黃土高原近52年降水時空動態特征

程楠楠，何洪鳴，逯亞杰，景昭偉，Soksamnang Keo

1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊陵7121002.中國科學院大學，北京1000493.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100

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黃土高原近52年降水時空動態特征

程楠楠1，2，何洪鳴1，3*，逯亞杰3，景昭偉3，Soksamnang Keo3

1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊陵712100
2.中國科學院大學，北京100049
3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100

摘要：本文利用1960～2011年黃土高原及其周邊77個氣象臺站逐日降水資料，采用SPSS、GIS空間分析和轉移矩陣，分析黃土高原地區年均降水量變異特征，多年及各年代平均降水量時空分布特征。結果表明：黃土高原地區年降水量空間變異性和時間變異性較大。區域內多年及各年代平均降水量呈現從東南向西北減少的空間趨勢。區域內年降水量整體呈減少趨勢，但在2000年之后略有回升。在1960～2011年間平均降水量＜200 mm/a和200～400 mm/a的區域面積擴大，平均降水量在400～800 mm/a和＞800 mm/a的區域面積縮小。平均降水量＜200 mm/a的區域在西北地區有擴張趨勢，平均降水量200～400 mm/a的區域在區域中部擴張，平均降水量在400～800mm/a和＞800 mm/a的區域在區域南部呈縮減趨勢。

關鍵詞：黃土高原；降水量；GIS空間插值；時空變化特征

1　引言

黃土高原指太行山以西、日月山-賀蘭山以東、秦嶺以北、陰山以南的廣大地區，總面積62×104 km2，為我國第二大高原［1］。黃土高原地處半干旱、半濕潤地區，是世界上水土流失最嚴重的地區之一，除與其復雜的地形、土壤結構和生態環境有關外，年降水集中且暴雨多是主要原因之一［2］。因此，對黃土高原地區降水時空變化的研究具有重要意義。Huaxing Bin等運用Mann-Kendall方法研究黃土高原典型小流域土地利用與降水變化關系，分析過去50年降水變化趨勢［3］，Zhang等利用降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）研究降水年內變化［4］，焦菊英等分三種雨型對黃土高原降雨空間分布的不均勻性進行研究［5］，葉燕華等用REO方法進行黃土高原春季降水氣候特征分析［6］，王麟祥等采用非參數Mann-Kendall和Mann-Whitney法對黃土高原地區年降水量、侵蝕性降水量、汛期降水量和暴雨量的時空變化進行研究［1］，李志等運用Mann-Kendall法評估黃土高原極端降水事件的空間分布和時間變化特征［2］，姚玉璧等研究了黃土高原氣候和徑流量變化特征及其對生態環境的影響，表明黃土高原地區年降水量和植物生長季降水量均呈遞減趨勢［7，8］。但是現有研究多運用數學統計方法分析黃土高原地區降水變化的整體趨勢，時空變化特征及不同降雨類型與土壤侵蝕的耦合關系，而對黃土高原地區不同年代間降水和空間變化動態及其定量分析較少。因此，本文利用GIS空間插值和轉移矩陣分析方法，對黃土高原地區52年（1960～2011年）間降水空間分布和時空變化特征進行定性與定量分析，以期深入了解黃土高原地區的降水資源與環境特征及其時空變化規律。

2　資料與方法

2.1基礎資料

采用的基礎資料為1960～2011年黃土高原及周邊地區77個氣象站點逐日降水數據，其中黃土高原區域內63個站點，周邊區域14個站點，數據資料來自國家氣象局氣象信息中心。

2.2研究方法

將77個氣象站1960～2011年間逐日數據處理為年均降水數據、年代（1960 s、1970 s、1980 s、1990 s、2000 s）平均降水數據和多年平均降水數據。運用SPSS處理各站點數據，獲得年均降水數據統計特征值?；贏rcGIS平臺的普通克里格插值方法（Kriging），對黃土高原地區1960～2011年多年平均和各年代平均降水數據進行空間插值［9］，得到多年平均和年代平均降水空間分布矢量數據。

黃土高原各年代平均降水量在100 mm/a～900 mm/a之間，劃分為五個等級：＜200 mm/a（I級），200～400 mm/a（II級），400～600 mm/a（III級），600～800 mm/a（IV級），＞800 mm/a（V級）。在各年代平均降水的柵格數據基礎上，運用GIS空間分析獲得黃土高原地區5個年代不同降水量等級面積轉移矩陣［10］，及不同年代間（即1970 s～1960 s，1980 s～1970 s，1990 s～1980 s，2000 s～1990 s 4個年代，下同）不同降水量等級變化面積。據此對50年間降水時空格局及其變化動態進行分析。

3　結果與分析

3.1黃土高原年均降水量變異特征

通過SPSS軟件，計算黃土高原地區1960～2011年間年降水量的極值、均值、標準差及變異系數等，用以分析該地區降水量的變異特征。黃土高原區域內年均降水量最低值出現在內蒙古臨河（46.8 mm），最大值在陜西華山（1262.30 mm）；各站點降水變異系數大多在大于20%的范圍內，僅少數站點在10%～20%范圍內。說明黃土高原1960～2011年間年均降水量存在較強的時空變異性［11］；同時，研究區內年均降水量極大值與極小值間差異較大（最大差值為山西五臺山881 mm），說明黃土高原地區降水的年際差異性大。

3.2黃土高原多年及各年代平均降水量空間分布特征

圖1　黃土高原地區各年代及多年平均降水空間分布圖a：多年平均；b：2000 s；c：1990 s；d：1980 s；e：1970 s；f：1960 sFig.1 Spatial distribution of average precipitation in Loess Plateau for every age and some years a：annual average；b：2000 s；c：1990 s；d：1980 s；e：1970 s；f：1960 s

黃土高原地區1960～2011年多年平均和各年代平均降水量空間分布見圖1，均由東南向西北減少。圖1a表明，高值區主要在陜西南部（＞720 mm/a）；低值區主要在內蒙、寧夏和甘肅省西北部呈條帶狀分布（＜250 mm/a）。多年平均降水量在山西、陜西、寧夏和青海省的分布規律相似，呈現南多北少、東多西少，但五臺山、華山高山地區多年平均降水量均大于700 mm/a，寧夏和青海省多年平均降水量較低，大部分地區不足300 mm/a，山西與陜西多年平均降水量普遍在400 mm/a左右。甘肅與內蒙古東西跨度較大，多年平均降水量也遵循由東南向西北減少的規律，但普遍低于其他省份。

各年代與多年平均降水空間分布一致，呈現由東南向西北減少的規律（圖1 b、c、d、e、f）。黃土高原地區400 mm等降水量線大致為內蒙古呼和浩特、山西河曲、陜西榆林、陜西橫山、寧夏海源、甘肅榆中一線，隨時間推移，400 mm等降水量線向東南方向偏移，內蒙古和甘肅地區在2000 s偏移明顯。1960～2011年間，黃土高原降水量逐漸減少，由1960 s的456.7 mm/a降至1990 s的419.5 mm/a，但2000 s回升為438.6 mm/a，上述結果表明黃土高原整體向干旱化方向發展。

3.3黃土高原各年代平均降水量時空變化特征

基于年代平均降水數據，計算五個降水量等級區域面積變化，以揭示黃土高原年降水時空動態特征（表1～4）［12］。通過空間疊加功能，將各年代平均降水柵格圖層兩兩疊加，得到不同年代各降水量等級區域面積變化圖譜（圖2）。

表1　黃土高原地區1960 s、1970 s降水量變化轉移矩陣（單位：km2）Table 1 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1960 s and 1970 s

表2　黃土高原地區1970 s、1980 s降水量變化轉移矩陣（單位：km2）Table 2 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1970 s and 1980 s

表3　黃土高原地區1980 s、1990 s降水量變化轉移矩陣（單位：km2）Table 3 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1980 s and 1990 s

表4　黃土高原地區1990 s、2000 s降水量變化轉移矩陣（單位：km2）Table 4 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1990 s and 2000 s

圖2　黃土高原地區各年代降水等級變化圖譜a：1970 sVS1960 s圖譜；b：1980 sVS1970 s圖譜；c：1990 sVS1980 s圖譜；d：2000 sVS1990 s圖譜Fig.2 Change maps of different precipitation levels in Loess Plateau for every age a：1970 s VS1960 s；b：1980 s VS1970 s；c：1990 s VS1980 s；d：2000 s VS1990 s

3.3.1黃土高原不同年代降水量等級面積變化特征表1～4和圖2表明，1960～2011年間，黃土高原地區＜200 mm/a降水面積顯著增加，在80年代略減少但2000 s相對1960 s增加了40.6%；200 mm/a～400 mm/a降水面積呈增加趨勢，雖在2000 s出現減少趨勢，但2000 s相對1960 s增加11.7%；400 mm/a～600 mm/a降水面積整體波動較小但在1990 s顯著增加后又回落；600 mm/a～800 mm/a的降水面積整體減少，在1990 s減少了72.4%，但在2000 s大幅度增加；＞800 mm/a的降水面積呈現整體減少趨勢，甚至在1990 s消失，2000 s有所恢復但面積只占1960 s的51.88%。總的來說，黃土高原地區在1960～2011年間，降水呈現減少趨勢但在2000 s有所回升，＜200 mm/a的降水區域擴張最為明顯，200 mm/a～800 mm/a的降水區域波動幅度較小，＞800 mm/a的區域受降水變化影響較大。與黃土高原地區近50年降水整體減少但在2000 s略有回升的趨勢一致。

（1）1級區在1960～2011年間增加16210.4 km2，共轉入24185.14 km2，由1960～2000年4個年代的2級區轉入，分別為：6837.10 km2，1220.89 km2，5485.64 km2，10641.51 km2；轉出7974.75 km2，轉出到1970～2000年4個年代的2級區，分別為：2240.27 km2，4249.69 km2，588.14 km2，896.65 km2。

（2）2級區在1960～2011年間增加22139.4 km2，共轉入79329.24 km2，由1960～2000年4個年代的1級區和3級區轉入，分別為：2240.27 km2，4249.69 km2，588.14 km2，896.65 km2和16244.23 km2，13271.20 km22，32454.42 km2，9384.64 km2；共轉出57189.83 km2，轉出到1970～2011年4個年代的1級和3級區，分別為：6837.10 km2，1220.89 km2，5485.64 km2，10641.51 km2和3781.07 km2，4443.34 km2，1703.40 km2，23076.88 km2。

（3）3級區在1960～2011年間減少15785.59 km2，共轉入93567.15 km2，由1960～2000年4個年代的2級區和4級區轉入，分別為：3781.07 km2，4443.34 km2，1703.40 km2，23076.88 km2和13632.34 km2，10033.62 km2，36896.50 km2；共轉出109352.73 km2，轉出到1970～2011年4個年代的2級和4級區，分別為：16244.23 km2，13271.20 km2，32454.42 km2，9384.64 km2和4294.86 km2，955.98 km2，180.42 km2，32566.98 km2。

（4）4級區在1960～2011年間減少21754.84 km2，共轉入40050.38 km2，由1960～2000年4個年代的3級和5級區轉入，分別為；4294.86 km2，955.98 km2，180.42 km2，32566.98 km2和462.96 km2，1406.33 km2，182.85 km2，0 km2；共轉出61805.21 km2，轉出到1970～2010年4個年代的3級和5級區，分別為：13632.34 km2，10033.62 km2，36896.50 km2，0 km2和369.89 km2，0 Km2，0 km2，872.86 km2。

（5）5級區在1960～2011年間減少809.38 km2，共轉入1242.75 km2，由1960～2000年4個年代的4級區轉入，分別為：369.89 km2，0 km2，0 km2，872.86 km2；共轉出2052.14 km2，轉出到1970～2010 年4個年代的4級區，分別為：462.96 km2，1406.33 km2，182.85 km2，0 km2。

3.3.2黃土高原不同年代降水量等級變化特征1960～2011年間，黃土高原降水量等級分布格局見表1～4和圖2：1級區主要在黃土高原北部，包括內蒙古西北部、寧夏北部和甘肅東北小部分地區；2級區主要為黃土高原中部偏西北地區，包括內蒙古、寧夏、甘肅大部分地區及青海、陜西、山西小部分地區；3級區主要在黃土高原東南大部分地區，包括陜西、山西絕大部分地區和寧夏、青海及甘肅省部分地區；4級區主要在黃土高原東南部，包括河南、陜西和山西省部分地區；5級區主要在黃土高原局部，如陜西華山周邊地區及山西五臺山周邊地區。黃土高原地區降水量等級的空間動態特征為：1級區整體呈現向西南擴張的趨勢，但在1980 s略有縮減，擴張主要在黃土高原西北地區，包括內蒙古巴彥淖爾盟市、鄂爾多斯市和寧夏銀川、吳忠、中衛和白銀；2級區也呈現擴張趨勢，但在2000 s有所回落，擴張區主要橫穿黃土高原中部，包括內蒙古鄂爾多斯市、陜西榆林、寧夏慶陽地區、固原市、白銀市、甘肅蘭州市等地；3級區略有縮減；4級區呈縮減趨勢但在2000 s有所回升，縮減地區主要在黃土高原中部，及研究區西南部小部分地區；5級區呈現整體減少趨勢，在1990 s完全消失，主要在黃土高原南部及陜西華山和山西五臺山周邊地區。

（1）1970 s相對1960 s 1級轉變為2級的區域主要在巴彥淖爾盟中部和鄂爾多斯市北部；2級區轉變為1級的地區主要在北起鄂爾多斯西部南至白銀市的西北部的條帶區域；2級區轉變為3級的地區主要在呼和浩特北；3級降水量轉變為2級的地區主要發生為黃土高原中部，北起鄂爾多南至白銀東南部；3級區轉變為4級的地區主要在三門峽和焦作；4級區轉變為3級的地區主要在延安、咸陽、平涼和寶雞等地；4級區轉變為5級的地區主要分布在西安南部小部分地區；5級降水量轉變為4級的地區主要在陜西華山和山西五臺山周邊。

（2）1980 s相對1970 s 1級轉變為2級的區域主要在鄂爾多斯中部至吳忠西北一線；2級降水量轉變為1級主要在巴彥淖爾盟及中衛市中部；2級區轉變為3級主要在慶陽和固原西北部；3級區轉變為2級主要在呼和浩特至榆林一線，及白銀市至蘭州一線；3級區轉變為4級主要在甘肅天水；4級區轉變為3級主要在黃土高原南部，包括河南焦作、三門峽，陜西延安、咸陽、寶雞等地；5級區轉變為4級主要在西安西南角、華山和五臺山周邊地區。

（3）1990 s相對1980 s 1級區轉變為2級的區域為巴彥淖爾盟中部及鄂爾多斯中北部；2級區轉變為1級的地區主要為鄂爾多斯西部至白銀市西北部一線；2級區轉變為3級的區域為海東地區和西寧市的中部偏北地區；3級區轉變為2級的地區為北起山西大同南至甘肅定西地區一線；3級區轉變為4級的地區為河南鄭州小部分地區；5級區轉變為4級的地區僅在西安西南部和山西五臺山。

（4）2000 s相對1990 s 1級降水區轉變為2級的區域主要在鄂爾多斯市西南部；2級區轉變為1級的地區主要為巴彥淖爾盟和鄂爾多斯中部，及吳忠至白銀一線；2級區轉變為3級的區域主要在榆林市中部及忻州西北部；3級區轉變為2級的地區在北起延安西北部南至海東地區北部一線；3級區轉變為4級的區域主要在黃土高原南部，包括咸陽、寶雞、西安、渭南、延安、焦作、三門峽等地；4級區轉變為5級的地區主要在西安西南部。

4　結果與討論

（1）黃土高原地區降水在空間上由東南向西北逐漸減少。多年平均及各年代平均降水量最高值一般在研究區南端，而最低值在寧夏、內蒙古地區。由于秦嶺對冬季風南下和冬季風北上的阻礙作用，暖濕氣團在由南向北推進的過程中，水汽含量越來越少，致使黃土高原地區降水量由東南向西北減少。這與李振朝等研究所得黃土高原地區降水空間格局一致［13］。

（2）黃土高原地區1960～2011年間，年降水量呈現總體減少趨勢，400 mm等降水量線逐漸向東南方向偏移。區域整體向干旱化方向發展，但在2000年之后降水量有所回升。IPCC第四次評估報告估計，全球地表溫度在20年增加了0.6±0.2℃［14］，全球變暖引起東亞季風持續減弱，進而使季風區域末端降水減少［15］。

（3）黃土高原地區年降水量時空變異性較大；1960～2011年間，黃土高原降水量較少的區域擴大，降水量較大的區域縮小。區域內年降水量最低不足200 mm/a，最高超過800 mm/a。黃土高原內溝壑縱橫，地貌復雜，地形起伏大，南北、東西跨度大且所屬氣候帶多樣包括濕潤、半濕潤、半干旱、干旱等，空間差異性大；平均降水量＜200 mm/a和200～400 mm/a的區域面積擴大，平均降水量400～800 mm/a和＞800 mm/a的區域面積縮小。＜200 mm/a的區域擴張主要在西北地區，即200 mm等降水量線附近，200～400 mm/a的區域擴張主要在研究區中部即400 mm等降水量線附近，400～800 mm/a和＞800 mm/a的區域主要在研究區南部并呈縮減趨勢。總體來看，黃土高原地區是向干旱化方向發展的，但平均降水量＞800 mm/a的區域在1990 s完全消失又在2000 s重新出現，說明該地區的降水開始發生變化，這與王永光等研究得到華北和黃河流域一帶可能向多雨期過度的結論類似［16］。

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Spatial-temporal Dynamic Characteristics of Precipitation in the Loess Plateau, China for Recent 52 Years

CHENGNan-nan1，2，HEHong-ming1，3*，LUYa-jie3，JINGZhao-wei3，SoksamnangKeo3

1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau/Institute of Soil and Water Conservation，CAS and MWR，Shaanxi 712100，China
2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 10049，China
3. Institute of Soil and Water Conservation/Northwest A&F University，Shaanxi 712100，China

Abstract：This paper used daily precipitation data of 77 stations in Loess Plateau and its neighbors from 1960 to 2011. This study analyzed variation characteristics of annual precipitation，spatial distribution of average precipitation and spatial-temporal characteristics of each decade's precipitation in Loess Plateau through SPSS19，GIS spatial interpolation and transition matrix. Results showed that temporal and spatial variability of annual precipitation was obvious. The average precipitation of whole period and four decades showed a tendency that precipitation decreased from southeast to northwest. Annual precipitation showed a decreasing trend from 1960-2011，but it became to increase since 2000. The area of annual precipitation that less than 200 mm/a and between 200 and 400 mm/a had increased，and the area that larger than 400 mm/a had reduced. The area of precipitation that less than 200 mm/a extended in the northwest；the area of precipitation that between 200 and 400 mm/a extended in the central；the area of precipitation that larger than 400 mm/a narrowed in the south.

Keywords：Loess Plateau；precipitation；GIS spatial analysis；spatial-temporal characteristics

中圖法分類號：P467

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0388-05

收稿日期：2016-02-04修回日期：2016-04-14

基金項目：中國科學院重點部署項目：黃土高原侵蝕環境演變趨勢與黃河健康的維持（KZZD-EW-04-03）；中國科學院百人計劃項目：黃土高原流域水循環研究（2011009）

作者簡介：程楠楠（1989-），女，山東濟南人，在讀博士，主要從事黃土高原氣候變化研究. E-mail：chengnanok@126.com

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail：hongming.he@yahoo.com