陜西省近50年來降水量時空變化特征分析

劉政鴻

(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 西安710004)

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陜西省近50年來降水量時空變化特征分析

劉政鴻

(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 西安710004)

研究使用陜西省以及臨近陜西省近50 a來的39個站點年降水數(shù)據(jù)，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法、累積距平法和GIS插值，分析了近50 a陜西省的降水變化趨勢和降水時空分布及變化特征。結(jié)果表明:1) 近50 a來陜西省降水量存在明顯的波動變化，呈現(xiàn)“增加—減少—增多—減少—增多”的波段形態(tài)。從總體趨勢看，降水序列是呈現(xiàn)減少趨勢，減少的速率是14.59 mm/10 a。2) 在近50 a，陜西省降水量在1967年和1985年出現(xiàn)兩次突變，出現(xiàn)了兩個峰值。3) 陜西省降水量分布及變化和降水等值線分布存在明顯的緯向區(qū)域差異，降水總體出現(xiàn)北少南多的規(guī)律；陜北比較稀疏，而陜南以及關(guān)中比較密集。4) 受到季風和地形的共同影響，陜西省的降水也存在經(jīng)向差異，陜北降水量呈東多西少，關(guān)中和陜南呈現(xiàn)西多東少的分布格局。

陜西; Mann-Kendall; 累積距平; 降水等值線; 時空變化

隨著全球氣溫不斷的升高，大多數(shù)副熱帶地區(qū)降水逐漸減少[1]。受全球氣候變化的影響，我國西北地區(qū)20世紀80年代以來降水明顯增多，東部地區(qū)則由20世紀70年代末以前的北澇南旱型轉(zhuǎn)變?yōu)榈哪蠞潮焙敌?，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響[2-5]。

隨著近百年來全球氣候的顯著變化，引起了降水格局分布的變化，許多學者對其進行了深入研究。施雅風等提出，我國西北氣候可能從20世紀的暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，但同時也強調(diào)陜西20世紀90年代仍處于干旱的低降水期，屬于氣候未轉(zhuǎn)型區(qū)[6]。陜西省位西北干旱半干旱區(qū)，陜南和關(guān)中位于秦嶺南北兩側(cè)并且處于季風邊緣區(qū)，陜西省整體受西南季風和東南季風的共同影響，對該區(qū)進行全球變化的研究具有典型性。許多學者對陜西省的降水及時空特征進行了研究[7-20]，但多以較短時段的降水趨勢、空間分布和季節(jié)性變化特征的研究為主，對于年代間的時空分布的變化研究較少。本文以陜西省36個氣象站點以及與陜西省相鄰近的3個氣象站點的年尺度降水為基礎(chǔ)，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法、累積距平法和GIS插值等方法對陜西省近50來降水變化趨勢、年代的時空變化以及變化量進行了研究，為科學的認識陜西省的氣候變化規(guī)律提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國西北部的東南端，地處東經(jīng)105°29′—111°15′和北緯31°42′—39°35′。全省縱跨黃河、長江兩大流域，與山西、河南、湖北、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、重慶8個省市接壤；陜西省海拔介于168.6 m到3 771.2 m之間,平均海拔1 127 m，地勢總體南北高、中部低，由西向東傾斜的特點也較明顯。以北山和秦嶺為界，把陜西分為三大自然區(qū)域：北部是陜北黃土高原，中部是關(guān)中平原，南部是秦巴山地。境內(nèi)氣候差異較大，由北向南依次為溫帶、暖溫帶和北亞熱帶。多年平均降水量578.56 mm，多年平均氣溫13℃。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 站點選擇與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)氣象站點分布，選用陜西省10市13縣資料較完整的36個站點及山西的河曲、永濟和吉縣3個相鄰氣象站1961—2010年的年尺度降水量資料，以保證空間布點的均勻性和省界附近等值線的正確延伸。對于數(shù)據(jù)缺失的站點及年份采用反距離權(quán)重(IDW)插值的方式進行延展。上述資料從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗 用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法檢測要素序列變化趨勢。該統(tǒng)計檢驗方法的優(yōu)點是統(tǒng)計測試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于非正態(tài)分布的水文氣象等數(shù)據(jù)。在Mann-Kendall檢驗中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn),是n個獨立的，隨機分布的樣本；對于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算公式如下：

(1)

(2)

S為正態(tài)分布，其均值點為0，var(S)=n(n-1)(2n+5)/18當n>10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量通過下式計算：

(3)

對于某一序列x其某一時刻t的累積距平表示為:

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量的年際和年代變化

根據(jù)所選氣象站點分布以及各站點年降水值，結(jié)合各種插值方法的適用性[23]，在ArcGIS 10.0中，借助確定性插值中局部插值的反距離權(quán)重插值法(IDW)插值工具，插值得到陜西省面狀降水數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到陜西省平均降水量，陜西省每年平均降水量變化如圖1所示。根據(jù)公式(1—3) ，Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法檢測陜西省降水序列變化趨勢，借助Matlab執(zhí)行Mann—Kendall趨勢分析方法，陜西省研究時段降水的變化趨勢。

圖1 陜西省1961-2010年降水量變化

從圖1可以看出，1961—2010年陜西省年降水量存在明顯的波動變化，呈現(xiàn)“增加—減少—增加—減少—增加”的波動形態(tài)。在Mann-Kendall趨勢檢驗中，Z=-0.82，絕對值小于1.96，表明陜西省在近50 a的降水呈現(xiàn)出不顯著的總體下降的趨勢。同時，對年平均降水量序列進行線性擬合分析，沒有通過顯著性檢驗，因此采用年平均降水的5 a滑動平均曲線進行線性擬合。陜西省年平均降水量5 a滑動平均擬合的一次線性方程相關(guān)系數(shù)為0.174，并且通過了0.01的顯著性檢驗，結(jié)果可信。擬合的線性結(jié)果顯示，研究區(qū)在研究時段內(nèi)降水量總體趨勢與時間軸接近平行，略有減少，擬合結(jié)果表明每年減少約1.27 mm，2010年與1961年降水量總體減少幅度為72.96 mm，減少的速率是14.59 mm/10 a。從滑動平均曲線的結(jié)果可以看出：降水量在1964年達到第一個最高值點，為845.22 mm；此后雖然有波動但總體出現(xiàn)下降，至1972年達到最低，為482.91 mm；從1973年開始，陜西省的降水量出現(xiàn)上升的趨勢，在1983年升至最高，為797.38 mm；此后又呈現(xiàn)下降趨勢，在1997年降至最低，為390.92 mm，在進入21世紀，降水量出現(xiàn)了回升，直至2010年降水量達到626.56 mm。借助ArcGIS 10.0的柵格計算功能得到的陜西各年代降水數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.0中使用柵格計算功能，計算不同年代陜西的降水的變化情況，并使用空間分析功能提取降水年代間變化等值線，等值線間隔為15 m，如圖2所示。

圖2 不同年代陜西降水量變化等值線

從圖2a中70年代降水變化等值線圖中可以看出，陜西省在70年代的降水比60年代有大面積的減少，只有在安康附近出現(xiàn)增加，留壩、延安減少的最多。圖2b中80年代的降水與70年代比較，呈現(xiàn)上升趨勢，且表現(xiàn)為大面積的降水增加，其中留壩增加最明顯，增加200 mm。與80年代相比，在圖2c中，90年代降水又出現(xiàn)了下降，在陜南以及關(guān)中下降很多，其中留壩下降的最明顯可達270 mm。圖2d進入21世紀，降水出現(xiàn)回升，大面積的降水呈現(xiàn)上升趨勢。

3.2 年降水量突變分析

通過對陜西省年平均降水序列進行M-K突變點檢驗，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想，如圖3所示，在0.05的置性水平下UB(K)與UF(K)存在12個交點，并不能直觀得到降水發(fā)生突變的年份。根據(jù)公式(4) ，使用累積距平的方法對陜西省的降水量進行突變分析，得到陜西省每年降水量距離平均值的分散狀況，其在研究時段內(nèi)發(fā)生突變的年份如圖4所示。

1961—2010年陜西省降水量的距平曲線，并參照近50 a的平均值，其分布有三種情況：陜西省降水量高于平均值的有16 a，占研究時序的32%，；小于平均值的有19 a，占研究時序的38%；十分接近平均值有15 a，占研究時序的30%。由此可以看出陜西省的豐水年與枯水年出現(xiàn)的頻次是比較接近，高降水量、低降水量以及正常降水量出現(xiàn)的頻次表明陜西省降水變化是比較規(guī)律。

1961—2010年陜西省降水量的累計距平曲線顯示：陜西省在研究時段內(nèi)出現(xiàn)了兩次突變，第一次突變出現(xiàn)在1967年，在1967年以前降水量在波動中增加，此后在1967—1985年，陜西省的降水在波動中整體表現(xiàn)為更大速率的增加，在1985年增加至最大，成為第二個突變點，從1985年以后，陜西省的降水出現(xiàn)下降的趨勢。

3.3 降水量的空間變化分析

將插值得到的陜西省各年降水數(shù)據(jù)借助ArcGIS 10.0的柵格計算功能，計算每10 a陜西省的平均降水量，并使用空間分析功能提取各年代降水的等值線，等值線間隔為30 m，如圖5所示。

圖3 降水量的Mann-Kendall突變分析

圖4 陜西省降水量序列的距平和累計距平曲線

圖5 不同年代陜西省降水量等值線

從50 a的平均降水量來看(圖5f)，陜西省降水量分布不均勻，南多北少，差異較大。全省降水量50 a平均值578.56 mm；陜北降水量等值線分布稀疏，其50 a降水量平均值為441.16 m右；關(guān)中50 a降水量年平均值為571 mm；但在陜南，降水量等值線分布密集，其50 a降水量平均值達到755.26 mm，這種結(jié)果與張艷芳的結(jié)果一致[24]。同時，在經(jīng)向分布上陜北降水量呈東多西少的分布狀況，關(guān)中和陜南呈現(xiàn)西南多東部少的分布狀況。從50 a的平均降水等值線圖5—f中可以看出陜北的定邊(330 mm)和綏德(450 mm)兩站差異可達120 mm，關(guān)中的隴縣(600 mm)和蒲城(450 mm)兩站差異可達150 mm，陜南的佛坪(930 mm)和鎮(zhèn)安(780 mm)兩站差異可達150 mm。綜合南北(緯向)變化和東西(經(jīng)向)變化規(guī)律，陜南和關(guān)中呈現(xiàn)從西南向東北逐漸較少的變化趨勢，陜北呈現(xiàn)東南向西北逐漸減少的趨勢。

從各個年代的平均降水量來看，如圖5a,b,c,d,e所示，陜西省在60年代的平均降水為606.66 mm，70年代降水分布等值線與60年代降水分布等值線的疏密程度及變化情況接近，但同一地區(qū)在60年代和70年代的降水量有差異，差異的分布范圍為30～70 mm，同一地區(qū)60年代的降水量比其70年代的降水量平均高40 mm。70年代的經(jīng)向差異可達180 mm。80年代的降水等值線比70年代的降水等值線有所增密，在陜北增密的程度不很明顯，但在關(guān)中以及陜南降水等值線是明顯增密的。陜西省的降水在80年代有所增加，從70年代的566.73 mm增加至80年代的623.32 mm，80年代降水的經(jīng)向差異達到150 mm。到90年代，降水又呈現(xiàn)下降趨勢，降水平均值從80年代的623.32 mm降至90年代的517.9 mm，并且降水等值線在全省都較80年代有一定程度的變疏，90年代降水的經(jīng)向差異有一定程度的增大，為170 mm。至21世紀初，降水等值線與90年代相比，又有不同程度的增密，降水量在此時期也有所回升，降水量平均值達到578 mm，此時期降水的經(jīng)向差異為120 mm。

4 討論及結(jié)論

4.1 討 論

1) 陜西省根據(jù)其地貌類型的不同，可以分為三部分：陜北黃土高原、關(guān)中平原、陜南秦巴山地。陜南和關(guān)中位于秦嶺南北兩側(cè)并且處于季風邊緣區(qū)，陜西省整體受西南季風和東南季風的共同影響。有文獻表明氣候增暖期東南季風表現(xiàn)為減弱，而南亞季風的活動將會增加[25]。張啟東、秦大河等[26]對印度夏季風降水研究發(fā)展一文中提到，20世紀中期到60年代是南亞季風比較強盛的階段，60年代到80年代中期表現(xiàn)為弱季風階段，80年代中期到現(xiàn)在表現(xiàn)為強季風階段。陜西省降水出現(xiàn)的“增加—減少—增加—減少—增加”波動和總體減少趨勢，正是東南季風和西南季風變化趨勢的組合結(jié)果。

2) 陜西降水空間分布受到季風和地形的共同影響，空間變化比較復雜。降水空間分布總體趨勢呈現(xiàn)南多北少與南部受到季風影響更為強烈密切相關(guān)。由于受到秦嶺的阻擋，陜北地區(qū)難以受到西南季風的影響，東南季風成為主導影響因素，降水量在經(jīng)向分布上呈東多西少(東南多，西北少)的格局；陜北地區(qū)是西北高東南低的地勢，因接近季風區(qū)西北界的位置，非但沒有增加降水，反而增加了東南季風爬升難度，降水逐漸減少。關(guān)中和陜南總體呈現(xiàn)西南多東部少的分布狀況，其成因可能有所不同。在關(guān)中地區(qū)，西南季風翻過秦嶺，影響減弱，東南季風向西北移動時，受到關(guān)中西部隴山的抬升作用，降水有所增加，呈現(xiàn)出西多東少的空間格局。在陜南同時受東南季風與西南季風的作用，在大巴山西部西南季風與東南季風共同影響(西南季風較強)，加上陜南西部受到青藏高原季風的一定影響，降水也有所增加，因此呈現(xiàn)出西南多東部少的地域空間變化特征。

4.2 結(jié) 論

1) 從近50 a來陜西省降水量存在明顯的波動變化，呈現(xiàn)“減少—增多—減少—增多”的波段形態(tài)。但從近50 a來陜西省降水量的總體趨勢看，降水呈現(xiàn)減少趨勢，陜西省年降水量的5 a滑動平均擬合結(jié)果表明每年減少約1.27 mm，降水量總體減少72.96 mm，減少的速率14.59 mm/10 a。這與我國年降水量減少的總體趨勢一致。

2) 在1961—2010的50 a間，陜西省降水量出現(xiàn)兩次突變，在1967年降水量達到相對最大值，1985年達到近50 a陜西省降水量量的最大值。

3) 陜西省的降水量分布及變化存在明顯的區(qū)域差異，以秦嶺為界，陜西省的降水出現(xiàn)北少南多的情況；并且降水等值線也以秦嶺為界，陜北比較稀疏，而陜南以及關(guān)中比較密集。

4) 受到季風和地形的共同影響，陜西省的降水也存在經(jīng)差異，在經(jīng)向分布上陜北降水量呈東多西少的分布格局，關(guān)中和陜南呈現(xiàn)西多東部少的區(qū)域差異。

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Analysis of Spatiotemporal Variation Characteristics of Precipitation in the Past Five Decades in Shaanxi Province

LIU Zhenghong

(MonitoringCenterforSoilandWaterConservationandEco-EnvironmentofShaanxiProvince,Xi′an710004,China)

This study used annual precipitation data collected from 39 sites in recent 50 years in neighboring Shaanxi Province and Shaanxi Province to analyze the precipitation change trend and its spatiotemporal distribution and variation characteristics of Shaanxi Province in recent 50 years using the Mann-Kendall nonparametric tests, the cumulative departure method and GIS interpolation. The results showed that: 1) with respect to precipitation in the recent 50 years of Shaanxi, it had obvious fluctuation, and it presented ‘increase—decrease—increase—decrease—increase’ band form, as with the overall trend, the precipitation sequence presented a decreasing trend, and the fitting reduction rate of precipitation was 14.59 mm/10 a; 2) in recent 50 years, precipitation in Shaanxi appeared two peaks in 1967 and 1985, respectively; 3) the distribution and variation of precipitation and precipitation isoline in Shaanxi existed obvious differentiation from the north to the south; less precipitation occurred in the north and more in the south, in northern Shaanxi, the precipitation isoline was sparse and dense in southern Shaanxi and Guanzhong; 4) due to the mutual influence of the monsoon and terrain, the precipitation also is different in the longitude direction in Shaanxi Province, in northern Shaanxi, the precipitation is more in the east of Shaanxi and less in the west; in Guanzhong and southern Shaanxi, it is more in the west and less in the east.

Shaanxi; Mann-Kendall; accumulative anomaly; precipitation isoline; spatiotemporal change

2014-05-27

2014-07-03

陜西省煤炭石油天然氣資源開采水土保持補償費使用項目；陜北能源開采水土保持監(jiān)測技術(shù)研究及信息系統(tǒng)建設(shè)

劉政鴻(1976—),男,安徽宿州人,碩士,高級工程師,主要要從事生態(tài)學及水土保持監(jiān)測科研及生產(chǎn)工作。E-mail:liu197776@163.com

S161.6

1005-3409(2015)02-0107-06