大同地區降水變化特征及趨勢分析

岳 江，胡良溫，王小蘭，溫漢光，楊愛琴

（1.山西省氣象科學研究所，山西 太原 030002；2.山西省氣象學會，山西 太原 030002）

在全球變暖和我國北方干旱化氣候背景下，全國不同地區的氣候條件也發生了相應的改變。有研究表明：華北氣候區年降水的年際變化在1970—1990年的周期變化較弱，年降水量處在一個下降通道內，下降趨勢在夏季最為明顯。華北地區1951—2009年間多年平均降水序列無顯著跳躍趨勢，年降水距平大致以1976年為多雨期與少雨期的分界線，年代際距平百分率持續減少[1]。而在全球變暖背景下，絕大多數模式預估結果表明，在未來百年我國大部分地區夏季降水將會顯著增加[2]。此外，有研究結果表明，局地氣候變化顯著的地區，降水量時空分布和暴雨發生的幾率隨之響應[3-10]。大同地區（39°30′～40°44′N，112°34′～114°33′E）位于山西省最北端，地處黃土高原東北邊緣，屬大陸性季風氣候。復雜的地形結構使大同地區成為全省氣溫較高、降水較少、風力較大的地區[11]，常年遭受干旱災害、水土流失、土地沙化的困擾，素有十年九春旱的說法。因此開展對大同地區氣候變化的研究有深遠意義，同時降水量作為氣候變化的一個重要指標，其發生規律不斷響應當今氣候環境的變化，引起了諸多學者的關注。通過對黃土高原地區年降水量、汛期降水量和暴雨量等3個降水指標的時空變化研究表明，在黃土高原地區，近50 a年降水量變化和汛期降水量變化的空間分布總趨勢基本一致，從東南向西北，降低幅度逐漸變小，至西北部和最西部甚至呈微弱增加趨勢，而其年暴雨量變化的空間趨勢則不大明顯[12]。

1 資料和方法

本文所使用的數據為大同市、陽高縣、左云縣、大同縣、靈丘縣、廣靈縣、渾源縣、天鎮縣氣象站1972—2009年逐日降水量資料。采用趨勢分析、Mann－Kendall 突變檢驗和小波分析對大同市年降水量的時間序列的變化趨勢做出研究，了解汛期降水量的距平變化和周期變化；使用R/S（重標極差）分析法[13]預測大同地區各縣市降水量的變化趨勢。

2 研究結果

2.1 降水量年際、年代際變化

圖1 給出了1972—2009年大同地區8個縣市平均年降水量變化情況?？梢钥闯?，38 a 間，大同地區降水量基本呈緩慢減少趨勢，傾向率為-9.4 mm/10 a，通過0.5 顯著性檢驗；自1972—2009年大同地區年平均降水量有3個高峰期和2個低谷期，1973—1978年、1990—1997年以及2004—2009年降水偏多，陽高縣1978年降水量為629.0 mm，達到該區最大年降水量；1982—1986年、1993年、1997—2001年降水偏少，最小降水量僅為大同市的226.7 mm；2005年以后，大同地區年降水量變化幅度較小，呈現緩慢下降趨勢。

圖1 1972—2009年大同地區年降水量變化

有研究表明，華東地區降水與ENSO 在準2～4 a 周期變化上呈正相關關系，在年代際和8 a 以上年際間呈正負有規律交替且以正相關為主[14]。山西位于東亞季風邊緣，其降水量受季風影響顯著。北太平洋海溫的年代際變化影響著山西降水量的突變[15]。北太平洋海表溫度不僅有周期為3～6 a 的年際變化，還疊加周期分別為10 a、20 a 的年代際變化，另外北太平洋海溫變化在1970—1980年、1990年左右存在突變點[16]。可以看出，不同地區降水量的年際變化與海溫存在相關關系。受北太平洋海溫導致的東亞季風影響，大同地區在1970—1980年、1990年左右降水量偏多。1995年由于天鎮、陽高2個縣市年降水量達到了670 mm 以上，導致該年各站年降水量突增；2003—2007年，大同地區年降水量較多，與北太平洋海溫10 a 的周期變化相互呼應。

利用Mann－Kendall 突變檢驗法對大同市38 a的年平均氣溫序列進行了突變檢測（圖2），結果表明:UFk 值大于0 指示氣溫呈升高趨勢，UFk 和UBk交點在1993年，說明1993年大同市年平均氣溫發生了突變，而大同氣溫突變后，干旱的比例在不斷增加，且在氣溫增暖影響下降水變化與氣溫變化呈負相關[17]。此外，有研究表明，北疆地區年降水量突變前，降水量表現為大幅度振蕩，UF 多為負值，降水量偏少；突變后，年降水量開始震蕩上升，UF為正值，降水量偏多[18]。統計可知，1993年、1997—2011年是大同地區各縣市降水量均偏少，干旱災害頻發，且以上時期，大同地區年降水量存在大幅震蕩的現象，印證了以上結論。此外，利用Mann－Kendall突變檢驗可知，大同地區平均年降水量和各縣市年降水量均無顯著突變情況，且UFK 曲線未超過臨界值。

圖2 大同地區年降水量M-K 突變檢驗結果

橫向對比大同地區各縣市平均年降水量可知（圖3）：左云、渾源、靈丘等地降水量偏多，大同、大同縣降水量偏少，廣靈、陽高、天鎮等地降水接近各縣市年降水平均值；且大同縣年降水量變化幅度最大。結合各縣市地形可知，左云、渾源、陽高等多山地區降水量偏多；究其原因可能是由于地形影響所致。有學者對亞洲夏季風期間中尺度山脈對不同性質降水垂直結構和水平分布的研究表明：中尺度山脈迎風、背風坡均以層云降水為主，層云降水強度在迎風坡強于背風坡；對流降水在迎風坡主要為淺對流，背風坡主要為深對流，對流降水強度在背風坡強于迎風坡[19]。另有研究表明：地形的強迫抬升導致純粹性地形降水，山區發生降水的頻率高于平原地區，這是造成山區降水量增多的原因之一。另一方面，地形作用也可能致使山區降水強度和歷時較平原區大[20]。結合大同地區地形分布情況來看，大同市和大同縣位于大同盆地內，地勢平坦，降水量偏少。其余縣市大多位于山區，鋒面過境由于大地形抬升作用，易成云致雨。

圖3 1972—2009年大同各縣市降水量對比（紅線表示大同地區年降水量平均值）

表1 大同地區各縣市年代際降水量變化/mm

由大同地區1972—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2009年4個時期年代際降水量分布情況（表1）分析可知，大同地區年降水量變化傾向率為-10.05 mm/10 a，相關系數為0.18，通過0.5 顯著性檢驗。8個縣市中，陽高縣降水變化傾向率最顯著，相關系數為0.35，通過0.05 顯著性水平檢驗，除大同、左云和靈丘縣降水量呈少量增加趨勢外，大部分縣市降水量呈減少趨勢，且減少的幅度差異較大。從年代際變化來看，大同地區平均年降水量呈緩慢減少趨勢；橫向對比來看，左云、大同、渾源和廣靈等縣在2001年之前降水量均呈減少趨勢，2001年以后呈增加趨勢；陽高、天鎮兩縣20世紀70—80年代降水量減少，80—90年代降水量增加，2001年以后降水量減少；大同縣在2001年以前降水量呈增加趨勢，2001年以后降水量減少。由此可知，20世紀90年代至2001年前后是一大同地區降水量變化的關鍵時期，該地區各縣市降水量趨勢均在此時期發生了逆轉，這可能是對全球變暖的氣候趨勢的響應及一個小的調整，但降水量增加趨勢并不明顯，增加幅度也偏小。

根據大同地區不同縣市年代際平均年降水量時空分布情況可知：1972—1980年各地市降水量分布不均，基本呈現自東北—西南走向遞減特征，局地差異較為明顯；1981—1990年間，大同地區降水量分布情況較20世紀70年代發生了扭轉，呈現自西南—東北走向遞減特征，大同、大同縣等地處于過渡帶，降水量較70年代未發生明顯改變；90年代降水分布特點與70年代基本一致，但全區范圍降水量普遍減少，各地差異較大；2001—2009年間，大同地區降水量與20世紀80年代類似，自西向東均勻遞減，總體降水量較前10 a 普遍減少。

2.2 汛期降水

氣象學上規定，每年6、7、8、9月為汛期[21]，通過對1972—2009年逐年6—9月總降水量進行統計得到圖4。根據5 階滑動平均曲線可知大同地區汛期降水距平（汛期總降水量平均值為301.6 mm）呈波動下降趨勢，大同地區汛期降水量變化幅度越來越小。38 a 間汛期降水量正距平占47.37%，負距平占52.63%；其中20世紀70、80、90年代和2001年以后正距平值分別占：13.16%、15.19%、10.53%和7.89%，汛期降水正距平基本呈減少趨勢，負距平呈增加趨勢，說明大同地區汛期降水量逐年減少。通過計算可得大同地區汛期降水傾向率為-11.81 mm/10 a，通過0.2 顯著性水平檢驗。汛期降水量在1975—1980年、1994—1996年存在正距平突增情況，與大同地區年降水量變化趨勢基本一致。38 a 間，汛期最大降水量發生在1995年，為638.1 mm，汛期最小降水量發生于1976年，僅為140.8 mm。

圖4 大同地區汛期總降水量距平變化趨勢

大同地區1972—2009年汛期降水具有一定周期性，由小波分析可知，1972—2009年，大同地區汛期降水高頻周期準3 a 周期為主，同時一直存在準15 a 的低頻周期；從低頻周期變化可以看出1973—1978年、1990—1997年、2004—2009年進入大同地區多雨期；1982—1986年、1997—2001年為少雨期。在1993—1996年間，大同地區高頻周期轉為準5 a，同時疊加準15 a 的低頻振蕩周期。因此，大同地區降水具有一定周期性。

2.3 大同各縣市降水趨勢預測

本文引入R/S 相關性分析預測大同市降水量變化趨勢，由圖5 可知，大同地區各縣市年降水量存在Hurst 現象，但各站年降水量未來變化保持現有趨勢性不強。比較而言，大同、大同縣年降水量未來變化趨勢與當前年發展趨勢一致性略強，左云縣年降水量未來變化趨勢具有不確定性。

表2 給出了大同地區各縣市H 值，可以看出各縣市年降水量未來變化趨勢基本與圖5 顯示的結果一致：大同、大同縣、陽高、天鎮、渾源等地H 值≥0.65，說明以上縣市年降水量未來變化趨勢與當前保持一致，即保持緩慢減少趨勢；左云、廣靈、靈丘等地H 值均在0.5～0.53 之間，表示以上縣市未來年降水量將保持微弱的與當前緩慢減少一致的趨勢，顯著性不強。

表2 大同各縣市Hurst 指數

3 結論

經過系統研究，得出以下結論：

圖5 大同各縣市年降水量R/S分析結果（樣本數=38）

（1）大同地區降水量基本呈緩慢減少趨勢；自1972—2009年大同地區年平均降水量有3個高峰期和2個低谷期，受東亞季風影響，1973—1978年、1990—1997年以及2004—2006年降水偏多；1983—1986年、1993年、1997—2001年降水偏少，特別是氣溫突變后，降水量急劇減少；2005年以后，大同地區年降水量變化幅度較小，呈現緩慢下降趨勢；經過對比可知，大同地區地形因素對降水量影響很大，鋒面系統過境時由于大地形強迫形成重力波，以及迎風坡山脈抬升作用，易成云致雨；而地勢平坦地區，降水量偏少。

（2）2001年前后，大同地區各縣市降水趨勢均發生了逆轉，局地降水差異趨于減??；大同地區汛期降水距平的年際、年代際變化呈現波動減少并以負距平為主的趨勢。說明大同地區汛期平均年降水量與年降水量變化趨勢基本一致，均呈減少趨勢；汛期降水具有一定周期性：1972—2009年，大同地區汛期降水高頻周期以準3 a 周期為主，同時一直存在準15 a 的低頻周期；從低頻周期變化可以看出1976—1982年、1990—1996年、2003—2009年進入大同地區多雨期；1982—1988年、1997—2002年為少雨期。在1993—1996年間，大同地區高頻周期轉為準5 a，同時疊加準15 a 的低頻振蕩周期。

（3）大同地區各縣市年降水量均存在的Hurst現象，大部分縣市未來變化將保持現有的逐年減少趨勢，個別縣市變化趨勢較不明顯，可能保持當前略有減少的趨勢。

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