为：中心尺度5～6 a, 在1990年代中后期表现最为强烈；中心尺度2～3 a, 在2000年代前中期表现最为强烈年均气温变化具有强持续性，平均循环长度为6 a。

山东省年降水小波波动能量中心有2个，分别为：中心尺度3～4 a, 在1980年代后期到1990年代前期表现最为强烈，中心尺度2～3 a, 在2000年代前中期表现最为强烈年降水量变化具有持续性，平均循环长度为5 a。

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