華北地區降水變化的相關分析

季薔薇

(民航呼倫貝爾空中交通管理站,內蒙古自治區呼倫貝爾 021008)

華北地區降水變化的相關分析

季薔薇

(民航呼倫貝爾空中交通管理站,內蒙古自治區呼倫貝爾 021008)

利用1951-2012年全國160站降水資料,分析了華北夏季(6、7、8月)總降水量,運用一元線性回歸求得華北地區夏季降水年變化趨勢;同時利用EOF(正交經驗分解)來分析該地區62年的時空特征結果表明:在1965年代之前華北地區夏季降水偏多, 之后開始下降,尤其是在1976年成為降水變化的轉折點,降水進一步減少,80年代中期后略有回升,但在2003年再次減少,2010年之后有回升趨勢。

華北地區降水 一元線性回歸

1 引言

近年來，氣候異常給我國帶來了嚴重氣候災害，尤其是旱澇等重大氣候災害，特別是華北地區，華北地區主要位于半濕潤半干旱地區，其地形復雜多變，東臨黃海、渤海、東部為平原區，西部為太行山脈、黃土高原，因此氣候的區域性差異很明顯。降水是華北地區水資源的重要來源之一，尤其是夏季降水占很大比例。降水影響著當地糧食生產、生態環境安全和社會經濟的可持續發展。 然而近幾年來華北地區由于水資源貧乏，導致近年來干旱頻繁發生。水資源的缺乏已嚴重地妨礙了華北地區工農業生產的進一步發展，嚴重影響著華北地區經濟的持續發展，是華北地區今后經濟發展中必須解決的重大問題[1]。

楊修群等人[2]對華北降水年累積距平指數變化分表明，近50年來華北降水異常發生兩次躍變，分別發生在1965年和1980年，研究表明近50年來，華北降水總體呈現減少的趨勢。張慶云[3]研究了1880-1997年華北降水變化后指出： 華北降水存在顯著的年際和年代際變化。本文就是對62年華北地區降水變化以及時空分布特征進行分析，只有掌握了解了其特征變化趨勢，才能做好預測以及預防工作。

圖1a 62年華北地區夏季降水柱狀圖和線性趨勢對照圖

圖1b 經過9點滑動平均后的華北地區逐年夏季降水距平圖

圖2 華北地區降水空間分布第一模態EOF1

圖3 EOF第一模態時間系數(空心為原始時間系數,實心為經過9點平滑處理后的時間系數)

2 研究資料

降水資料：1951-2012年華北地區160站逐月降水資料，由國家氣候中心整編。選取華北地區代表站點為：赤峰，承德，張家口，呼和浩特，包頭，陜壩，北京，天津，石家莊，德州，邢臺，安陽共12個站臺站，對降水資料采用6－8月的總和作為夏季降水，華北地區范圍選為(35° -45°N，100°-130°E)。

3 研究方法簡介

研究中采用的方法主要有一元線性回歸、經驗正交函數分解方法(EOF)，EOF分析又稱為主分量分析或主成分分析，它是用來將大量初始信息資料(矩陣) 加以壓縮，并從中求得能最大部分地捕獲初始方差的正交線性組合，即出現頻率最高的時空變化型或主導的時空變化型的一種分析方法。

圖4 華北地區降水空間分布第二模態EOF2

圖5 EOF第二模態時間系數(空心為原始時間系數,實心為經過9點平滑處理后的時間系數)

4 華北地區降水變化特征分析

4.1 華北地區降水年變化分析

為了了解華北地區62年來夏季的降水變化，選取華北地區12個氣象臺站1951-2012年夏季降水代表華北地區夏季總降水(降水單位mm)，12個站點主要位于華北的中、北部地區。如圖1a為62年降水總量分布圖以及應用一元線性回歸做出降水的變化，可以看到一元線性回歸后的趨勢為逐年遞減的，平均每年夏季減少17mm左右。在60年代中期降水有異常變化，80年代又有一次減少，在2000年之后降水均偏少；圖1b是經過9點平滑處理后的距平圖，能夠更明顯的看到降水的年代際變化：一共有三次明顯的降水突變，分別在1965年左右，1980年左右和1998年左右，這三次異常變化都出現降水負距平意味著降水的減少。

4.2 基于EOF的華北地區降水分布特征分析

為了了解我國夏季降水的主要分布特征，應用EOF分析方法對1951-2012年160站的夏季降水距平場做展開。EOF1 解釋方差貢獻為14.13%，EOF2解釋方差為12.22%。圖5和圖6(空心折線為原始的時間系數序列，實心折線是經過9點平滑處理的)。

圖2和圖3分別為華北地區夏季降水EOF分析第1模態(即EOF1)的空間分布和時間系數序列。正如圖2所示，華北地區夏季降水EOF1的空間分布表明，華北西部有一負信號，華北北部、中部以及華北南部為正位相，山東半島沿岸為負位相，其他區域均在0值附近，信號不明顯，這可簡單稱之為“東中西型”。相比較華北南部數值較大，說明降水變化容易出現異常。由EOF1時間序列的變化可以看到，時間序列呈8-10的周期震蕩。華北中北部地區在1965年之后夏季降水有減少的趨勢，70年到80年一直為負值，降水在逐年減少，93年左右又有一次降水減少，2000年以后整體來看該地區基本呈減少趨勢。

圖4和圖5分別給出了華北地區夏季降水EOF2的空間分布和時間系數序列。圖4顯示，華北夏季降水大部分表現為一致的正值，可稱之為“全區一致型”，可理解為整個華北地區降水變化表現出一致的同位相變化特征。從EOF2時間序列的變化表明，在20世紀90年代初降水分布異常發生了突然的變化，華北地區降水有明顯的減少。圖6為兩個模態的時間系數對比，可以看出兩者基本呈反位相，即負相關。

圖6 EOF1和EOF2時間系數對比圖(空心為第二模態的時間系數,實心的為第一模態的時間系數)

5 結語

本文利用我國160個觀測站1951-2012年的降水資料分析夏季降水的變化趨勢和時空變化特征(EOF)。

降水距平和一元線性回歸表明：華北地區降水具有年代紀變化特征，降水趨勢整體呈現下降趨勢。60年代中，后期80年代中后期，2000年之后降水減少現象突出明顯并且沒有降水增加的趨勢，一直處于負距平。EOF表明：模態一中華北地區呈現出北、中、南與東、西部相反的變化趨勢。北、中、南部地區在1965年之后夏季降水發生異常，在1973年左右，1993年左右以及2002左右都有一次降水的突變過程，即降水的突然偏少，之后降水除了2010有略微增多，整體顯示降水偏少。模態二中在90年代初有一次顯著地轉變，此時華北地區整體降水偏少；SVD表明：模態一中華北地區夏季降水從1975年左右，1993年左右，2003年到2009年有明顯的減少趨勢，這與EOF中得到的結論基本一致。模態二中華北西部和山東半島及北部為負值區，中部為正值區，與時間系數結合可知中部降水為減少，西部與山東半島及山東半島降水偏多。

[1]郝志新,鄭景云,伍國鳳,等.《1876-1878年華北大旱:史實、影響及氣候背景》.科學通報,2010.55(23):2321-2328.

[2]楊修群,謝倩 等.華北降水年代際變化特征及相關的海氣異常型.地球物理學報,2005.48(4):789-797．

[3]張慶云.1880年以來華北降水及水資源的變化.高原氣象,1993.3(4):486－495．