1960—2017年河西地區降水時空變化特征

王秀娜， 丁永建，3， 王 建， 趙傳成

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院內陸河流域生態水文重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；4.鹽城師范學院城市與規劃學院，江蘇鹽城224002；5.蘭州城市學院地理與環境工程學院，甘肅蘭州730070）

0 引言

全球氣候變化和頻繁的人類活動對全球水文循環產生了深遠的影響［1-2］，而干旱地區作為全球氣候變暖響應最敏感的地區之一，水循環和生態系統受到的影響更為顯著［3-5］。降水是全球水循環的基本組成部分［6］，也是氣候和水文研究最為重要的輸入變量之一，對于干旱、半干旱地區而言，降水的變化直接關系到地表徑流和區域干濕狀況的變化［7-9］。中國西北地區當前正處于由暖干向暖濕轉型的階段，且全區根據轉型趨勢的不同分為顯著轉型區、輕度轉型區和未轉型區三種類型［10］，祁連山及其北側中西段地區為顯著轉型區，而甘肅、青海邊緣戈壁荒漠地區屬于輕度轉型地區，且將來可能會有所變化［11-12］。

現階段已經廣泛展開不同區域降水總量時空變化的研究工作，青藏高原東部、南部地區降水線性增長率顯著高于區內其他區域，站點則表現為不同程度的下降趨勢，年際變率介于5.90～26.59 mm·（10a）-1［13-14］；新疆和田地區小、中降水量和降水日數的增加是降水年際增加的主要原因［15］；河西地區降水量、極端降水事件和徑流量變化趨勢在空間上表現出顯著的東西差異和南北差異，東部地區降水量變化最為顯著，增幅在20 mm·（10a）-1以上［16-20］，差異的形成主要受海拔和下墊面影響。河西地區處于亞洲夏季風與西風帶之間的氣候過渡地帶［21］，年均蒸發量可達2 000～3 000 mm以上，氣候非常干燥，水資源極為珍貴，生態環境脆弱，土地承載力非常有限［22-24］，針對降水日特別是不同級別降水日數及強度的變化的研究相對薄弱。本研究利用河西地區18個國家基本氣象站1960—2017年逐日降水數據，綜合分析了區內多年降水時空變化特征及不同量級降水日數及降水強度的變化趨勢，有助于深入了解和掌握河西地區降水變化特征，為區域更合理的利用水資源及制定防災減災政策提供參考。

1 研究區概況

本文研究區域包含河西三大內陸河流域（36.8°～43.0°N、92.9°～104.5°E），文中稱河西地區，由疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域三個內陸河流域組成，巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠也位于區內，區域面積31.72×104km2。研究區深處亞歐大陸腹地，位于青藏高原東北邊緣下行地帶（圖1），由于自然條件惡劣，區內國家氣象站非常稀少（約0.63個氣象站/10 000 km2），且分布極不均勻，多數氣象站集中在海拔1 000～2 000 m的綠洲區。研究區氣候以干旱大陸性氣候為主，年平均氣溫5～9℃，降水稀少，時空分布極不均勻，已有研究表明4—9月降水量約占全年降水量90%［25］，空間上表現出隨海拔從南部山區到北部荒漠地帶以及隨經度由東南到西北逐漸減少的變化趨勢。

圖1 河西地區氣象站及地形分布Fig.1 Geographical location of the Hexi region along with the spatial distribution of meteorological stations

2 數據來源與預處理

研究數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）地面氣候資料日值數據集（V3.0），選取河西地區18個氣象站1960—2017年逐日降水資料，氣象站點空間分布見圖1，基本信息見表1。中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）包含中國824個基本氣象站1951年1月以來的氣象數據，數據均經過國家氣象信息中心質量控制［26-27］。

表1 河西地區氣象站點基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Hexi region

數據集中日降水數據記錄的是北京時間前一天20：00至當日20：00之間的總降水量，將日降水量大于等于0.1 mm統計為降水日，降雪等固體降水轉化為液體降水統計，參考全國、甘肅省降水分級標準［28］，將研究區日降水數據劃分為6個等級：零星小雨（0.1 mm≤日降水＜1 mm）、小雨（1 mm≤日降水＜5 mm）、小到中雨（5 mm≤日降水＜10 mm）、中雨（10 mm≤日降水＜25 mm）、大雨（25 mm≤日降水＜50 mm）、暴雨（日降水≥50 mm）。本研究季節劃分標準：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月。

研究中采用線性傾向趨勢分析評價降水的變化趨勢。

式中：yi為第i年的觀測值；xi為年份序列號；回歸系數b和常數a通過最小二乘法估算。回歸系數b的正負號表示降水的趨勢傾向，若b大于0（小于0），說明隨時間x的增加y呈上升趨勢（下降趨勢）；b×10稱為氣候傾向率，單位為某要素單位·（10a）-1。

為消除降水數據的隨機波動，采用5年趨勢滑動和10年趨勢滑動方法求得降水新序列，然后再計算其傾向趨勢。其中5年趨勢滑動采用式（2），10年趨勢滑動采用式（3）。

式中：y'i為第i個新序列值；yi為原序列值。對于新序列兩段數據采取彈性滑動窗口，比如5年趨勢滑動中第1個值，采用1～3年平均值；第2個值，采用1～4年平均值；第3個為正常5年滑動平均。

在計算區域平均降水參數時，考慮到氣象站在空間分布上的不均勻性，為更精確描述各參數值，引入泰森多邊形法進行計算［29-30］。泰森多邊形通過ArcGIS軟件（Analysis ToolsProximityCreate Thiessen Polygons）實現，河西地區各站點泰森多邊形控制面積及其權重見表1。降水強度是用來描述一定時期內降水量的指標，通過總降水量除以總降水日數求得，單位為mm·d-1。

3 結果與討論

3.1 降水特征

根據河西地區1960—2017年逐日降水資料，計算得到各站點多年平均降水量34.8～393.1 mm；根據泰森多邊形法計算得到區域多年平均降水量99.0 mm。區內南部高海拔山區的祁連、托勒、野牛溝和烏鞘嶺站降水量相對較高，多年平均降水量介于265.0～393.1 mm，其中祁連站年降水量最高；最北部站點額濟納旗降水量最低，多年平均降水量僅為34.8 mm，約為祁連站的8.9%。區內降水空間差異性顯著，南部山區降水量顯著高于北部戈壁荒漠區，總體表現為降水量從東南向西北的遞減特征［圖2（a）］。對比圖2（a）和（b），河西地區各站點多年平均降水量與氣候傾向率顯示出較為一致的空間分布規律：在多年平均降水量高的站點，降水增加趨勢顯著，氣候傾向率相對較高；二者的相關系數為0.8601，通過0.01顯著性水平檢驗。

通過逐年趨勢、5年趨勢滑動和10年趨勢滑動，對河西地區年平均降水量進行線性傾向分析。結果表明，河西地區年降水量逐年趨勢、5年趨勢滑動和10年趨勢滑動的相關系數分別為0.6711、0.9225和0.9615，10年趨勢滑動的相關系數最高，結果均通過0.01顯著性水平檢驗，三者b值的變化在5%以內［圖3（a）］。即河西地區年平均降水量呈現明顯的上升趨勢，10年趨勢滑動求得年平均降水量的氣候傾向率為8.72 mm·（10a）-1。本研究得到的氣候傾向率基本與林婧婧等［31］計算的河西走廊20世紀80年代中期以來降水量增加趨勢8.10 mm·（10a）-1吻合。以10年滑動降水變化趨勢為例，說明河西地區各站點年降水量變化趨勢［圖2（b）］：各站點年降水量線性傾向趨勢不盡一致，僅有位于最北端的額濟納旗年降水量無變化趨勢，西北的馬鬃山年降水量呈逐年減少的趨勢，氣候傾向率為-2.02 mm·（10a）-1；其他各站點均表現為逐年增加的趨勢，氣候傾向率介于2.04～49.75 mm·（10a）-1，其中，野牛溝降水增加趨勢最顯著，為49.75 mm·（10a）-1，其次為托勒、烏鞘嶺和祁連，分別為41.93 mm·（10a）-1、38.80 mm·（10a）-1和24.20 mm·（10a）-1。總體來說，河西地區南部山區降水表現為較顯著的增加趨勢，山區向戈壁荒漠的過渡區降水量也呈現增加趨勢，北部荒漠區降水變化不明顯或為減少趨勢。

圖2 1960—2017年河西地區多年平均降水量及氣候傾向率空間分布Fig.2 Spatial distribution of average annual precipitation and its variability in the Hexi region during 1960—2017

圖3 1960—2017年河西地區降水變化Fig.3 Annual variations of precipitation in the Hexi region during 1960—2017

河西地區多年平均月降水量呈現單峰分布，降水量從5月開始顯著增加，7月達到峰值，10月后顯著下降，12月至次年2月降水稀少（圖4）。5—10月夏秋汛期降水量占年降水量89.2%，冬季降水較少，僅占年降水量的3.1%。研究區大部分站點多年平均月降水量最大值出現在7月，僅有武威、民勤兩站出現在8月。河西地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，夏季降水主要受侵入本地的夏季風和西風帶影響，帶來大量水汽，通常在7月水汽通量達到峰值，隨后便開始下降。

圖4 河西地區月平均降水量Fig.4 Average monthly precipitation in the Hexi region

河西地區各季節降水量均呈現顯著上升趨勢，但春季和秋季的降水日數顯著增加，降水強度無明顯變化；夏季降水日數無明顯變化，降水強度顯著增加，冬季降水日數和降水強度均顯著增加（表2）。

表2 1960—2017年河西地區各季節降水年際變化趨勢Table 2 Interannual variation trend of seasonal precipitation in the Hexi region during 1960—2017

3.2 降水日數總體分布

根據1960—2017年逐日降水資料，河西地區多年平均降水日數36.7天，平均降水強度2.70 mm·d-1。其中零星小雨日數17.3天，占降水總日數的47.1%；其次為小雨，平均降水日數為13.3天，占降水總日數的36.2%；小到中雨降水日數為4.0天，占比10.9%；中雨2.0天，占比5.4%；大雨及以上降水占比0.5%；小于5 mm降水日數約占總降水日數的

83.3%。

對河西地區平均降水日數進行逐年、5年趨勢滑動和10年趨勢滑動線性傾向分析。結果表明，逐年、5年趨勢滑動和10年趨勢滑動相關系數分別為0.7315、0.8669和0.8833，均通過0.01顯著性水平檢驗［圖3（b）］。河西地區平均降水日數呈現明顯的上升趨勢，10年趨勢滑動求得年平均降水日數的增幅為3.18 d·（10a）-1。

同樣對河西地區平均降水強度進行線性傾向分析。結果表明，逐年線性傾向分析結果不能通過0.1顯著性水平檢驗，5年趨勢滑動分析結果僅能通過0.05顯著性水平檢驗，10年趨勢滑動分析結果能通過0.01顯著性水平檢驗［圖3（c）］。河西地區平均降水強度呈現減弱趨勢，10年趨勢滑動求得平均降水強度的變化速率為-0.04 mm·d-1·（10a）-1。

河西地區多年平均降水量與各級別平均降水日數均呈現顯著性相關，且通過0.01顯著性水平檢驗。其中，多年平均降水量與中雨級別的降水日數相關性最高，相關系數為0.9953，其次是小雨降水日數，相關系數為0.9898，再次為小到中雨降水日數，相關系數為0.9881，大雨及以上降水日數相關系數為0.8699。雖然中雨降水日數僅占全年降水日數的5.4%，但與全年降水量的相關性最大，貢獻最強，影響最大。其次小雨降水日數占全年降水日數36.1%，對全年降水量的貢獻也較高。雖然區域內發生大雨及以上級別降水日數少，但因高強度降水事件極易引發洪水、滑坡等次生災害，也應引起足夠重視。

河西地區降水日數空間分布總體表現為以托勒至張掖一線為界，東南多、西北少的特征（圖5）。西北部零星小雨、小雨級別降水日數普遍較低，額濟納旗、敦煌和瓜州小雨級別降水日數年均小于8.1天，東南部民勤站零星小雨、小雨級別降水日數也明顯少于周邊地區，西北部馬鬃山零星小雨級別降水日數明顯偏多；小到中雨、中雨級別降水日數以酒泉—金塔—鼎新一線，西北部的大部分地區年均不足1.0天，東南地區年均高于2.0天，相較于東南地區的其他站點，武威、民勤中雨級別降水日數明顯偏低，年均少于臨近地區1.0天；大雨及以上級別降水日數空間分布以托勒至張掖一線為界，東南部大雨降水日數明顯高于全區平均，西北部大雨降水日數明顯偏低。

圖5 1960—2017年河西地區年均降水強度及不同級別的年均降水日數空間分布Fig.5 Spatial distribution of average precipitation intensity and different level rain days in the Hexi region during 1960—2017

與降水量年內分布特征相似，河西地區各站點不同級別降水日數也表現出顯著的季節變化特征。圖6為根據1960—2017年逐日降水資料分季節統計的河西地區各站點不同級別降水日數分布圖。結果顯示河西地區各站點降水日主要集中在夏季，約占總降水日數的54.6%；春季與秋季降水日數接近，但是中雨及以上降水日秋季高于春季；冬季降水量最少，以零星小雨、小雨量級的降雪為主，沒有中雨及以上量級的降雪。

圖6 1960—2017年河西地區分季節統計的各站點不同級別降水日數分布Fig.6 Seasonal distribution of different level rain days in the Hexi region during 1960—2017

3.3 不同級別降水日數及平均降水強度線性傾向

（1）零星小雨

各站點零星小雨級別降水日數均呈現出增加趨勢，10年趨勢滑動增幅為0.6～9.7 d·（10a）-1，區域平均增幅為1.70 d·（10a）-1，空間分布呈現東南部站點增幅大，西北部站點增幅較小的特征，其中烏鞘嶺增長趨勢最明顯，增幅為9.7 d·（10a）-1，其次為野牛溝，增幅為5.1 d·（10a）-1，額濟納旗增長趨勢最弱，增幅為0.6 d·（10a）-1。在零星小雨級別平均降水強度10年趨勢滑動分析中，除高臺、托勒和民勤沒有表現出明顯的傾向性外，其余站點均表現出較強線性傾向性，均可通過0.05顯著性水平檢驗；部分站點零星小雨平均降水強度下降，降幅為每百年0.02～0.10 mm·d-1，部分站點零星小雨降水強度增強，增幅為每百年0.03～0.08 mm·d-1，區內零星小雨級別平均降水強度整體表現為下降趨勢，降幅為每百年0.02 mm·d-1（圖7）。

圖7 1960—2017年河西地區零星小雨年降水日數及年均降水強度傾向率空間分布Fig.7 Spatial distribution of average annual sporadic light rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（2）小雨

各站點小雨降水日數呈現出明顯的增加趨勢，10年趨勢滑動增幅為0.3～5.3 d·（10a）-1，區域平均增幅為1.13 d·（10a）-1。在小雨級別平均降水強度10年趨勢滑動分析中，瓜州、玉門鎮、山丹、永昌四站沒有顯著的變化趨勢，其他站點均表現出顯著的線性傾向性，通過0.05顯著性水平檢驗，大部分站點小雨級別平均降水強度表現出逐年下降的趨勢，降幅為每百年0.16～0.94 mm·d-1，僅有鼎新、民勤和金塔表現出逐年增強的趨勢，增幅分別為每百年0.50 mm·d-1、0.28 mm·d-1和0.16 mm·d-1，區內小雨級別平均降水強度整體表現為下降趨勢，降幅為每百年0.21 mm·d-1（圖8）。

圖8 1960—2017年河西地區小雨年降水日數及年均降水強度傾向率空間分布Fig.8 Spatial distribution of average annual light rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（3）小到中雨

小到中雨降水日數10年趨勢滑動分析中，僅民勤沒有顯著的變化趨勢，其他站點均表現出顯著的線性傾向性，通過0.1顯著性水平檢驗，其中，額濟納旗、馬鬃山、瓜州和鼎新小到中雨降水日數呈現減少趨勢，降幅為0.04～0.19 d·（10a）-1，其他站點的小到中雨降水日數呈現增長趨勢，增幅為0.01～1.68 d·（10a）-1，區域內總體呈現增加趨勢，平均增幅為0.16 d·（10a）-1。在小到中雨平均降水強度10年趨勢滑動分析中，鼎新、野牛溝、山丹、烏鞘嶺有逐年降低趨勢，降幅為每百年0.19～0.80 mm·d-1，酒泉、高臺、托勒、永昌、武威和民勤為增強趨勢，增幅為每百年0.11～1.00 mm·d-1，區內小到中雨級別平均降水強度整體表現為上升趨勢，升幅為每百年0.07 mm·d-1（圖9）。

圖9 1960—2017年河西地區小到中雨年降水日數及年均降水強度傾向率空間分布Fig.9 Spatial distribution of average annual light to moderate rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（4）中雨及以上

河西地區發生中雨及以上級別降水事件次數較少，大部分站點年均不足1次，在分析降水日數隨時間變化中為無效數據，故在中雨分析中選擇年均中雨強度降水日數4天及以上的站點，不再分析大雨及以上降水隨時間變化特征。中雨強度降水日數年均4天及以上的站點僅有6個，為托勒、野牛溝、祁連、山丹、永昌和烏鞘嶺。

在中雨級別降水日數10年滑動分析中（表3），6站均表現出顯著增加趨勢，增幅0.01～1.23 d·（10a）-1，其中山丹通過0.05顯著性水平檢驗，其他5站均能通過0.01顯著性水平檢驗。在中雨級別平均降水強度10年趨勢滑動分析中，托勒和祁連表現出顯著的增強趨勢，增幅分別為每百年2.34 mm·d-1和2.36 mm·d-1；永昌和烏鞘嶺為顯著下降趨勢，降幅分別為每百年1.22 mm·d-1和0.88 mm·d-1，均能通過0.01顯著性水平檢驗，野牛溝和山丹無明顯變化趨勢。

表3 1960—2017年河西地區中雨年際變化趨勢Table 3 Interannual variation trend of moderate rain in the Hexi region during 1960—2017

上述分析結果顯示，河西地區平均降水強度變化速率為-0.04 mm·d-1·（10a）-1，而零星小雨和小雨級別平均降水強度的變化速率分別為-0.002 mm·d-1·（10a）-1和-0.021 mm·d-1·（10a）-1，小到中雨級別平均降水強度變化速率為0.007 mm·d-1·（10a）-1，可以推測中雨及以上級別降水的平均降水強度呈現下降趨勢。

4 結論

通過分析河西地區1960—2017年降水量、降水日數、平均降水強度的年際變化、年內分布及不同級別降水降日數及降水強度的變化趨勢，初步得到河西地區降水變化特征：

（1）河西地區多年平均降水量為99.0 mm，呈現明顯上升趨勢，平均傾向率為8.72 mm·（10a）-1，二者顯著相關。各站點多年平均降水量34.8～393.1 mm，南部山區降水量顯著高于北部戈壁荒漠區。多年平均月降水量為單峰分布，5—10月夏秋汛期降水量占年降水量89.2%，各季節降水量均呈現顯著上升趨勢。

（2）區內平均降水日數為36.7天，呈現明顯的上升趨勢，增幅為3.18 d·（10a）-1。各站點降水日數空間分布表現為以托勒至張掖一線為界，東南多、西北少的特征，降水日主要集中在夏季，約占總降水日數的54.6%。平均降水強度2.70 mm·d-1，呈現減弱趨勢，變化速率為-0.04 mm·d-1·（10a）-1。

（3）零星小雨和小雨降水日數均呈現增加趨勢，增幅分別為1.70 d·（10a）-1和1.13 d·（10a）-1，二者平均降水強度均為下降趨勢，降幅為每百年0.02 mm·d-1和0.21 mm·d-1。小到中雨級別降水日數和降水強度呈現增加趨勢，降水日數增幅為0.16 d·（10a）-1，平均降水強度升幅為每百年0.07 mm·d-1。河西地區發生中雨及以上的降水事件較少，大部分站點年均不足1次，降水日數長期變化趨勢不明顯，綜合分析得知中雨及以上級別降水的平均降水強度呈現下降趨勢。