中國西北干旱區(qū)降水時空分布特征

姚俊強(qiáng), 楊 青, 劉志輝,,5,*, 李誠志

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046 2 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046 3 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002 4 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046 5 干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，烏魯木齊 830046

中國西北干旱區(qū)降水時空分布特征

姚俊強(qiáng)1,2, 楊 青3, 劉志輝1,2,4,5,*, 李誠志4

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046 2 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046 3 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002 4 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046 5 干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，烏魯木齊 830046

利用中國西北干旱區(qū)122個氣象站點(diǎn)1961—2011年月降水量資料，運(yùn)用線性趨勢、Mann-Kendall 非參數(shù)趨勢和突變檢驗(yàn)法、Morlet小波分析等方法研究了西北干旱區(qū)降水量空間分布及多時間尺度下的變化規(guī)律和趨勢。結(jié)果表明：近50年來西北干旱區(qū)降水量呈增加趨勢，95.9%的站點(diǎn)有增濕特征，全區(qū)增濕趨勢為9.31 mm/10a(P<0.01),但增濕幅度存在區(qū)域差異性，其中祁連山亞區(qū)(38.67 mm/10a)增濕最明顯；從季節(jié)來看，冬季增濕具有全區(qū)普遍性，但夏季增濕的區(qū)域差異性特征明顯。全區(qū)及各亞區(qū)降水量在20世紀(jì)80年代至90年代初有明顯的突變特征，除內(nèi)蒙西部亞區(qū)外均通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，降水量序列存在4、8、12a和22a振蕩周期，其中22a尺度振蕩周期最強(qiáng)，其次是12a尺度。全區(qū)32%的年份降水量屬正常范圍，偏干年份為24%，異常偏干年份為12%，異常偏濕和偏濕年份均為16%。20世紀(jì)70年代之前降水量略低于標(biāo)準(zhǔn)降水均值，80年代開始有區(qū)域性增濕趨勢，90年代之后全區(qū)增濕均較明顯，正距平年數(shù)比例由70年代的10%上升至21世紀(jì)初的80%，西北干旱區(qū)整體處于相對濕潤時段，且增濕趨勢明顯。

降水; 趨勢分析; 時空變異; 干濕特征; 小波分析; 西北干旱區(qū)

氣候變化問題被列為全球十大環(huán)境問題之首，成為國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)之一，是各國政府和學(xué)術(shù)界的重要議題[1]。氣候變化不僅影響自然系統(tǒng)和人類生存環(huán)境，也將影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步[2]。氣候變化對干旱區(qū)的影響尤為突出。中國西北干旱區(qū)是亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分之一，是全球同緯度最干旱地區(qū)，該區(qū)域地形復(fù)雜，山-盆相間，沙漠與綠洲共存，水資源分布極不均勻，是生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重脆弱地區(qū)，也是全球氣候變化的最敏感地區(qū)[3]。水是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，山區(qū)降水是干旱區(qū)水資源的主要來源，而平原降水對生態(tài)和環(huán)境保護(hù)有重要的意義。因此，全球變化和人類活動共同驅(qū)動下干旱區(qū)降水量的時空分布及其變化研究也受到眾多學(xué)者的關(guān)注。21世紀(jì)初，施雅風(fēng)院士提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的推測，認(rèn)為西北干旱區(qū)在20世紀(jì)80年代中期開始有變濕趨勢，其中新疆西部地區(qū)變濕更加明顯[4]；李棟梁[5]、沈永平[6]等分別從水資源、徑流和冰雪等方面對變濕趨勢做了證實(shí)。陳亞寧等[7-8]利用76個代表站降水?dāng)?shù)據(jù)研究了西北干旱區(qū)的年降水量和極端降水事件的時空分布特征，認(rèn)為降水量在1987年發(fā)生了突變，山區(qū)的降水增加趨勢大于平原和荒漠區(qū)域。任朝霞和楊達(dá)源[9]、趙傳成等[10]也分別研究了西北干旱區(qū)降水的時空分布?？梢?，目前對中國西北地區(qū)降水變化特征的研究成果較多, 但這些研究所用站點(diǎn)資料有限，且以整體分析為主，缺乏時空變異性分析，對于西北干旱區(qū)降水多時間尺度及空間維度的變化規(guī)律及其變化趨勢的定量研究方面還相對薄弱。研究干旱區(qū)降水在時間及空間方面的變化規(guī)律及趨勢對進(jìn)一步認(rèn)識干旱區(qū)氣候變化規(guī)律，提高應(yīng)對氣候變化能力有重要意義，同時也對干旱區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)植被的保護(hù)與恢復(fù)，區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

中國西北干旱區(qū)是亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分，包括新疆維吾爾自治區(qū)全境、甘肅河西走廊、青海祁連山地區(qū)、內(nèi)蒙古阿拉善高原及黃河寧夏段以西的寧夏自治區(qū)部分。大致為年平均降水量小于200 mm的極端干旱區(qū)和干旱區(qū)，地理位置東以賀蘭山為界，南至昆侖山—阿爾金山-祁連山脈，北側(cè)和西側(cè)直抵國界，區(qū)域范圍大致介于73°E—107°E和35°N—50°N之間(圖1)。該區(qū)主要有天山、昆侖山、阿爾金山、阿爾泰山及祁連山等高大山脈，包圍著塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等內(nèi)陸盆地和河西走廊，分布著中國四大沙漠和大片戈壁，總面積為235.2 km2，占全國國土面積的24.5%。西北干旱區(qū)深居大陸腹地，屬典型的大陸性氣候，自然條件惡劣，降水稀少，生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱[3]。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)及分區(qū)示意圖Fig.1 Distribution of observational stations in the study regionⅠ: 北疆亞區(qū)；Ⅱ: 天山亞區(qū)；Ⅲ: 南疆亞區(qū)；Ⅳ: 祁連山亞區(qū)；Ⅴ: 河西走廊亞區(qū)；Ⅵ: 內(nèi)蒙古西部亞區(qū)

2 資料與方法

西北干旱區(qū)地形復(fù)雜多樣，在高山和荒漠腹地人跡罕至。相比東部地區(qū)，長期的氣象監(jiān)測資料不足，且空間分布不均勻。為了盡可能的反映西北干旱區(qū)的降水變化，根據(jù)前人的研究成果和區(qū)域差異，把西北干旱區(qū)分為6個亞區(qū)，即新疆北部(北疆)、新疆南部(南疆)、天山、祁連山、甘肅河西走廊和內(nèi)蒙古西部地區(qū)。按照區(qū)域代表性和長期觀測資料的可比性，選取北疆32站、南疆43站、天山19站、祁連山5站、河西走廊14站、內(nèi)蒙西部9站共計122個站點(diǎn)1961年1月至2011年2月共計50年月降水量數(shù)據(jù)，并整理出季節(jié)降水量和年降水量序列，季節(jié)是按照氣象季節(jié)劃分，標(biāo)準(zhǔn)氣候均值用世界氣象組織(WMO)推薦的1971—2000年的平均值。資料來自國家氣象信息中心和新疆氣象信息中心，數(shù)據(jù)序列經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，完整性和準(zhǔn)確性良好。

降水的空間插值分析采用梯度距離平方反比法(Gradient Plus Inverse Distance Squared, GIDS)方法。GIDS方法是在反距離加權(quán)插值的基礎(chǔ)上，考慮了氣象要素隨經(jīng)緯度和海拔高程的梯度變化，該方法在降水空間插值中得到了很好的運(yùn)用[11]。本研究所用的其他方法包括線性趨勢、Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)和Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)[12- 14]、Morlet小波分析等[15- 16]，具體原理和計算過程見相關(guān)文獻(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化趨勢分析

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法(M-K法)對西北干旱區(qū)各亞區(qū)域和各站點(diǎn)年降水量序列進(jìn)行趨勢分析。研究發(fā)現(xiàn)，近50年來，西北干旱區(qū)降水量總體呈增加趨勢，增濕趨勢為9.31 mm/10a(P<0.01),但各區(qū)域存在差異性，形成了祁連山區(qū)、天山山區(qū)中段和西部等高幅增濕中心，其中祁連山區(qū)以野牛溝(52.5 mm/10a)為中心，天山中部以天池(22.8 mm/10a)為中心，天山西部以新源(28.3 mm/10a)為中心；而在塔里木盆地周邊和河西走廊形成低幅增濕區(qū)域(圖2)。具體來看，增濕趨勢在祁連山脈 >天山山脈 >北疆 >河西走廊 >南疆 >內(nèi)蒙西部，其中祁連山亞區(qū)(38.67 mm/10a)增濕最明顯，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，其他區(qū)域通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，而內(nèi)蒙西部增濕趨勢較弱(5.09 mm/10a)，沒有通過顯著性檢驗(yàn)(圖2)。

從各站點(diǎn)來看，全區(qū)絕大部分站點(diǎn)均呈現(xiàn)增濕趨勢，占總站點(diǎn)的95.9%，其中90%以上的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)；僅有5個站點(diǎn)降水量有微弱的減少趨勢，但沒通過顯著性檢驗(yàn)，這些站點(diǎn)主要位于荒漠腹地的極端干旱地區(qū)，如巴丹吉林沙漠腹地的拐子湖地區(qū)和塔克拉瑪干沙漠東部的鐵干里克地區(qū)，而號稱“百里風(fēng)區(qū)”的十三間房地區(qū)降水量減少趨勢最大，為-1.97 mm/10a。在各亞區(qū)中，天山、祁連山和北疆亞區(qū)所有站點(diǎn)均有增濕趨勢，其次是南疆和河西走廊亞區(qū)，而內(nèi)蒙古西部亞區(qū)增濕比例為77.78%，明顯低于其他區(qū)域(表1)，這種區(qū)域變化在空間上表現(xiàn)為自西向東減弱的特征。

從季節(jié)變化來看，增濕趨勢在春季 >夏季 > 冬季 >秋季，除夏季增濕趨勢通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)之外，其余季節(jié)均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明春季增濕趨勢最明顯，夏季較弱，但降水的年凈增加量夏季最大，這是由于夏季降水量占全年降水量的比重最大。各季節(jié)增濕站點(diǎn)的比例在冬季 >春季 >秋季 >夏季，冬季降水量僅有2個站點(diǎn)呈下降趨勢，站點(diǎn)增濕率為98.36%，而夏季降水量呈下降趨勢的站點(diǎn)有25個，增濕率為79.51%，可以看出冬季增濕具有全區(qū)普遍性，但夏季增濕的區(qū)域差異性特征明顯。在各亞區(qū)，北疆和天山山區(qū)的冬季增濕趨勢最為明顯，變化趨勢分別為4.53 mm/10a和3.79 mm/10a，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；祁連山秋季增濕趨勢最顯著，變化趨勢為9.73，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。而內(nèi)蒙古西部夏季降水量呈微弱的減少趨勢，9個站點(diǎn)中有6個表現(xiàn)為變干特征(表1)。

表1 西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水量變化趨勢

圖2 西北干旱區(qū)及各區(qū)域降水量變化Fig.2 Change of precipitation in the arid region of northwest China

3.2 降水量年際變化

3.2.1 多年平均降水量空間分布特征

根據(jù)西北干旱區(qū)122站月降水量資料，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)(采用的DEM數(shù)據(jù)為GTOPO30(global digital elevation mode1)，其水平空間分辨率為30″，近似l km×l km的網(wǎng)格)，采用GIDS方法進(jìn)行降水量空間插值。降水量在空間分布上表現(xiàn)為從東南向西北、自山區(qū)向兩側(cè)平原減少的趨勢，這主要是由于干旱區(qū)東南部及祁連山地區(qū)受西南暖濕氣流和東亞季風(fēng)的影響，氣候潮濕，降水量大；天山山區(qū)則是西風(fēng)環(huán)流的通道，可以帶來大西洋的濕潤氣流，加上高大山脈的影響，在迎風(fēng)坡有豐富的降水量，而被高山環(huán)抱的盆地內(nèi)濕潤氣流無法進(jìn)入，下墊面以荒漠為主，降水量較小，強(qiáng)烈的蒸發(fā)使得區(qū)域更加干旱[3]。

3.2.2 近50年來降水干濕特征分析

根據(jù)劃分干、濕年的方法，將西北干旱區(qū)降水量劃分為異常偏濕、偏濕、正常、偏干和異常偏干等5個等級。干濕年的劃分標(biāo)準(zhǔn)為[17]：

異常偏濕

Ri>(R+1.17σ)

偏濕

(R+0.33σ)

正常

(R-0.33σ)

偏干

(R-1.17σ)

異常偏干

Ri<(R-1.17σ)

式中，R代表多年平均降水量；Ri代表逐年降水量；σ代表標(biāo)準(zhǔn)差。采用干濕年劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水量干濕的劃分標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間及各等級降水所占的比例。

從表2中可以看出，西北干旱區(qū)32%的年份降水屬正常范圍，異常偏濕和偏濕年份均為16%；偏干年份為24%，異常偏干年份為12%。天山和祁連山亞區(qū)異常偏濕所占比例在各亞區(qū)中最高，為16%，其次是內(nèi)蒙古西部亞區(qū)14%，北疆、南疆和河西走廊亞區(qū)最小，為12%。偏濕年份地區(qū)較多，北疆亞區(qū)比例最高位34%，其次是內(nèi)蒙西部亞區(qū)的24%。各亞區(qū)降水正常年份比例在14%(北疆亞區(qū))至30%(河西走廊亞區(qū))。各亞區(qū)偏干年份所占比例均較高，南疆亞區(qū)最高44%，其次是天山30%，而祁連山最小24%。祁連山亞區(qū)異常偏干比例最大16%，其余亞區(qū)均在10%—12%之間，南疆亞區(qū)最小2%?？梢钥闯?，西北干旱區(qū)依然以偏干為主，但異常偏干年份的比例小于異常偏濕年份。這與西北干旱區(qū)降水事件的特點(diǎn)有關(guān)，在全球氣候變化背景下，干旱區(qū)的極端降水事件頻發(fā)，降水的強(qiáng)度增加，若干次大的降水事件形成了全年的大部分降水。

3.3 降水量的年代際變化

年代際尺度是氣候變化研究的最基本的尺度之一。按照年代為時間尺度統(tǒng)計中國西北干旱區(qū)自1961—2010年以來的年降水量序列，分別計算全區(qū)和各亞區(qū)20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初10年各時段平均降水量、距平值以及正距平年數(shù)的比例(表3)，分析西北干旱區(qū)年降水量的年代際變化特征。

在中國西北干旱區(qū)，20世紀(jì)70年代之前低于標(biāo)準(zhǔn)降水均值，70年代之后開始進(jìn)入濕潤時段，到90年代正距平值達(dá)11.4 mm，21世紀(jì)初正距平15.1 mm。正距平年數(shù)比例由70年代的10%上升至21世紀(jì)初的80%。北疆亞區(qū)、南疆亞區(qū)、祁連山亞區(qū)和河西走廊亞區(qū)降水變化特征相似，天山亞區(qū)和內(nèi)蒙西部亞區(qū)降水變化規(guī)律相似。從年代來看，60年代至70年代，全區(qū)時段降水量均低于標(biāo)準(zhǔn)降水均值，距平為負(fù)值(-99.2—-2.6)，正距平年數(shù)比例在0%至50%之間，但祁連山亞區(qū)所有年份均為負(fù)距平，距平值為-99.2 mm和-66.2 mm。80年代，北疆亞區(qū)、南疆亞區(qū)、祁連山亞區(qū)和河西走廊亞區(qū)降水均值不斷增加，距平值在2.3—50.7 mm之間，正距平年數(shù)比例在30%—80%，其中祁連山的降水變化幅度最大；而天山亞區(qū)和內(nèi)蒙西部亞區(qū)仍處于負(fù)距平時段，但降水趨勢不斷緩和。90年代至21世紀(jì)初，各亞區(qū)時段降水均值均高于標(biāo)準(zhǔn)降水均值，其中天山亞區(qū)和祁連山亞區(qū)等山區(qū)增濕更加明顯，正距平年數(shù)比例達(dá)到90%，而南疆和內(nèi)蒙西部等干旱地區(qū)增濕較弱，正距平年數(shù)比例在50%—60%之間?？傮w來看，20世紀(jì)70年代之前以負(fù)距平為主，80年代開始有區(qū)域性增濕趨勢，90年代之后全區(qū)增濕均較明顯，西北干旱區(qū)整體處于相對濕潤時段，且趨勢明顯。

表3 西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水年代際變化特征

3.4 降水量的突變和周期特征

將西北干旱區(qū)及各亞區(qū)近50年(1961—2010年)降水量序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用M-K法和Morlet小波變換分別進(jìn)行年降水量的突變和周期特征分析，繪制全區(qū)和各亞區(qū)降水量序列Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部時頻變化圖(圖3)，并繪制西北干旱區(qū)小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程(圖4)。突變結(jié)果表明，西北干旱區(qū)各亞區(qū)降水量在20世紀(jì)80年代至90年代初有明顯的突變特征，其中新疆北部、南部和內(nèi)蒙西部亞區(qū)在80年代中期有突變，突變時間與氣溫變化基本同步[18]；祁連山和河西走廊亞區(qū)突變較早，發(fā)生在70年代中后期；而天山山區(qū)在1991年，以上突變時間均通過了相應(yīng)的顯著性水平檢驗(yàn)。Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部時頻變化圖可以看出，西北干旱區(qū)年降水量序列在整個研究時段內(nèi)均存在4、8、12、22a振蕩周期，結(jié)合小波方差檢驗(yàn)得出22a尺度振蕩周期最強(qiáng)，其次是12a尺度(圖3)。從小波變換實(shí)部變化過程看出22a的主周期分別在1968年、1976年、1981年、1990年、1997年和2004年發(fā)生突變，共經(jīng)歷了3個干濕變化的周期(圖4)。在各亞區(qū)，4、8a和22a尺度周期是全區(qū)域性的，12a周期在天山和祁連山表現(xiàn)明顯，而在除北疆和祁連山之外的其他子區(qū)還存在28a的振蕩周期。

圖3 西北干旱區(qū)Morlet 小波變換實(shí)部時頻分布Fig.3 Real plural of Morlet wavelet analysis in the arid region of northwest China

圖4 西北干旱區(qū)Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程Fig.4 The real plural of morlet wavelet coefficient process line in the arid region of northwest China

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1) 近50年來西北干旱區(qū)降水量呈增加趨勢，95.9%的站點(diǎn)有增濕特征，全區(qū)增濕趨勢為9.31 mm/10a(P<0.01),但增濕幅度存在區(qū)域差異性，其中祁連山亞區(qū)(38.67 mm/10a)增濕最明顯； 從季節(jié)來看，冬季增濕具有全區(qū)普遍性，但夏季增濕的區(qū)域差異性特征明顯。

表4 西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水突變特征

(2)西北干旱區(qū)32%的年份降水屬正常范圍，偏干年份為24%，異常偏干年份為12%，異常偏濕和偏濕年份均為16%。20世紀(jì)70年代之前降水量略低于標(biāo)準(zhǔn)降水均值，80年代開始有區(qū)域性增濕趨勢，90年代之后全區(qū)增濕均較明顯，正距平年數(shù)比例由70年代的10%上升至21世紀(jì)初的80%，西北干旱區(qū)整體處于相對濕潤時段，且增濕趨勢明顯。

(3)西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水量在20世紀(jì)80年代至90年代初有明顯的突變特征，降水量序列存在4、8、12、22a振蕩周期，其中22a尺度振蕩周期最強(qiáng)，其次是12a尺度。

4.2 討論

近50年來西北干旱區(qū)呈整體增濕的趨勢，而且得到了各方面的證實(shí)。21世紀(jì)初施雅風(fēng)院士提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的觀點(diǎn)[4]，任朝霞和楊達(dá)源等[9,19- 20]系統(tǒng)的研究了西北干旱區(qū)降水變化趨勢(1951—2000年)及其對農(nóng)業(yè)、荒漠化等的影響，認(rèn)為降水變化有增加的趨勢(3.2 mm/10a)，其中北疆降水增加最多。Li和Wang等[7,8]也研究了西北干旱區(qū)降水的變化特征(1960—2010年)，認(rèn)為年降水量增加趨勢為7.05 mm/10a，其中山區(qū)增濕最顯著，為10.15 mm/10a，而荒漠地區(qū)增濕不明顯，這與本研究的結(jié)論相近。和以上類似研究相比，本研究有兩個優(yōu)勢：其一是使用了研究區(qū)內(nèi)122個站點(diǎn)的觀測資料，與以上研究的21和51個站點(diǎn)相比，有更加充足的數(shù)據(jù)支持，且資料的年限更接近；其二是根據(jù)區(qū)域差異和海拔等因素對西北干旱區(qū)劃分為6個亞區(qū)，分析不同尺度的時間變化和干濕特征，揭示了空間異質(zhì)性，得出增濕趨勢在祁連山脈 >天山山脈 >北疆 >河西走廊 >南疆 >內(nèi)蒙西部；異常偏濕年份所占比例在天山和祁連山>內(nèi)蒙古西部>北疆、南疆和河西走廊，而異常偏干比例祁連山最大，南疆最?。唤邓客蛔儠r間在祁連山和河西走廊較早，新疆北部、南部和內(nèi)蒙西部發(fā)生在80年代中期，而天山山區(qū)在90年代初期等結(jié)論。因此，本研究的結(jié)論更加可信，對認(rèn)識西北干旱區(qū)降水的時空變異性增添了新的證據(jù)。

西北干旱區(qū)降水的時空格局的演變受諸多因素的影響。地理位置和地形是形成空間分布格局的主要因素，祁連山和天山等的高大山脈迎風(fēng)坡有豐富的降水，而周邊盆地和走廊降水稀少。在時間演變上，西北干旱區(qū)及各亞區(qū)降水量均存在較強(qiáng)的12a和22a尺度振蕩周期，而12a和22a尺度與Qian等[21]研究得出的千年全球平均氣候變化周期(準(zhǔn)11—13a和準(zhǔn) 20—22a)一致，這些周期振蕩與太陽活動有關(guān)，如準(zhǔn)11a的太陽黑子活動周期和 22a的黑子磁性倒轉(zhuǎn)周期。因此，降水的時間演變可能與太陽黑子活動有關(guān)。

西北干旱區(qū)降水增濕化趨勢, 對冰川、沙塵暴和湖泊等西部特殊的生態(tài)環(huán)境要素造成影響[3]。降水量的增加，尤其是山區(qū)降水量的顯著增加，對冰川和常年積雪的積累、高山草原和灌溉農(nóng)業(yè)等有有利的影響，同時也能夠緩解荒漠綠洲過渡帶的退化和荒漠化的防治。隨著氣候系統(tǒng)變暖，降水增加的趨勢是否會持續(xù)發(fā)展，干旱區(qū)水文循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)和地表過程將如何響應(yīng)，相對較少的絕對降水量對當(dāng)?shù)剞r(nóng)林牧業(yè)發(fā)展，尤其是荒漠生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)將產(chǎn)生怎樣的影響等有待深入研究。

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Spatio-temporal change of precipitation in arid region of the Northwest China

YAO Junqiang1,2, YANG Qing3, LIU Zhihui1,2,4,5,*, LI Chengzhi4

1CollegeofResourcesandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcologyofMinistryofEducation,Urumqi830046,China3InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi830002,China4InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China5InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China

Using monthly precipitation records from 122 meteorological stations in the arid region of Northwest China, the spatial and temporal distribution of precipitation were analyzed for the period 1961—2011. The Mann-Kendall trend test and Morlet wavelet analysis were utilized to detect the spatio-temporal distribution of the mean annual and seasonal precipitation. In the present paper, the Northwest arid area was divided into the northern Xinjiang region, the southern Xinjiang region, Qilian Mountains, Tianshan Mountains, Hexi Corridor region, and the Inner Mongolia Plateau region. The results obtained indicate that the mean annual precipitation (MAP) in the northwest arid region had a significant rising trend (P< 0.01), at a rate of 9.31 mm/decade. The mean annual precipitation in the Qilian Mountains area rose the fastest, increasing by 38.67 mm/decade; the second fastest was on the Tianshan Mountains, increasing by 16.79 mm/decade; the slowest increase was in the Hexi Corridor, southern Xinjiang, and western Inner Mongolia, increasing by 8.49 mm/decade, 5.44mm/decade, and 5.09 mm/decade, respectively. The Mann-Kendall test showed that the increasing trend of the mean annual precipitation in each area was statistically significant atP<0.05 level, except in western Inner Mongolia. A rising tendency of the mean annual precipitation was observed in 95.9% of the stations in the study region, but the amplitude shows regional differences. The Tianshan Mountains, Qilian Mountains, and northern Xinjiang show a rising tendency in all stations, followed by those in southern Xinjiang and the Hexi Corridor, whereas the lowest increase is in western Inner Mongolia, accounting for 77.78% of the stations. Centers of the highest increase in mean annual precipitation were identified. for example, Yeniugou (52.5 mm/decade) in the Qilian Mountains, Tianchi (22.8 mm/decade) in the middle of the Tianshan Mountains, and Xinyuan (28.3 mm/decade) west of the Tianshan Mountains. There are seasonal differences in the rising trend of the mean annual precipitation. The rate of precipitation increased the fastest in spring, by 3.32 mm/decade, followed by the rate in summer and winter, by 5.44 mm/decade and 5.09 mm/decade, respectively, whereas it is the slowest in fall (only 2.07 mm/decade). The precipitation rate in winter was universal across the studied region, it was 98.36% in all stations. Summer precipitation rate presented regional differences; the precipitation rate was 79.51%. Abrupt changes in mean precipitation in the arid region and sub-region of northwest China are evident. The changes occurred in northern and southern Xinjiang and western Inner Mongolia in the middle of the 1980s, in the Hexi Corridor and the Qilian Mountains changes occurred in the middle of the 1970s, and in the Tianshan Mountains the changes occurred in 1991. The abrupt changes in the mean precipitation in each area were statistically signicant atP< 0.05 level. The Morlet wavelet analysis showed that the precipitation has an approximate 4-year, 8-year, 12-year, and 22-year cycle in the studied region. According to the level of wet and dry, the rates for normal, abnormally dry, dry, wet, and extremely wet mean precipitation series were 32%, 12%, 24%, 16%, and 16%, respectively. Since the 1980s, precipitation has increased significantly; the rate of positive anomalous years has increased from 10% in the 1970s to 80% nowadays. Today, it is relatively wetter in the arid region of northwest China, with an obvious ongoing increasing trend.

precipitation; trend analysis; spatio-temporal change; wet and dry character; wavelet analysis; arid region, Northwest China

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目(201301103); 國家科技支撐計劃項目(2012BAC23B01); 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973 計劃) 項目 (2010CB951001, 2010CB951003); 教育部創(chuàng)新團(tuán)隊項目(IRT1180)

2013- 10- 24;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201310242567

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lzh@xju.edu.cn

姚俊強(qiáng), 楊青, 劉志輝, 李誠志.中國西北干旱區(qū)降水時空分布特征.生態(tài)學(xué)報,2015,35(17):5846- 5855.

Yan J Q, Yang Q, Liu Z H, Li C Z.Spatio-temporal change of precipitation in arid region of the Northwest China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5846- 5855.