中國西北東部降水量變化的空間分布及突變特征

張仲杰，陳少勇，楊 鑫，李奇三

（甘肅省白銀市氣象局，甘肅白銀730900）

中國西北東部降水量變化的空間分布及突變特征

張仲杰，陳少勇，楊 鑫，李奇三

（甘肅省白銀市氣象局，甘肅白銀730900）

為了解西北東部降水變化特征，為應(yīng)對氣候貧困實施扶貧戰(zhàn)略提供理論依據(jù)，利用1961—2010年中國西北東部81站降水資料，采用氣候趨勢、相關(guān)系數(shù)、相對變率、Mann-Kendall等方法，對西北東部降水的變化特征進行分析。結(jié)果表明：1961—2010年來，年降水量顯著減少區(qū)在陜西東部邊界附近、甘肅岷縣—臨洮—華家?guī)X、寧夏固原一帶，增加區(qū)在德令哈—都蘭—托勒區(qū)域；春季降水量顯著減少區(qū)在陜西中東部、南部，增加區(qū)在青海中東部、西南部；夏季降水量顯著減少區(qū)在河西走廊西端，增加區(qū)在青海中西部、北部、陜西南部；秋季降水量顯著減少區(qū)在陜西南部、寧夏中南部、甘肅東南部，增加區(qū)在青海西北部、甘肅西部；冬季降水量（除個別站點外）均為增加趨勢。季節(jié)降水量的相對變率與年的分布類似，高值區(qū)在青海西北部、河西走廊西端，低值區(qū)在祁連山區(qū)及青海南部、陜西南部。1961—2010年秋、冬季降水量發(fā)生突變，判斷可能的突變點分別是1975年、1986年。

降水趨勢；相對變率；突變；西北地區(qū)東部

0 引言

中國西北地區(qū)東部位于青藏高原東北側(cè)，受季風(fēng)影響，該區(qū)域降水變率較大，且水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，缺水和干旱始終影響西北東部可持續(xù)發(fā)展。眾多學(xué)者已對西北東部降水的時間和空間尺度進行了研究。許正福[1]分析了青海貴南地區(qū)近50年的降水特征。宋連春等[2]發(fā)現(xiàn)在20世紀后期，降水量在西北地區(qū)中西部顯著增加，而在研究區(qū)減少的趨勢。Lian等[3]指出，大氣環(huán)流、地形、拔海高度、幾大地方性氣候系統(tǒng)影響中國西北地區(qū)極端降水的空間分布，研究區(qū)有變干趨勢。Li等[4]發(fā)現(xiàn)，中國西北地區(qū)的西部氣候有明顯的變濕跡象。Zhao等[5]指出，新疆北部和青海西部降水的變化趨勢在上升，而在甘肅東部，陜西南部降水顯著減少。陳冬冬等[6]發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)不同強度降水都呈減少趨勢。Liu等[7]分析了全球60oS—60oN從1979—2013年為全球變暖期，得出年降水量在中國西部顯著增加。

現(xiàn)有許多學(xué)者得出西北東部地區(qū)暖干化趨勢進一步加重，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，使得農(nóng)民傳統(tǒng)生計模式面臨風(fēng)險，氣候貧困問題出現(xiàn)[8]，世界銀行發(fā)現(xiàn)“干旱與氣候貧困在地理位置上彼此確有關(guān)聯(lián)”[9]。國際扶貧組織施樂會也發(fā)現(xiàn)中國11個集中連片特困區(qū)505個特困縣的貧困程度與當(dāng)?shù)貧夂虼嗳跣悦芮邢嚓P(guān)[10]。因此，筆者旨在研究西北東部降水空間特征，為應(yīng)對氣候變化導(dǎo)致的氣候貧困，調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)或?qū)嵤夂蛞泼窆こ碳熬珳?zhǔn)氣象助力脫貧提供理論支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

選取中國西北地區(qū)(32o—42oN,90o—110oE)降水的氣候特征，包括陜西、甘肅、青海、寧夏四省共81個地面氣象觀測站1961年1月—2010年12月共50年的月、年降水統(tǒng)計資料。3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，上年的12月—次年2月為冬季。

1.2 研究方法

主要采用了氣候傾向率、相關(guān)系數(shù)、相對變率、Mann-Kendall分析等方法。氣候傾向率、相關(guān)系數(shù)計算公式見文獻[11]，文中r0.05=0.2789、r0.01=0.3613。相對變率是描述觀測值分布離散特征的量，具體公式見文獻[12]。氣候的突變指氣候系統(tǒng)具有的非線性、多時間尺度現(xiàn)象，發(fā)生在2種穩(wěn)定狀態(tài)下的階躍式變化，具體見文獻[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量的空間分布

年降水量自西北向東南增加（見圖1a），青海西部和甘肅中部各有有1個干舌，祁連山區(qū)有1濕舌。年均降水總量達500～800 mm，年降水量大值區(qū)在青海東南、陜西南部、甘肅南部。東亞和南亞季風(fēng)常常影響著西北地區(qū)東南部，使其區(qū)域水汽豐富[14-15]；甘肅中西部、陜西北部、寧夏北部及青海西部和北部年降水量在300 mm以下。甘肅中部一方面受烏鞘嶺的背風(fēng)坡效應(yīng)，一方面又處在青藏高原最大的地形彎曲曲率的東北側(cè)，形成由北向南伸展的干舌。

圖1b為年降水量趨勢和相關(guān)系數(shù)圖，可以看出0線有2條，一條在玉門—酒泉—鼎新區(qū)域，另一條位于景泰—貴德—清水河區(qū)域，其0線以東降水量呈減少趨勢，顯著減少區(qū)域有2個：陜西東部邊界附近、甘肅岷縣—臨洮—華家?guī)X及寧夏固原一帶；降水量減少最大值位于陜西東部華山，減少幅度達35.65 mm/10 a；年降水量在景泰—貴德—清水河的0線以西為增加趨勢，顯著增加區(qū)有3個：德令哈—都蘭—托勒區(qū)域、五道梁、甘肅武威和永昌；年降水量增加最大值位于青海的德令哈，增加幅度達24.59 mm/10 a。

圖1 1961—2010年西北東部年降水量及趨勢與相關(guān)系數(shù)及相對變率

從圖1c看出，年降水量相對變率等值線走向基本與年降水量等值線一致，但高低中心相反。可以分為3個區(qū)域，低值區(qū)大部分在祁連山區(qū)及青海南部，相對變率小于15%，高值區(qū)位于青海西北部、河西走廊西端，其平均相對變率均超過50%。其它區(qū)域平均相對變率在20%～30%之間。

2.2 冬季降水量的空間分布

冬季降水量（見圖2a），大型干冷天氣系統(tǒng)對冬季降水量變化有很大影響，降水量均未超過40 mm，高值區(qū)位于陜西東南部，降水量在20～40 mm的地區(qū)主要位于華山、商洛、鎮(zhèn)安和石泉；青海西北部降水量在5 mm以下。整個研究區(qū)域而言，降水量呈東多西少和南多北少的態(tài)勢[16]。

從冬季降水量趨勢圖（見圖2b）看出，降水量（除少數(shù)站點外）均呈增加趨勢。降水量增加最大值位于陜西長武，增加趨勢為2.44 mm/10 a。通過顯著性水平的高值區(qū)主要在陜西關(guān)中西部、寧夏南部、甘肅東南和西南部以及中部區(qū)域、青海西北和東南部的部分區(qū)域。

冬季相對變率（見圖2c）的低值區(qū)位于青海東南部的久治、陜西東南部的華山；高值區(qū)位于青海東北部的冷湖、中西部的諾木洪、甘肅東部平?jīng)黾皩幭谋辈俊?/p>

2.3 春季降水量的空間分布

春季降水量（見圖3a），最大降水中心位于陜西華山－石泉，然后向安康南移，青海的托勒區(qū)域也出現(xiàn)了大值區(qū)。甘肅中部的干舌北移壓至蘭州附近，這與劉洪蘭等[17]的結(jié)論有所不同；研究區(qū)西北部的大部分沙漠區(qū)域降水小于15 mm。副熱帶高壓系統(tǒng)影響著西北地區(qū)東南部雨季的降水[18]，同時任宏利等[19]提出了春季空中水資源有一定的補償能力；青海西部—甘肅西部因深居內(nèi)陸、受西風(fēng)帶影響，遠離海洋，又處在青藏高原北側(cè)的平均輻散下沉中心處，還受到天山及阿爾金山中小地形背風(fēng)坡焚風(fēng)強化效應(yīng)，水汽稀少。合作—托勒的多雨區(qū)，既受高原背風(fēng)坡地形影響、又受偏南風(fēng)帶來充沛的水汽，容易成云致雨。

春季降水量（見圖3b）在103oE以西從北到南降水量為增加趨勢，主要顯著增加區(qū)位于青海中東部囊謙—清水河—瑪多—都蘭、西南部雜多、西部五道梁—小灶火、甘肅敦煌；在103oE以東從北到南降水量為減少趨勢，主要顯著減少區(qū)有3個，分別位于陜西中東部邊界一帶、西南部的略陽和南部安康區(qū)域。

春季相對變率（見圖3c）從東到西、從北到南降水變率依次變小，其低值區(qū)在青海東南、甘肅、陜西南部，高值區(qū)位于青海西北部。

2.4 夏季降水量的空間分布

青海西北部、河西走廊西端夏季降水量（見圖4a）均小于50 mm。青海東南部、陜西南部降水量大于350 mm，最大值出現(xiàn)在陜西佛坪，其降水量超過了400 mm。

圖2 1961—2010年西北東部冬季降水量及趨勢與相關(guān)系數(shù)及相對變率

圖3 1961—2010年西北東部春季降水量及趨勢與相關(guān)系數(shù)及相對變率

從夏季降水量趨勢圖（見圖4b）看出，降水量減少的區(qū)域在青海南部、河西走廊西端和甘肅東南部、寧夏、陜西北部和西南部的部分區(qū)域。降水量減少最多的區(qū)域在陜西綏德，但沒有通過顯著性檢驗，河西走廊西端的部分區(qū)域降水量顯著減少。降水量顯著增加區(qū)域在青海中西部、北部、陜西南部、甘肅中部的小范圍區(qū)域。

夏季相對變率（見圖4c）高值區(qū)位于青海西北部，甘肅西部，其低值區(qū)同春季相對變率一致。

2.5 秋季降水量的空間分布

從秋季降水量空間（見圖5a）80 mm等值線分布看出，該等值線為東北—西南走向，高于80 mm等值線平均降水量的站點主要分布在陜西大部、寧夏南部、甘肅和青海東南部，這些區(qū)域易受亞洲季風(fēng)的影響；220 mm等值線以上的高值區(qū)主要在陜西南部，該區(qū)域不僅受季風(fēng)影響，而且有足夠的水汽輸送條件，可以把豐富的水汽輸送到此區(qū)域，10 mm等值線以下的低值區(qū)主要分布在青海西北部、甘肅西部；但是降水量低于80 mm等值線區(qū)域中，位于青海東北部的門源站秋季降水量最大，達到111.2 mm。

從秋季降水量趨勢圖（見圖5b）看出，降水量顯著增加區(qū)在青海西北部、甘肅西部的部分區(qū)域，降水量顯著減少區(qū)主要集中在受亞洲季風(fēng)影響的青海南部的部分區(qū)域、陜西南部、寧夏中南部及甘肅東南部，這與任國玉等[20]的研究結(jié)論一致，同時這種趨勢持續(xù)延續(xù)導(dǎo)致秦巴地區(qū)的傳統(tǒng)秋雨消失。總體上，秋季降水量減少趨勢的絕對值遠遠大于降水增加趨勢的絕對值。姚玉璧等[21]的研究，也得出了西北地區(qū)東部秋季降水量減少最多的結(jié)論。

秋季相對變率（見圖5c），其低值區(qū)依然位于青海南部和東北部的部分區(qū)域、甘肅南部；高值區(qū)位于青海西北部，河西走廊西端。

2.6 西北東部年及四季降水量的突變分析

圖6給出1961—2010年西北地區(qū)東部年及季節(jié)降水量變化的M-K統(tǒng)計量曲線，年降水量（見圖6a）、春季降水量（見圖6b）在1990—2010年期間呈下降趨勢。但降水量未發(fā)生突變。夏季降水量（見圖6c）在1978—2010年初UF曲線大于0，說明夏季降水量一直處于上升趨勢，但變化趨勢不顯著。秋季降水量（見圖6d），按照M-K法則，在±1.96信度間UF和UB有5個交點，分別是1963年、1967年、1968年、1969年、1975年，從突變統(tǒng)計量來看，UF曲線在1990—2007年突變統(tǒng)計量超過了下臨界值，可以判斷秋季降水量在1961—2010年發(fā)生了突變，判斷可能的突變點是1975年。同理冬季降水量（見圖6e）按照M-K法則，在±1.96信度間UF和UB有4個交點，分別是1972年、1983年、1984年、1986年，UF曲線在1978—1980年、1993—1998年、2002—2010年突變統(tǒng)計量達到或超過了臨界值，可以判定冬季降水量在1961—2010年發(fā)生了突變，判斷可能的突變點是1986年。

圖4 1961—2010年西北東部夏季降水量及趨勢與相關(guān)系數(shù)及相對變率

圖5 1961—2010年西北東部秋季降水量及趨勢與相關(guān)系數(shù)及相對變率

圖6 西北地區(qū)東部的年、四季降水量的突變分析

3 結(jié)論與討論

（1）從降水量空間分布看，年及季節(jié)降水量等值線自西北向東南增加，最大值在西北地區(qū)東南部，最小值在青海西部—甘肅中西部—寧夏北部。除冬季外，均出現(xiàn)干濕舌，但位于甘肅中部的干舌在春季明顯北移。

（2）從降水量趨勢分布空間看，在景泰—貴德—清水河的0線以東年降水量為減少趨勢，其中陜西東部邊界附近、甘肅岷縣—臨洮—華家?guī)X及寧夏固原一帶趨勢顯著，0線以西為增加趨勢，最大增加顯著區(qū)在德令哈—都蘭—托勒區(qū)域；冬季降水量（除個別站點外）均為增加趨勢；春季降水量顯著增加區(qū)位于青海中東部、西南部、西部，顯著減少區(qū)位于陜西中東部邊界一帶、西南部和南部。夏季降水量青海南部、河西走廊西端和甘肅東南部、寧夏大部、陜西北部和西南部的部分區(qū)域為減少趨勢，顯著減少區(qū)在河西走廊西端，顯著增加區(qū)在青海中西部、北部、陜西南部。秋季降水量青海西北部、甘肅西部增加顯著，顯著減少區(qū)在陜西南部、寧夏中南部及甘肅東南部。

（3）從相對變率空間變化看，低值區(qū)大部分在祁連山區(qū)及青海南部，高值區(qū)在青海西北部、河西走廊西端。季節(jié)降水量的相對變率與年降水量的相對變率相似。

（4）從突變分析看，秋季降水量在1961—2010年發(fā)生了突變，判斷可能的突變點是1975年，冬季降水量也發(fā)生了突變，判斷可能的突變點是1986年。降水量的這種突變可能與氣候變暖有關(guān)，20世紀70年代中期開始秋季氣溫呈增加趨勢，而20世紀80年代中期秋冬季氣溫顯著突變，與降水的突變時間大致吻合[22-23]

從以上分析看，年降水量的顯著減少區(qū)，也是多數(shù)貧困人口生活的區(qū)域，降水量減少造成的氣象干旱導(dǎo)致貧困地區(qū)生存資本存量減少，政府部門應(yīng)順應(yīng)氣候變化，重視氣候變化導(dǎo)致的氣候貧困，積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快氣候移民工程。

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Precipitation Change in Eastern Part of Northwest China:Spatial Distribution and Mutation Characteristics

Zhang Zhongjie,Chen Shaoyong,Yang Xin,Li Qisan
(Baiyin Meteorological Bureau of Gansu Province,Baiyin 730900,Gansu,China)

To understand the variation characteristics of precipitation in the eastern part of northwest China,and to provide a theoretical basis for the implementation of poverty alleviation strategies in response to climate poverty,based on the precipitation data of 81 stations in eastern part of northwest China from 1961 to 2010,the authors analyzed the variation characteristics of precipitation in the area by using the climate trends,correlation coefficient,relative variability,Mann-Kendall and other methods.The results showed that:in recent 50 years,the annual precipitation significantly reduced in the eastern border of Shaanxi,Minxian-Lintao-Huajialing in Gansu and Guyuan in Ningxia,and the increased area was located in Delingha-Dulan-Tuole;the precipitation in spring significantly reduced in the middle,east and south of Shaanxi,the increased area was located in the middle,west and southwest of Qinghai;the precipitation in summer significantly reduced in western Hexi corridor,the increased area was located in the middle,west and north of Qinghai and southern Shaanxi;the precipitation in autumn significantly reduced in southern Shaanxi,the middle and south of Ningxia,southeastern Gansu,the increased area was located in northwestern Qinghai and western Gansu;the precipitation in winter was increasing(excepted for individual sites);the relative variability of seasonal precipitation was similar to that of the annual precipitation,the high value area was in northwestern Qinghai,the western Hexi corridor,and the low value area was in Qilian Mountains,southern Qinghai and southern Shaanxi;the precipitation in autumn and winter had mutations in the 50 years,the possible points of mutationwere determined in 1975 and 1986.

Perception Trend;Relative Variability;Mutation;Eastern Part of Northwest China

P468.0+24

A論文編號：cjas17040009

“國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助”(2013CB430200、2013CB430206)；白銀市科技計劃項目“白銀市主要農(nóng)作物春霜凍害指標(biāo)體系及預(yù)報預(yù)警方法研究”(2015-2-30R)。

張仲杰，男，1978年出生，甘肅會寧人，工程師，本科，碩士學(xué)位，主要從事氣象服務(wù)及相關(guān)研究。通信地址：730900甘肅省景泰縣氣象局，Tel：0943-5526174，E-mail：2454229048@qq.com。

2017-04-11，

2017-06-28。