甘肅農牧交錯帶1971—2019年降水量變化研究

逯玉蘭， 李 廣， 閆麗娟， 董莉霞， 李 杰， 聶志剛， 王 鈞

(1.甘肅農業大學信息科學技術學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅農業大學林學院， 甘肅 蘭州 730070； 3. 甘肅農業大學農學院， 甘肅 蘭州 730070)

全球氣候變化造成極端洪澇、干旱等天氣頻發，導致環境和生態惡化，進而影響社會經濟、農牧業生產和可持續發展[1-3]。北方農牧交錯帶是生態系統最為脆弱和生態環境最為嚴酷的地區，屬于干旱、半干旱地區，半農、半牧生態過渡區，也是全球氣候變化反應最為敏感的地區之一[4-6]。一方面，北方農牧交錯帶抗干擾能力弱，生態系統很容易發生演變；另一方面，其對環境因素的改變反應靈敏，但維持自然穩定的可塑性較小[7]。有學者研究發現，氣溫和降水量變化是導致農牧交錯帶環境變化的重要因素[8]，而且自然降水是該區域農牧業生產供水的主要來源，降水量變化對該區域的農牧業結構有著顯著的影響[9]。因此，深入研究北方農牧交錯帶長時間序列降水量變化的特征對北方農牧交錯帶生態建設及農牧業發展具有非常重要的現實意義。

近年來，北方農牧交錯帶的氣候要素變化深受國內外學者的關注，許多專家學者從不同角度出發對北方農牧交錯帶的氣候變化做了大量研究。劉瞳等[10]研究了1956—2009年北方農牧交錯帶中部地區降水量變化過程及其持續性特征，結果表明研究區54年間降水量呈劇烈波動態勢，全年降水量呈下降趨勢，夏季降水與年降水變化趨勢一致，春季降水呈略微增加趨勢；趙威等[11]基于中國氣象局1964—2013年溫度和降水量格點數據，分析了北方農牧交錯帶近50年的溫度和降水量變化特征，研究表明近50年研究區年降水量略有減少，夏季減少最多，西區、中區與東區南段年降水量呈減少趨勢，而東區北段年降水量主要由于春季降水的增加導致全年降水增加；杜華明等[5]利用反距離加權空間插值法和線性回歸法對北方農牧交錯帶1961—2012年的降水量氣候要素的時間演變特征進行了分析，并采用Morlet小波變化法分析了該地區的干旱狀況，結果顯示北方農牧交錯帶近52年來降水量減少速度為7.35 mm·(10a)-1，西北段干旱災害發生頻率最高，干旱災害的主周期為7 a和8 a；曾晟軒等[12]研究了西北農牧交錯帶中部近60年溫度和降水量在年和季節尺度的變化趨勢及其持續性特征，研究表明溫度呈增加趨勢和較強的持續性特征，年降水量總體呈微弱減少趨勢和反持續性特征，各季節降水變化趨勢不一致。北方農牧交錯帶東西跨度大，東西區域氣候變化差異大[13-14]，而上述研究主要側重于整個北方農牧交錯帶大區域氣候變化研究，且多以趨勢性研究為主，對各月間、季節性、周期性及突變特征等缺乏較為深入細致地研究和分析。目前，對甘肅農牧交錯帶降水量的多時間尺度時空變化規律的研究少有涉及。因此，本文選取甘肅農牧交錯帶30個氣象站點1971—2019年的觀測數據，運用線性傾向率、Mann-Kendall突變檢驗法和小波分析法詳細分析甘肅農牧交錯帶不同時段降水量的時空變化規律、突變特征和周期特征，以期為調整研究區農牧業生產管理方式、改善生態環境、合理開發水資源提供科學基礎。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本文研究區范圍是參考陳全功等[15]所劃分的范圍，包括甘肅農牧交錯帶范圍內30個氣象站點(圖1)。30個氣象站點1971—2019年的降水量觀測數據由甘肅省氣象局提供，個別異常值和缺失值用插值法確定。

1.2 數據的處理

根據甘肅農牧交錯帶30個氣象站點1971—2019年歷年逐日降水量數據計算出月平均、季平均和年平均降水量。采用一元線性回歸模型擬合方法對年、季、月降水量的線性變化趨勢進行分析，用氣候傾向率表征降水量變化程度；用ArcGIS軟件對年降水量空間分布進行分析；用Mann-Kendall突變檢驗法對降水量進行突變檢驗；運用小波分析法分析降水量的多時間尺度變化。文中3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。

1.3 數據的分析方法

(1)氣候傾向率

本文采用氣候傾向率法分析甘肅農牧交錯帶降水量的長期變化趨勢。一般來講，氣溫和降水量的氣候趨勢用一次直線方程來定量描述，即：

y(t)=a0+a1t

(1)

上式中，t為時間，單位為a；a1用最小二乘法確定，a1×10(即10年)稱作氣候傾向率。

(2)Mann-Kendall突變檢驗方法

本文采用Mann-Kendall突變檢驗法對降水量變化進行突變檢驗，此方法最初是由Mann和Kendall提出，被世界氣象組織推薦的廣泛應用于水質、氣溫、徑流和降水量等氣象要素時間序列的趨勢分析及突變檢驗的非參數突變檢驗統計方法。原理如下:

圖1 甘肅省境內農牧交錯帶氣象站點分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in agro-pastoral ecotone of Gansu Province

對于一個含有n個樣本的時間序列x，構造一個秩序列：

(2)

其中

(3)

定義統計量：

(4)

UFk是按時間序列X的順序(x1,x2,…,xn)計算出的統計量序列。

再按X的逆序(xn,xn-1,…,x1)重復上述計算，并且令

(5)

若UFk的值小于0，表明序列呈下降趨勢；否則，序列呈上升趨勢。若UFk曲線超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。將UFk和UBk兩條曲線的交點稱為突變點。

(3)小波分析法

本研究采用小波分析法對研究區的降水量進行周期檢驗。小波分析法可以準確地揭示時間序列中瞬時頻率結構隨時間的變化，適用于分析系統的多時間尺度變化[16]。利用小波分析法分析時間序列變化的局部特征，能更清楚地獲得周期結果和突變規律。

2 結果與分析

2.1 降水量變化特征分析

2.1.1年降水量變化特征分析 圖2為甘肅農牧交錯帶近49 a年降水量隨時間變化的曲線。近49 a內，研究區平均年降水量為442.24 mm，各年間降水量波動強烈，但年降水量總體呈現增加趨勢，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，49 a增加了26.43 mm。

從圖3研究區近49 a年降水量距平變化可以看出，不同時期的年降水量有顯著差異：1971—1979年為平水年時期，年降水量正距平年份占66.67%，年降水量增加幅度相對較大，年降水量波動劇烈年份處于此時期內；1980—2002年為持續時間較長的干旱期，年降水量正距平年份僅占34.78%，年降水量呈現減少趨勢；2003—2019年為濕潤期，且近49 a年降水量最大值出現在此時期內。

圖2 研究區1971-2019年平均降水量變化Fig.2 The trend of annual mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

圖3 研究區1971—2019年降水量距平變化Fig.3 Annual precipitation anomaly changes from 1971 to 2019

2.1.2季節降水量變化特征分析 通過對4季平

均降水量回歸分析發現(圖4)，只有夏季降水量呈減少趨勢，以—0.54 mm·(10a)-1的速率減少，其他3個季節的降水量均呈增加趨勢，春季、秋季、冬季降水量傾向率分別為1.95 mm·(10a)-1,2.17 mm·(10a)-1,0.74 mm·(10a)-1，其中秋季的增加幅度最大，49 a降水量增加了10.61 mm。春季平均降水量為93.22 mm；夏季降水量雖然呈減少趨勢，但為一年中降水量最多的季節，為237.10 mm；秋季降水量與春季相當，為101.29 mm；冬季降水量最少，僅為9.74 mm。相關分析表明，年平均降水量與夏季降水量相關性最大，相關系數為0.83；與秋季的相關性次之，相關系數為0.44；與春季降水量的相關系數為0.29；與冬季降水量的相關性最小，僅為—0.07。

從各季節距平(表1)來看，春季降水量呈波動式增加趨勢，20世紀70年代、90年代和21世紀00年代為負距平，20世紀80年代和21世紀10年代為正距平，特別是進入10年代后降水量顯著增加；夏季降水量呈劇烈波動式減少趨勢，20世紀70,90年代和21世紀10年代為正距平，20世紀80年代和21世紀00年代為負距平，尤其是21世紀00年代降水量減少特別明顯；秋季，在20世紀80—90年代為負距平，70年代和21世紀以來為正距平，說明進入21世紀后秋季降水量顯著增加；冬季在20世紀90年代以前為負距平，90年代以來為正距平，說明1990年以來冬季降水量呈增加趨勢。

圖4 研究區1971—2019季節平均降水量變化Fig.4 The trend of seasonal mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

表1 研究區1971—2019季節平均降水量距平的年代際變化Table 1 Decadal variations of seasonal mean precipitation anomalies in the study area during 1971—2019

2.1.3月降水量變化特征分析 由圖5研究區月平均降水量變化趨勢圖可知，3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量都呈增加趨勢，全年降水量的增加主要集中在4,5,7,9和10月。春季是甘肅農牧交錯帶作物生長發育的關鍵時期，春季的降水量直接決定著作物的產量。近49 a內，研究區春季各月份降水量的變化不一致，其中3月份降水量呈平穩地減少趨勢，減少傾向率為—0.49 mm·(10a)-1；4月平均降水量為27.08 mm，降水量呈波動式增加趨勢，以0.96 mm·(10a)-1的速率增加；5月是全年中降水量增加最明顯的月份，增加速率為1.48 mm·(10a)-1。夏季也是作物生長最關鍵的時期之一，夏季降水量對全年降水量貢獻最大。近49 a內，夏季各月份中，6月降水量微增，各年間變化比較平穩；7月降水量為87.43 mm，以0.98 mm·(10a)-1的速率呈波動式增加趨勢；8月降水量全年最高，為88.24 mm，但呈明顯地減少趨勢，減少幅度為1.81 mm·(10a)-1，70年代波動性很大，進入80年代后變化趨于平穩。近49 a內，秋季各月份的降水量均呈不同程度的增加趨勢，9月和10月的降水量增加顯著，增加速率分別為1.22 mm·(10a)-1和1.05 mm·(10a)-1，但年際波動性很強；11月的降水量以0.055 mm·(10a)-1的速率緩慢增加。冬季各月份降水量雖少但總體均呈微弱地增加趨勢，12，1，2月平均降水量分別以0.029 mm·(10a)-1，0.27 mm·(10a)-1，0.49 mm·(10a)-1的速率增加，2月份年際波動很大，12月份年際波動較小。

圖5 研究區1971—2019月平均降水量變化Fig.5 The trend of monthly mean precipitation from 1971 to 2019

2.2 降水量的空間分布規律

從1971—2019年的年降水量的空間分布來看，甘肅農牧交錯帶年降水量具有明顯的區域差異(圖6 a)。南部的年降水量偏多，碌曲、和政2個站點的年降水量達600 mm，遠高于全區的平均值，迭部、岷縣、卓尼3個站點的年降水量也在545 mm以上。中部的年降水量稍多，相當于全區平均年降水量。北部的年降水量明顯較少，各個站點的年降水量都低于全區平均年降水量，其中景泰、白銀、靖遠3個站點的年降水量僅為200 mm左右。而年降水量變化速率呈現出自南向北逐步遞增的趨勢(圖6 b)。部分南部和中部站點年降水量呈明顯地減少趨勢，其中臨洮、迭部、會寧3個站點的年降水量減少傾向率都在—10.0 mm·(10a)-1以下。大部分中部地區的年降水量變化率跟全區年降水量的變化速率(5.39 mm·(10a)-1)基本一致。北部年降水量呈明顯地增加趨勢，各站點年降水量的增加傾向率都高于全區的平均值5.39 mm·(10a)-1，其中環縣、永登、天祝3個站點的年降水量增速很大，分別為全區年降水量增速的3.53,3.02和2.91倍，環縣的降水量49 a增加了94 mm。

圖6 研究區1971—2019年降水量的空間分布規律圖Fig. 6 Spatial distribution of precipitation from 1971 to 2019

2.3 降水量的突變檢驗

2.3.1年降水量突變檢驗 利用Mann-Kendall突變檢驗法對甘肅農牧交錯帶1971—2019年的年降水量進行趨勢和突變分析(圖7)。1973—1994年UF統計值大于0，但統計值未達到α=0.05顯著性水平，說明此時段內年降水量呈增加趨勢，但并不顯著；1995—2017年UF統計曲線在零界線以下，也未超過95%的臨界線范圍，表明此階段年降水量下降趨勢不明顯；2018—2019年年降水量呈上升趨勢，但上升趨勢不顯著。根據置信區間內UF和UB的交點位置，可以看出年降水量發生了4次統計意義上的可能性突變，分別發生在1973，1980，1984和2018年。

圖7 年降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 The Mann-Kendall test for annual mean precipitation

2.3.2季節降水量突變檢驗 從研究區季節降水量的突變分析曲線發現(圖8)，4季降水量均發生了突變，但UF統計值均未達到α=0.05顯著性水平，說明4季的變化趨勢均不顯著。春季降水量波動變化，1971—1977年、1985—1995年、1998—1999年、2015—2019年UF統計曲線在零界線以上，表明有25 a降水量出現增加現象，但總體呈“增—減—增—減—增”的變化趨勢，春季降水量發生了6次統計意義上的可能性突變，分別發生在1974，1977，1984，1992，2012和2016年。夏季降水量總體呈“減—增—減”的波動變化趨勢，1975年之前和20世紀00年代后UF統計值小于0，表明此時段內序列呈下降趨勢，1976—2000年UF統計值大于0，說明此階段降水量呈上升趨勢，降水量發生了5次統計意義上的可能性突變，分別發生在1972，1974，1991，1996和2018年。秋季降水量，1987年以前除個別年份有波動外總體呈增加趨勢，1987—2007年呈下降趨勢，2008—2019年呈增加趨勢，突變分別發生在1974，2005和2009年。冬季降水量，1971—1977年呈增加趨勢，1978—1988年呈減少趨勢，從1989年開始逐漸增加，總體呈“增—減—增”的變化趨勢，突變發生在1989和2015年。

圖8 季節降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.8 The Mann-Kendall test for seasonal mean precipitation

2.4 降水量變化的周期分析

采用小波分析法研究甘肅農牧交錯帶1971—2019年不同時間尺度降水量的周期變化特征。由圖9可知，年降水量在變化過程中不存在短震蕩周期信號，其長周期變化因數據系列限制無法分析得到，但可知長周期信號高于32 a。

圖9 年降水量小波變化圖Fig.9 Wavelet variation of annual mean precipitation

3 討論

本研究揭示了1971—2019年甘肅農牧交錯帶年降水量的變化規律，研究發現年降水量在波動變化中總體呈上升趨勢，但不同時期的年降水量有顯著差異：1971—1979年為平水年，1980—2002年為持續時間較長的干旱期，2003—2019年為濕潤期。年降水量在1973，1980，1984和2018年發生了突變，這與方梓行等[17]的研究結論一致。就季節而言，近49 a甘肅農牧交錯帶四季降水量均有突變。其中，夏季降水量呈減少趨勢，其他3個季節的降水量均呈增加趨勢，但變化趨勢均不明顯，這與李敏敏等[18]的研究結論一致。從月份來看，1971—2019年3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量呈增加趨勢，8月降水量最高，7月次之，這與周一敏等[19]的研究結果一致。1980年以后，西北干旱區的水平風場發生了變化，自東西伯利亞來的東北風及貝加爾湖南下的氣流削弱了西風環流，加快了地氣水分循環，導致該區域降水量呈現上升趨勢[20-23]。同時甘肅農牧交錯帶于2000年開始退耕還林還草生態工程[24-26]，這在一定程度上加強了研究區的暖濕化。此外，北方農牧交錯帶降水量變化還與人類活動、全球變暖發生停滯現象和大尺度環流背景變化等有密切的關系[11,27-29]。

1971—2019年甘肅農牧交錯帶年降水量具有較為顯著的區域性特征，各地區降水量變化趨勢不同，具體表現為南多北少，自南向北逐步遞減的空間格局；而年降水量變化率，南部呈明顯地減少趨勢，北部呈明顯地增加趨勢，自南向北逐步遞增，這與趙一飛等[30]研究的黃土高原甘肅區降水具有空間差異性的結果基本一致。地域、下墊面的差異、緯度位置、人口的分布、地形地貌、站點高程等因素嚴重影響各地區能量物質平衡及大氣環流，從而導致各地區間降水量變化差異較大[7,31]。

就甘肅農牧交錯帶而言，氣候變化會嚴重沖擊該地區的的農牧業生產，而降水量則是影響該區域植被結構和功能區域劃分的關鍵因子[32]。該區作為西北重要的生態屏障，具有維持生態平衡、保持水土、保護生物多樣性、涵養水源等諸多功能[33-34]。因此，開展甘肅農牧交錯帶近49 a降水量變化研究，對揭示干旱半干旱區氣候變化區域差異性，改善當地生態環境具有十分重要的意義。研究區必須因地制宜，充分重視氣候資源的開發利用，合理調整農牧業生產格局，促進農牧業可持續發展。

4 結論

通過對甘肅農牧交錯帶1971—2019年降水量的時空變化趨勢、突變特征和周期特征分析研究，得出以下結論：近49 a來，研究區年平均降水量為442.24 mm，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，并分別于1973，1980，1984和2018年發生了突變；就季節而言，夏季降水量最多，但呈微弱減少趨勢，秋季降水量增加最明顯，冬季降水量最少但呈微弱增加趨勢，4季降水量均發生了突變；年內各月降水量變化不一致，3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量均呈增加趨勢，其中5月降水量增加最為明顯；從空間分布來看，研究區年降水量南多北少，自南向北逐步遞減；而降水量變化速率自南向北逐步遞增。