北方地區(qū)1957—2016年400 mm等降水量線的空間演變及誘因

李樂樂，李浩杰，趙德一，鈔錦龍△，楊 朔，康利軍

（1.太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030619；2.山西省岢嵐氣象局，山西 忻州 036300）

降水是一種復雜多變的自然事件，作為氣候變化的主要要素之一，在時間與空間上都表現(xiàn)出顯著的多變性[1]。中國是一個人口眾多且人均擁有水量又十分匱乏的國家，水資源獲取主要來自于大氣降水，而中國地域內的降水具有時空分布不均勻的特點[2-4]。降水量的多少在一定程度上可反映出一個區(qū)域的干濕狀況，是劃分干、濕區(qū)的重要指標，同時也影響著一個地區(qū)的工農業(yè)發(fā)展，對區(qū)域經濟、資源、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展十分重要[5]。研究區(qū)域屬于中國森林植被與草原植被的過渡區(qū)域，自古以來，農耕文明和游牧文明發(fā)生沖突不斷，400 mm等降水量線從其中部穿過，將其劃分為半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)，該線以北的地區(qū)農業(yè)結構以畜牧業(yè)為主，以南的地區(qū)農業(yè)結構以耕作業(yè)為主[6-7]。400 mm等降水量線在空間上的位移變化，對該區(qū)域的自然及社會環(huán)境會產生重大影響。

近年來，全球氣候變化逐漸成為相關學科界學者們的研究焦點。在此大背景下，典型等降水量線的空間位移也得到了不少關注和研究?；谥袊?951—2012年的降水量數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，400 mm等降水量線東西方向上在東經97°～112°移動，南北方向在北緯34°～41°遷移[8]，400 mm等降水量線在華北中東部波動強烈[9]。王浩等[10]研究了近50年來黃河流域400 mm等降水量線的空間變化，發(fā)現(xiàn)其有向東和向南移動的趨勢，東移趨勢最為顯著。但針對陜西、山西、河北、內蒙古這一典型區(qū)域400 mm等降水量線空間變化的研究還很少見。鑒于此，本研究采用該區(qū)域95個氣象站點1957—2016年的逐年降水數(shù)據(jù)，研究了近60 a 400 mm等降水量線的年代際和年際空間演變特征并剖析其變化原因，為這一區(qū)域未來的工農業(yè)產業(yè)結構調整和可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于中國北方地區(qū)（97°12′～126°04′E，31°42′～53°23′N），囊括陜西、山西、河北、內蒙古4個?。ㄗ灾螀^(qū)），其中包含呼和浩特市、西安市、太原市等44個地級市（盟）。地形上占據(jù)了黃土高原大部、內蒙古高原大部、華北平原北部，山脈縱橫，地形種類多樣，地勢較高。氣候上跨越了半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)以及干旱區(qū)，該區(qū)域四季分明，春秋季多風，氣溫日較差、年較差較大，其中400 mm等降水量線以南的地區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季氣溫較高且多雨，植被以草原為主，多風沙天氣；400 mm等降水量線以北的地區(qū)為溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，全年干燥少雨，植被以森林為主。該區(qū)域是對氣候變化響應特別敏感的地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心（https://data.cma.cn/），研究區(qū)域95個地面氣象站點（圖1）1957—2016年的逐年降水資料。

圖1 氣象站點分布圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將下載好的txt數(shù)據(jù)導入Excel，去除缺測年份較多的氣象站點。將這些數(shù)據(jù)以每十年作為一個周期進行相加求取平均值，對于個別年份缺測的站點，用其缺測年前后十年降水量平均值來替代，最后整理為1957—2016年95個氣象站點每十年平均降水量數(shù)據(jù)（站點名，站點經緯度，時間，降水量年代際平均值、降水量年際值），將其與矢量文件一起導入ArcGis中，創(chuàng)建降水量點圖層，采用普通克里金插值法進行插值，獲得降水分布圖（圖2）。提取降水量分布圖中的400 mm等降水量線（圖3），并對其進行離散化處理，計算這些離散點的經緯度坐標平均值，獲得400 mm等降水量線的加權平均位置，并依據(jù)其繪制變化折線圖，用于分析1957—2016年400 mm等降水量線空間位置的年代際變化和年際變化。

圖2 四省（自治區(qū)）1957—2016年年代際降水量分布圖

圖3 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線年代際分布圖

3 結果與分析

3.1 降水量年代際變化和年際變化趨勢

從表1可以看出，降水量年代際變化總體呈波動下降趨勢，但并不顯著。1957—1976年均降水量呈下降趨勢，減少了21.69 mm；1967—1986年基本保持不變，僅增加了1.9 mm；1987—2006年顯著下降，減少了48.9 mm；1997—2016年顯著升高，增加了49.3 mm。

表1 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年年代際降水量年份

由圖4可知，1957—2016年年均降水量總體呈下降趨勢，多年平均值為464.9 mm/a。最高年降水量為1964年的646.5 mm，最低年降水量為1997年的342.7 mm，最高值與最低值之間相差303.8 mm，為多年平均值的65%。其中1957—1976年年均降水量變化較為劇烈，在多年平均值上下徘徊，并在1964年達到了近60年的最高值，這二十年里出現(xiàn)了兩次低于400 mm的情況，最高值與最低值相差294.3 mm；1977—1996年年降水量變化較為平緩，除1986年外，整體上都保持在400 mm以上，最高值與最低值相差115.1 mm；1997—2016年年均降水量變化幅度較大，其中1997年年均降水量創(chuàng)近60年來最低，較多年平均值來看，降水量偏少年份較多，最高值與最低值相差199.7 mm。60年間，降水量低于平均值的有31年，降水量出現(xiàn)大于100 mm突變的主要階段有15次，顯著增高7次，顯著下降8次。

圖4 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年年均降水量變化趨勢

3.2 400 mm等降水量線空間位置變化

3.2.1 年代際變化趨勢

1957—2016年400 mm等降水量線的年代加權平均位置為116°33′12″E，43°05′15″N。如圖5所示，400 mm等降水量線的空間位置變化具有方向性。60年間，400 mm等降水量線在經度上的空間位置年代際變化偏小，在116°E徘徊，總體東移0°22′48″；在緯度上的空間位置變化平緩，介于42°～43°N，總體北移0°09′26″。從時間角度看，400 mm等降水量線的經度位置變化趨勢為1987—2006年西移，1967—1986年、2007—2016年東移；緯度位置變化趨勢為1967—2006年南移，2007—2016年北移。400 mm等降水量線總體上向西南方向移動。

圖5 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線在經緯度上的年代際變化

從區(qū)域角度看，400 mm等降水量線從內蒙古東北部延伸至陜西省北部，在內蒙古東南部擺動幅度較小，內蒙古東部擺動幅度較大，空間位置變化較為明顯，400 mm等降水量線在內蒙古東部地區(qū)1967—1976年、1997—2006年分別東移36～236 km、98～280 km，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年分別西移45～181 km、0～102 km、74～228 km。河北省北部400 mm等降水量線在1987—1996年、2007—2016年分別北移2～131 km、5～277 km,1977—1986年、1997—2006年分別南移0～118 km、17～306 km，其余年代際變化不明顯。山西省北部1997—2006年南移75～81 km，2007—2016年北移87～150 km。陜西省北部1977—1986年、1997—2006年分別南移8～51 km、0～199 km，2007—2016年北移25～57 km。

綜上，內蒙古東部地區(qū)在1967—1976年、1997—2006年降水減少，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年降水增加；河北省1977—1986年、1997—2006年降水減少，1987—1996年、2007—2016年降水增加；山西省1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加；陜西省1977—1986年、1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加。

3.2.2 年際變化趨勢

1951—2016年400 mm等降水量線的年際加權平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年間，400 mm等降水量線的空間位置變化較大。如圖6所示，400 mm等降水量線在經度上的空間位置變化介于111°～117°E，最高與最低相差6°14′44″，波動較大，總體西移0°08′08″；在緯度上的空間位置變化介于38°～44°N，最高與最低相差6°32′23″，波動較大，總體北移1°16′08″。從時間角度看，400 mm等降水量線在經度上的位置變化具有階段性：1957—1961年變化幅度較大，1962—1976年變化趨向平緩，1977—2016年變化劇烈。400 mm等降水量線在緯度上的位置變化階段性：1957—1966年變化平緩，1967—1987年變化幅度較大，1988—1997年變化趨向平緩，1998—2016年變化幅度最大。說明400 mm等降水量線在經度和緯度上的空間位置變化幅度并不具有一致性。60年間，400 mm等降水量線在經、緯度上的位置變化呈現(xiàn)出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a?？傮w上向西南方向移動。

圖6 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線在經緯度上的年際變化

3.3 影響因素分析

3.3.1 與氣溫變化關系

在全球氣候系統(tǒng)變暖的大背景下，內蒙古、陜西、山西、河北均有不同程度的升溫，北方地區(qū)降水與溫度呈負相關。2011年全球范圍平均氣溫較高，相較1961—1990年30年的平均氣溫（14 ℃）升高（0.4±0.09）℃，導致2011年中國平均降水量成為1951—2012年這一階段最低值。1997年為強厄爾尼諾年，該地區(qū)年降水量異常減少，平均年降水量創(chuàng)近60年來最低。研究發(fā)現(xiàn)，中國華北地區(qū)夏季、東部北方地區(qū)秋季的氣溫和降水與厄爾尼諾相關性較顯著，在厄爾尼諾年，氣溫會比常年同一季節(jié)偏高，降水會比常年同一季節(jié)偏少[11]。說明升溫的確會對降水量下降產生重要影響。

3.3.2 與地形關系

400 mm等降水量線東段地處內蒙古東北部，與大興安嶺走勢高度吻合，距海較近，夏季受東南季風影響，將水汽從渤海攜帶到這里，經過大興安嶺的地形抬升作用，易形成降水，與同緯度地區(qū)相比，降水量較豐富。

中段位于黃土高原北部、青藏高原東部、內蒙古高原南部，由于地處大陸內部，大陸性氣候較強，夏季攜帶濕氣的東南季風到達這里已是強弩之末，再加之地形阻擋，所以降水量常年偏少，400 mm等降水量線的空間位置變化較小。

3.3.3 與副熱帶高氣壓帶和季風的關系

西南季風、東南季風和西風環(huán)流影響北方地區(qū)，而東南季風又與西太平洋副熱帶高壓有著密切關系，二者強度成正比。1957—1966年，東南季風與西南季風較強，西太平洋副高脊線位置異常偏北，這一時期中緯度西風環(huán)流也偏弱，綜合作用下，使得這一地區(qū)地區(qū)降水較多，400 mm等降水量線位置偏西北。1966年后，東南季風、西南季風與西太平洋副熱帶高壓都開始減弱，該地區(qū)的降水也隨之減少，400 mm等降水量線向東南方向偏移。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）該地區(qū)1957—2016年平均降水量年代際、年際變化均呈下降趨勢，多年平均年降水量為464.9 mm，年降水量最高值與年降水量最低值相差了303.8 mm，為多年平均年降水量的65%。60年間4個?。ㄗ灾螀^(qū)）年降水量均有不同程度的減少，陜西省最為明顯[12]。與戴海燕等[13]對內蒙古1971—2016年降水量時空變化的分析基本一致。

（2）400 mm等降水量線的年代加權平均位置116°33′12″E，43°05′15″N，在經度、緯度方向上的空間位置變化均比較平緩。400 mm等降水量線的年際加權平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年中，400 mm等降水量線南北方向上在北緯38°～44°移動，東西方向上在東經111°～117°遷移。從時間角度看，400 mm等降水量線在經、緯度上的位置變化具有階段性，但變化幅度并不一致，同時呈現(xiàn)出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a。400 mm等降水量線空間位置年代際、年際變化總體上均向西南方向偏移。

4.2 討論

當前，學術界尚無可以用來定量表征等降水量線空間位置的方法，有學者等將降水量線的空間位移分解為經向和緯向2個方向上，并采用權位置來表征等降水量線的整體位移。本研究使用ArcGis10.2軟件將等降水量線離散成點，由于軟件未能將降水量線完全離散，一部分坐標數(shù)據(jù)會缺失，因此對于北方地區(qū)等降水量線空間位置變化的定量研究還有待更加完善的分析。