1957—2011年陜西省降水特征分析及趨勢判斷

胡 勝，曹明明，李 婷，邱海軍，張中旺，劉 琪，劉 聞

(1.西北大學城市與環境學院，陜西西安 710127;2.湖北文理學院地理系，湖北襄陽 441053)

全球氣候變化是毋庸置疑的，特別是以全球氣候系統變暖為代表的全球性環境問題已受到廣泛關注［1-5］。近百年來，全球平均氣溫已上升了0.74℃［6］，中國年均地表氣溫比同期全球升溫幅度平均值(0.6℃ ±0.2℃)略高［7］。陜西省在過去的50多年間，氣溫也有所增加，年均降水量的線性減少率為19.6 mm/10a［8］。由于陜西省地處我國中西部地區，受秦嶺和黃土高原的阻擋，區內氣候差異十分顯著［9-10］，是東亞季風氣候的敏感區域。20世紀90年代，陜北地區的干旱化趨勢沒有得到緩解，而陜南地區蒸發量也明顯增加［11］。

本文將陜西省作為研究區域，采用距平均法、R/S分析法和小波分析等方法，并利用ArcGIS平臺，旨在分析陜西省降水特征及其時空演變規律，判斷陜西省降水及干旱發生的記憶性特征，揭示陜西省降水變化的多時間尺度的復雜結構，并根據主周期對未來降水變化進行趨勢判斷，以便為研究陜西省水資源演變、西部氣候變化以及農牧業結構調整、生態建設與恢復提供一定的參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究采用的氣象數據來源于陜西省氣象局和中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)提供的中國地面氣候資料月值數據集，從數據集中獲取研究區境內22個氣象站點(圖1a)1957—2011年的逐月降水量;DEM數據來源于國際科學數據服務平臺(http://datamirror.csdb.cn)全球30m分辨率數字高程數據產品。

1.2 距平分析法

距平分析法主要利用變差系數cv來反映時序變量xi隨時間變化的劇烈程度，若cv越大，表明離散程度越大，時序變量xi的波動程度也越強烈。

1.3 R/S分析法

R/S分析法是最初由英國水文專家Hurst在研究尼羅河水文問題時提出的一種時間序列統計分析方法，后經 Mandelbrot，Wallis，Lo等多人發展使其更加成熟。尤其在時間序列變化研究方面，R/S分析法得到了充分的應用［12-16］。

1.4 小波分析

小波分析(Wavelet Analysis)是一種時、頻多分辨率方法，基本思想是用一簇小波函數系來表示或逼近某一信號或函數。本研究采用常用的墨西哥帽小波(Mexican Hat)函數對陜西省的降水時間序列進行連續小波變換［15］。

2 分析與結果

2.1 降水量空間演變格局分析

研究表明1957—2011年，400 mm和800 mm等降水量線均有總體南移的趨向，但由于受降水量增加的影響，2007—2011年兩條曲線有所北移。800 mm等降水量線移動的速度和范圍要比400 mm大很多。400 mm等降水量線西段移動緩慢，而中段和東段移動范圍較大。陜西省平均降水量在323.4～917.6 mm范圍內變動，受地帶性規律的影響，降水量隨著緯度增高而減少。

2.2 降水量年際變化分析

2.2.1 年降水量變化特征 22個站點的降水特征值最大年降水量在553.5～1 462.8 mm內變動，最大降水年出現在1983年(漢中站)，最小年降水量在159.1～603.8 mm之間變動，最小降水年份為1965年(榆林站)，最大降水量是最小降水量的9倍多，兩站點降水量相差1 300多mm。各站點的變差系數cv都較大，其中變差系數最大的是位于陜北農牧交錯區的定邊站(0.28)，最小的是洛川、鎮安和安康3個站點，變差系數均為0.20。22個站點變差系數均高于0.20，說明區內降水量年際變化較大，震蕩劇烈。

2.2.2 季節降水量變化特征 圖1顯示，1年時間尺度上，春季降水量在20世紀60～80年代的距平值基本為正值，這一時段為豐水期。然而90年代以后，70%年份的距平值處于負值，說明近20多年來春季降水量呈減少趨勢，處于缺水狀態;夏季降水量距平值呈震蕩狀態的變化，豐水期集中在1978—1990年，其余大多數年份處于缺水狀態;而55年間負值在秋季距平值序列中占主導地位，與夏季和冬季比較，秋季距平變化更為劇烈，1985年以后明顯處于缺水期，這種狀況持續了近25年;冬季距平值1989年比較特殊，偏離均值40 mm，其他年份波動較為平穩。此外，秋季降水量滑動趨向變化趨勢與年平均降水量滑動平均曲線波動極為吻合，主要是因為秋季處于夏季與冬季之間，屬于降水變化的過渡階段，總體呈下降趨勢。

2.3 降水量R/S分析

2.3.1 年降水序列持續特征 1年時間尺度上，三大地形區的H值均大于0.5。這表明三大地形區降水過程具有持續性特征，未來趨勢與歷史時期變化趨勢關聯性強。其中，關中平原和秦巴山區H值分別為0.709，0.686，持續性等級均為較強，黃土高原H值為0.589，持續強度等級為較弱，陜西省總體H值為0.692，處于較強等級。

2.3.2 季節降水序列持續特征 三大地形區四季Hurst指數均大于0.5，說明4個季節的降水趨勢也具有持續性，H值最大值為0.796(4級)，最小值0.501(1級)。但每個季節的Hurst指數又有所差異，陜西省秋季Hurst指數等級最高，降水持續性特征最強，春夏其次，冬季最低。

圖1 不同季節降水量距平變化情況Fig.1 Precipitation anomaly changes of 4 seasons

2.4 降水量變化周期分析

春季降水量在34年時間尺度上，周期震蕩非常顯著，直到2011年等值線仍為閉合，說明未來幾年春季降水量將繼續偏多，目前正處于降水偏多時期;夏季降水量在34年時間尺度上震蕩最為顯著，34年為其主周期。目前等值線即將閉合，說明夏季降水偏多期也將隨之結束;秋季降水量在34年時間尺度上震蕩最為顯著，34年為其主周期，未來2～3年仍處于多水期;冬季降水量在24年時間尺度上振蕩最明顯，在此尺度上，2011年已經開始進入降水偏少期;34年為年均降水量小波方差的峰值，說明34年為其主周期。在此尺度上，年降水量經歷了多→少→多→少→多5個循環交替，陜西省未來2～3年仍處于多水期。

2.5 降水量未來趨勢判斷

在34年時間尺度上可以判斷未來陜西省降水變化的趨勢:從長期來看，陜西省降水量呈總體減少的趨勢，并且具有較強的持續性特征。從短期來看，陜西省降水量會經歷多水期和少水期循環交替。春季降水量在2012—2014年仍處于多雨期，2015—2026年降水量將偏少，春季干旱的幾率隨之增加。夏季降水已經進入少水期，這種狀況預計會持續到2022年左右，夏季暖干化趨勢加強。秋季未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后降水將偏少。冬季已經開始進入降水偏少期，這種狀況最長會持續8年。年降水量雖然未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后的11年將會一直處于少水期。總體來看，陜西省降水處于多雨期末期，2015年以后降水量將會有所減少，進入長達11年的少水期，未來暖干化趨勢更加明顯。

3 結論

通過以上研究，本文認為過去50多年間陜西省降水特征明顯，規律性強。主要體現在以下幾方面:①陜西省降水空間變化表現為從東南向西北逐漸遞減，1957—2011年陜西省年降水量一直處于下降趨勢，線性傾向率為-9.7 mm/10 a，400 mm和800 mm等降水量線總體南移的趨向進一步說明了降水量呈減少的趨勢。②陜西省降水量年際變化震蕩劇烈、穩定性差，在1年和5年時間尺度上全年降水量和各個季節降水量變化均呈波動態勢，春季和秋季波動劇烈，下降趨勢明顯。③降水變化過程持續性強，季節和年降水量H值都大于0.5，這表明陜西省降水未來變化將與過去的變化趨勢一致，但不同地區和時間尺度的持續性有所不同。④降水過程具有一定的周期性，年均降水量和春夏秋季都存在34年時間尺度的周期，冬季為24年。此外，春秋冬三季除了具有第一周期外，還具有分別以10年、13～17年和6～10年的第二周期。⑤雖然陜西省未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后陜西省將會進入少水期，這種狀況最長會持續11年之久，這與太陽黑子周期的變化相一致，未來陜西省暖干化趨勢將凸顯。

［1］ 王紹武，蔡靜寧，慕巧珍，等.中國西部年降水量的氣候變化［J］.自然資源學報，2002，17(4):415-422.

［2］ 馮新靈，羅隆誠，馮自立.中國近50年降水變化趨勢及突變的 Hurst指數試驗［J］.干旱區地理，2009，32(6):859-866.

［3］ 何艷芬，張喨.陜西省1980—2006年氣候變化時空特征研究［J］.干旱區資源與環境，2011，25(11):59-63.

［4］ 徐宗學，米艷嬌，李占玲，等.和田河流域氣溫與降水量長期變化趨勢及其持續性分析［J］.資源科學，2008，30(12):1833-1838.

［5］ 霍雨，王臘春，陳曉玲，等.1950年以來鄱陽湖流域降水變化趨勢及其持續性特征［J］.湖泊科學，2011，23(3):454-462.

［6］ IPCC.Summary of Policymakers of Climate Change 2007:The Physical Science Basis.Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［M］.Cambrige，UK and New York，USA:Cambridge University Press，2007.

［7］ 吳榜華，孟慶繁，趙元根，等.全球氣候變化與生物多樣性［J］.吉林林學院學報，1997，13(3):142-146.

［8］ 姜創業，魏娜，程肖俠，等.1961—2008年陜西省年際氣溫和降水區域性變化特征分析［J］.水土保持研究，2011，18(1):197-200.

［9］ 魏娜，鞏遠發，王霄.基于小波變換的陜西夏季降水量變化特征研究［J］.中國沙漠，2007，27(6):1080-1084.

［10］方建剛，白愛娟，肖科麗，等.陜西伏旱氣候特征及成因分析［J］.干旱地區農業研究，2009，27(2):28-34.

［11］郭建平，高素華，毛飛.中國北方地區干旱化趨勢與防御對策研究［J］.自然災害學報，2001，10(3):32-36.

［12］門寶輝，劉昌明，夏軍，等.R/S分析法在南水北調西線一期工程調水河流徑流趨勢預測中的應用［J］.冰川凍土，2005，27(4):568-573.

［13］張利平，王德智，夏軍，等.R/S分析在洪水變化趨勢預測中的應用研究［J］.中國農村水利水電，2005(2):38-40.

［14］李遠耀，殷坤龍，程溫鳴.R/S分析在滑坡變形趨勢預測中的應用［J］.巖土工程學報，2010，32(8):1291-1296.

［15］張慶偉，石純，王軍，等.基于分形理論與GIS技術的山東省氣溫趨勢性分析［J］.地理科學進展，2011，30(11):1410-1414.

［16］王孝禮，胡寶清，夏軍.水文時序趨勢與變異點的R/S分析法［J］.武漢大學學報(工學版)，2002，35(2):10-12.