黃土高原半干旱區降水量對當地氣候變化的響應

王勝++郭海瑛++王娟++匡朝

摘要：利用毛烏素沙漠邊緣的丘陵溝壑區的觀測站降水量資料，通過Mann-Kendall法等數理統計方法，分析隴東北部地區降水量對當地氣候變化的響應特征。從56 a的降水量統計來看，降水呈現出逐年減少的趨勢，其中年降水量、春季降水量、秋季降水量序列的線性傾向率分別為-7.36、-2.27、-6.35 mm/10 a，夏季降水量序列的線性傾向率為0.69 mm/10 a，這說明四季當中只有夏季降水量呈現出上升的變化趨勢。通過對降水量的多時間尺度分析發現，年降水量存在著至少3個尺度的變化結構，主要的變換集中在5、10～15、25～30 a的尺度，在25～30 a的時間尺度上最為顯著，降水量經歷了偏多-偏少-偏多-偏少的交替變化，1970年前、1984～1997年降水量較多，1970～1984、1997～2007年降水量較少，2007年之后降水量又開始趨于增多，根據降水量的小波方差分析，確定25～30 a是降水量序列變化的第一主導周期。通過Mann-Kendall突變檢驗發現降水量在1968年之后減少的趨勢明顯，確定突變點為1968年。通過研究降水量與其他氣象要素的相關性發現，夏季氣溫、秋季的日照時數，春季的地表溫度伴隨著相應時間段降水量的變化，均表現出負相關的變化特征，只有秋季降水量與相對濕度表現為正相關的變化規律。秋季相對濕度與降水量的變化關系最為密切，相關系數最大達到0.71，其后依次是秋季降水量和日照時數的0.60、春季降水量與地表溫度的0.36，夏季氣溫與降水量的0.35。關系模型的建立說明通過降水量的變化情況在一定程度上可以反映出其他氣象要素的變化規律，其共同影響著當地的氣候環境。

關鍵詞：環縣；降水量；氣候變化；相關性；影響

中圖分類號：P462.3；P426.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）16-3048-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.16.013

Response of Precipitation to Local Climate Change in Semi-arid Region of Loess Plateau

WANG Sheng，GUO Hai-ying，WANG Juan，KUANG Zhao

（Huan County Bureau of Meteorology of Gansu Province， Qingyang 745700，Gansu，China）

Abstract： Using the observation in hilly and gully area of Maowusu desert station， climatic characteristics of precipitation and temperature and sunshine hours， through the Mann-Kendall and other methods of mathematical statistics， the response characteristics of the precipitation in the northeast of Gansu local climate change was analysised. From 56 a of precipitation statistics， the precipitation showed a trend of decreasing year by year. The linear tendency rate of annual precipitation， spring precipitation and autumn precipitation series were -7.36， -2.27， -6.35 mm/10 a， respectively. The linear tendency rate of summer precipitation series was 0.69 mm/10 a， which showed that only in the four seasons of summer precipitation showed a rising trend. Based on the multi time scale analysis of precipitation： There were at least three scale changes in precipitation. The main transformation was concentrated in 5， 10～15， 25～30 a scale， the most significant in the time scale of 25～30 a. Precipitation had experienced more， less， more， less change process， 1970 years ago， 1984～1997 precipitation were more， 1970～1984， 1997～2007 precipitation were less， in 2007 after the precipitation began to increase. According to the wavelet variance analysis of precipitation， determination of 25～30 a was the first dominant period of the change of precipitation series. Through the Mann-Kendall mutation test， it was found that the precipitation decreased trend was obvious after 1968， and the mutation point was 1968. By studying the correlation between precipitation and other meteorological elements， it was found that summer temperature and sunshine hours in autumn， the surface temperature in spring were accompanied with the change of precipitation in the corresponding time period， all of which showed a negative correlation. Only the positive correlation was shown between the fall precipitation and relative humidity. It was clear that the relationship between the relative humidity and precipitation was the most closely， and the correlation coefficient was 0.71. Then， it was the autumn precipitation and sunshine hours of 0.60， spring precipitation and surface temperature of 0.36， summer air temperature and precipitation of 0.35. The establishment of the relationship model showed that the change of the other meteorological factors could be reflected by the change of precipitation， which together affected the local climate environment.endprint

Key words： Huan county； precipitation； climate change； correlation； affect

環縣位于甘肅東部、慶陽市西北部，東臨甘肅華池縣、陜西定邊縣，南接甘肅慶城、鎮原縣，西連寧夏固原市原州區和同心縣，北靠寧夏鹽池縣，是1936年解放的革命老區，紅軍長征途經之地，是陜甘寧根據地的重要組成部分、中國人民解放戰爭的大后方。環縣東、西寬約124 km，南北長約127 km，總面積9 236 km2，環縣地處毛烏素沙漠邊緣的丘陵溝壑區，山大溝深，地形復雜，山、川、原兼有，梁、峁、谷相間。環縣位居內陸，距海遙遠，地形復雜，全縣大部分地區屬環江流域，為溫帶大陸性半干旱氣候，多風干燥，旱、雹、風、凍、蟲五災俱全，尤以旱災為重，是甘肅省20個干旱縣之一。

近年來氣候變化異常情況逐年增多，對重要氣象要素的研究越來越深入，降水量作為重要的氣象因子，其任何的變化都會對當地的水分平衡以及農業生產產生重要的影響。西北多沙漠或荒漠地形，干燥且植被少，故多干旱，目前對西北地區降水量的研究取得了一定的成果，研究者分析河西地區降水量的變化狀況[1-6]；重點研究了甘肅省黃土高原區降水量空間分布及極端降水情況[7-12]；并對空中水氣輸送時變特征及可利用降水的時空變化特征進行了分析研究[13-18]；史玉光等[19]、馬建勇等[20]、莊曉翠等[21]對地處西北區域的新疆大氣可降水量的氣候特征及其變化進行了研究；易湘生等[22]研究了青海三江源地區近50 a的氣溫變化；馬中華等[23]、張小明等[24]對近50 a甘肅省夏季日極端降水頻數與強度及夏季極端強降水量的氣候特征進行了分析。環縣境內由于地形、地勢狀況和植被條件的不同，自然降水的地理分布有明顯差異，總的分布狀況是由南向北遞減明顯，自有“十年九旱”、“三年一大旱，年年有旱情”之說。全球氣候的不斷惡化，災害性天氣對人類的危害越來越大，暴雨是不可忽視的氣象災害。環縣山高、坡陡、溝多、地面植被差，強度大的降水容易形成徑流，洪水可使泥石流發生，淹沒農田、房屋、沖毀堤壩和交通設施，甚至人畜造成傷亡，局地暴雨平均每年都有1～2次并造成災害。本研究利用地處毛烏素沙漠邊緣的丘陵溝壑區的觀測站降水量資料，對氣溫、日照時數等敏感氣候要素變化特征進行分析，以此總結降水量的變化規律，從而掌握其對環縣氣候變化的響應特征，為農業氣象、牧農業生產提供有力的保障。

1 資料及研究方法

1.1 資料來源

利用1960～2015年環縣國家基本氣象站自動雨量傳感器測定的降水量數據包括四季降水量、逐年降水量以及氣溫、日照時數等觀測資料，利用線性傾向估計法、小波分析法對資料進行周期性分析研究，通過Mann-Kendall法對降水量進行突變性檢驗，通過曲線擬合的方式分析降水量對當地氣候變化的響應。

氣象定義：12～2月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季。

1.2 研究方法

主要采用線性氣候傾向估計法、小波分析法和Mann-Kendall法進行突變檢測[25，26]。

2 降水量時空分布特征

2.1 降水量變化規律

2.1.1 降水量年際變化 慶陽市環縣1960～2015年降水量根據年代、季節統計結果見表1。從降水量年代的變化特征來看，20世紀60年代的平均降水量最多，達到476.6 mm；而從20世紀70年代至今降水量的變化趨勢呈略微上升的趨勢。從季節的角度分析，降水量在春季、夏季以及冬季表現出與年代近似的變化特征，而在秋季，降水量隨著年代的變化表現出的波動性較大，具體表現為1960～1990年代不斷地減少，20世紀90年代至今又表現出上升的趨勢；綜合年代與季節兩方面來看，環縣降水量主要集中在夏季和秋季，其次為春季，冬季降水量最少；特別是在60、70年代，夏季和秋季降水量占全年的80%。從上述分析可以得到環縣降水量四季分布極為不均勻的結論。

從圖1可以看出，56 a中降水量大于歷年平均降水量的年份有27 a，小于歷年平均降水量的年份有29 a，兩者基本持平，其中1970年之前降水量大于歷年平均值的年份較多，相反的降水量小于歷年值的年份主要集中在1970～1984年；通過對56 a降水量的分析看出，降水量序列的線性傾向率為-7.36 mm/10 a，即降水量隨著時間的推移表現出不斷減少的變化趨勢，降水量變化曲線能夠直觀地診斷降水量的變化規律，整體來看呈現出3個波峰值和2個波谷值的態勢，具體表現為20世紀60年代初、90年代初以及2011～2014年降水量較多，而在20世紀60年代初至90年代初以及90年代初至2011年降水量較少，其中1964年降水量達到歷史最大值，為811.0 mm，2006年降水量達最小值，為258.1 mm。

2.1.2 降水量季節變化特征分析 環縣1960～2015年逐年春季平均降水量距平值變化曲線見圖2a。從圖2a可以看出，春季降水量序列的線性傾向率為 -2.27 mm/10 a，說明降水量在春季表現出減少的趨勢，其中有23 a的降水量大于歷年平均值，33 a的降水量小于歷年平均值，1998年降水量達到229.2 mm，為歷史最大值，而歷史最小值出現在1995年，為12.3 mm，兩者之間相差216.9 mm。

環縣1960～2015年逐年夏季降水量距平值曲線見圖2b。從圖2b可以看出，夏季降水量序列的線性傾向率為0.69 mm/10 a，說明該縣夏季的降水量在不斷增加，但是增加的幅度比較緩慢。通過統計計算得到，在56 a中有25 a夏季降水量距平值為正值，31 a距平值為負值，尤其是在1969～1987年，降水距平值為負值的年份為11 a，降水量距平值為正值的年份集中在1984～2003年，占比為65%，1964、1991年的降水量分別為450.5、93.8 mm，為歷史最大值和最小值。夏季降水量占全年的比例為54%，因此，夏季降水量的不斷增加必將會對全年的降水量產生重要的影響。endprint

環縣1960～2015年逐年秋季降水量距平值變化曲線見圖2c。根據計算分析得到秋季降水量序列的線性傾向率為-6.35 mm/10 a，即56 a中秋季降水量逐年遞減，秋季降水量遞減的幅度大于春季。期間有24 a的降水量大于歷史平均值，32 a的降水量均小于歷史平均值，1960～1968年的降水量均大于歷史平均值且歷史極大值出現在1961年，為294 mm，而在1969～1999年的31 a中，降水量小于歷史平均值的年份占比為81%，歷史最小值為29.4 mm，出現在1986年。

環縣1960～2015年逐年冬季降水量距平值變化曲線見圖2d。冬季降水量序列的線性傾向率為0.57 mm/10 a，可見冬季降水量隨著時間的推移，呈現出緩慢的增加趨勢。其中有21 a的降水量少于歷年平均值，35 a的降水量大于歷年平均值，1960～1968、1978～1988年兩段時間中降水量小于歷年平均值的年份占比為90%，1990年降水量為27.3 mm，達到歷史最大值，1999年冬季沒有降水量，由于冬季降水量只占全年的2%，因此對全年的降水量的貢獻和影響很小。

2.1.3 降水量多時間尺度分析 環縣1960～2015年逐年降水量Morlet小波變換特征分析見圖3a。從圖3a中可以看出，環縣的年降水量存在著至少3個尺度的變化結構。小尺度的變化一般集中在某些時間段內，5 a左右的周期變化在1982～2003年之間較為明顯，降水量變化表現為4個偏多期和3個偏少期，1982～1985、1988～1991、1994～1997、2000～2004年為偏多期，1985～1988、1991～1994、1997～2000年為偏少期；大尺度的變化在10～15 a以及25～30 a的周期上最為明顯，10～15 a的時間尺度上，降水量經歷了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多9個循環交替，1960～1968、1974～1980、1986～1992、1999～2005、2010～2015年降水量較多，1968～1974、1980～1986、1992～1999、2005～2010年降水量較少；在25～30 a的時間尺度上，降水量經歷了偏多-偏少-偏多-偏少的交替變化，1970年前、1984～1997年降水量較多，1970～1984、1997～2007年降水量較少，2007年之后降水量又開始趨于增多，截至目前曲線仍未閉合，說明近幾年降水量仍然會保持較多的態勢。在5 a以下的尺度，降水量呈現出的變化波動較大，線條較密，相互嵌套，周期變化不夠明顯，因此不再進行單獨的分析。

環縣1960～2015年降水量的小波方差分布見圖3b，可以看到曲線中存在著4個比較明顯的波峰，分別是2、5 a的周期、10～15 a的周期、25～30 a的周期，說明降水量變化存在于這4個周期之上。4個時間尺度中，降水量在尺度2 a上的振動能量最小，在5、10～15、25～30 a的周期上峰值顯著，確定25～30 a是降水量序列變化的第一主導周期，10～15、5 a依次為第二和第三主導周期，這一結論與圖3a所分析的結論一致。

2.2 降水量突變分析

根據1960～2015年降水資料，運用Mann-Kendall法，對環縣56 a年平均降水量序列進行突變性處理，結果見圖4。從圖4所呈現的突變檢驗結果來看，UF曲線在1969年以前均為正值，說明該段時間內降水量處在較多期；UB與UF兩曲線在整個時間段內先后相交于1968、2012、2014年3個點，且交點都出現±1.96的信度線之間，但1968年之后兩曲線出現了波動變化，2012、2014這兩個轉折點并不顯著；UF曲線在1968年之后均呈現出負值的狀態，在1982年超出了-1.96的信度臨界線（通過信度為0.05的顯著性檢驗），充分說明降水量在1968年之后減少的趨勢明顯，且突變點為1968年。

3 降水量對氣候變化的響應

降水量的變化趨勢對研究當地氣候環境的特征具有重要的意義。為了找出降水量與其他影響氣候變化的因子之間的關聯，通過常用的手法相關性檢驗來判定。從表2可以看出，降水量在四季當中對其他氣象要素的影響情況不同。①氣溫。只有夏季氣溫與降水量的相關性較強，通過了0.01的相關性檢驗；②日照時數。春季、秋季、冬季日照時數與相應時段的降水量相關系數通過了0.01的相關性檢驗，其中在秋季兩者的相關系數達到0.60，其次是冬季、春季；③地表溫度。春季和夏季的地表溫度與降水量相關系數通過了0.01的相關性檢驗；④蒸發量。只在冬季與降水量的相關性勉強通過了0.01的相關性檢驗；⑤相對濕度。在春、夏、秋、冬四季與降水量的相關性均通過了0.01的相關性檢驗，符合一般邏輯?？傮w來看，除相對濕度外，夏季氣溫、秋季日照時數、夏季地表溫度與相應時次的降水量相關性強，可進行后續的模型研究。

3.1 降水量對氣溫的響應（夏季）

利用1960～2015年的夏季平均氣溫和年平均降水量，建立兩者之間的關系模型。通過計算和數據處理得到模擬方程為：

TQ=-0.14×TJ+20.038 （1）

式中，TJ為降水量；TQ為氣溫。

計算回歸系數R為0.353，其決定系數R2為0.125；F為7.7；P所反映的顯著性水平值為0.008，這些參數的結果說明所建立的一元關系模型具有意義。根據方程所計算出的模擬值與實測值之間的平均絕對誤差為0 ℃，兩者之間的誤差在很小的范圍之間，進一步說明建立的模型方程有意義，即通過降水量能夠反映出氣溫的變化特征。

3.2 降水量對日照時數的響應（秋季）

秋季降水量與秋季日照時數之間的相關系數達到0.60，相關性很強，利用1960～2015 年的秋季日照時數和年平均降水量，建立兩者之間的關系模型。

TR=-0.409×TJ+304.1 （2）endprint

式中，TJ為降水量；TR為日照時數。計算所得到的回歸系數為0.602，決定系數R2為0.362；F為30.6；反映顯著性水平的P為0.000，這些參數都說明所構建的關系模型是有意義的。

56 a里通過降水量所計算的日照時數與實際觀測值之間的平均絕對誤差為0.00 ℃，圖5為兩者之間的散點圖，大多數的數值點在所擬合曲線的附近，可以看到模型擬合的日照時數與觀測值之間的誤差在很小的范圍內，因此，所建立的關系模型具有意義，即通過夏季降水量的變化趨勢能夠驗算出夏季日照時數的變化規律。

模擬方程所擬合的日照時數與實際觀測值之間的關系曲線見圖6。由圖6可知，56 a中秋季模擬計算的降水量與實際觀測值之間的平均絕對誤差為0.00 ℃，其中最大絕對誤差為102.5 mm，出現在1961年，該年降水量為秋季歷史最大值，降水量達到了294 mm，是造成兩者誤差較大的重要原因；兩者最小絕對誤差出現在1979年，為-0.7 mm，總體來看兩者誤差在很小的范圍之內，兩條曲線呈現出的變化趨勢也具有相似性，這足以說明之前所建立的關系模型效果良好，可以通過秋季降水量的變化趨勢來反映出秋季日照時數的變化規律。

3.3 降水量對地表溫度的響應（春季）

春季降水量與地表溫度之間的相關系數為0.36，選取春季降水量與地表溫度建立兩者之間的關系模型：

TD=-9.385×TJ+199.309 （3）

式中，TJ為降水量；TD為地表溫度。計算所得到的回歸系數為0.356，決定系數R2為0.128；F為7.9；反映顯著性水平的P為0.07，綜合考慮這些參數，說明所建立的關系模型是具有意義的，即可以通過春季降水量的變化趨勢來反映春季地表溫度的變化特征。

3.4 降水量對相對濕度的響應（秋季）

降水量在四季當中與對應時段的相對濕度相關性都很強，特別是在秋季，降水量與相對濕度之間的相關系數最大，為0.71，在兩者之間構建關系模型：

TU=3.782×TJ-109.689 （4）

式中，TJ為降水量；TU為地面溫度。計算所得到的回歸系數為0.709，決定系數R2為0.530；F為54.7；反映顯著性水平的P為0.00，這些參數值符合兩者關系模型的建立要求。

根據以上分析可以看出，降水量與其他氣象要素在不同的時間段均存在著較為顯著的響應關系，降水量的變化情況在一定程度上可以反映出其他氣象要素的變化規律，它們共同影響著當地的氣候環境狀態。從構建關系模型的情況來看，夏季氣溫、秋季的日照時數、春季的地表溫度伴隨著相應時間段降水量的變化，均表現出負相關的變化特征，只有秋季降水量與相對濕度表現為正相關的變化規律。很顯然秋季相對濕度與降水量的變化關系最為密切，相關系數最大達到0.71，其后依次是秋季降水量和日照時數的0.60、春季降水量與地表溫度的0.36，夏季氣溫與降水量的0.35。

4 小結

1）從環縣1960～2015年降水量年代、季節分析，20世紀60年代的平均降水量最多，達到503.5 mm；從20世紀70年代至今降水量的變化趨勢呈現出略微上升的趨勢。從季節的角度分析，降水量在春季、夏季以及冬季表現出與年代近似的變化特征，而在秋季，降水量隨著年代的變化表現出的波動性較大，具體表現為60年代至90年代不斷減少，90年代至今又表現出上升的趨勢。環縣降水量主要集中在夏季和秋季，其次為春季，冬季降水量最少。

2）對56 a年降水量進行Morlet小波變換特征分析，年降水量存在著3個比較明顯尺度的變化結構，主要的變換集中在5、10～15、25～30 a周期，10～15 a的時間尺度上，降水量經歷了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多9個循環交替；在25～30 a的時間尺度上，降水量經歷了偏多-偏少-偏多-偏少的交替變化，1970年前、1984～1997年降水量較多，1970～1984、1997～2007年降水量較少，2007年之后降水量又開始趨于增多。降水量的小波方差分析，確定25～30 a是降水量序列變化的第一主導周期，10～15、5 a依次為第二和第三主導周期。

3）Mann-Kendall法對環縣56 a年平均降水量序列進行了突變性檢測。從兩條曲線的變化來看，UF曲線在1969年以前均為正值，說明該段時間內降水量處在較多期；UB與UF兩曲線在整個時間段內先后相交于1968年，UF曲線在1968年之后均呈現出負值的狀態，在1982年超出了-1.96的信度臨界線，表明降水量在1968年之后減少的趨勢明顯，確定突變點為1968年。

4）研究降水量與其他氣象要素的相關性發現，在特定的季節之間存在著一定的相關性。夏季氣溫、秋季的日照時數、春季的地表溫度伴隨著相應時間段降水量的變化，均表現出負相關的變化特征，只有秋季降水量與相對濕度表現為正相關的變化規律。很顯然，秋季相對濕度與降水量的變化關系最為密切，相關系數最大達到0.71，其后依次是秋季降水量和日照時數的0.60，春季降水量與地表溫度的0.36，夏季氣溫與降水量的0.35。關系模型的建立說明通過降水量的變化情況在一定程度上可以反映出其他氣象要素的變化規律，其共同影響著當地的氣候環境。

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