1961—2010年中國降水量變化分區及其區域特征

王 聳，高西寧，肖 瑤，王 琪，王 寧

(1.吉林省氣象服務中心， 吉林 長春130062； 2.沈陽農業大學農學院， 遼寧 沈陽 110866；3.河南省氣象服務中心， 河南 鄭州450003； 4.吉林省氣象臺， 吉林 長春 130062)

IPCC第5次報告指出，全球平均陸地和海洋表面溫度于1880—2012年期間升高了0.85℃(0.65℃～1.06℃)[1]。全球氣候變暖會造成海平面氣壓場的重新調整，加速地球系統的水循環，進而影響全球的總降水量變化[2-3]。中國幅員廣闊，領土面積達1 430多萬km2[4]，占有熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶五種氣候帶。受不同氣候帶、不同大氣環流形勢[5]及復雜地形的影響，氣候變化特征有垂直變化和水平變化不均一的特點，中國的氣候變化特征存在一定的區域差異[6]。

降水量的變化是區域氣候變化最敏感、最直接的因素[7]。在氣候變暖背景下，極端降水事件很有可能強度增大、頻率增高，干旱、洪澇等極端氣候增加[8-9]。已有研究主要針對中國某個地區以及省、市的降水量變化研究[10-14]，而缺乏對中國整體范圍降水量變化的空間分布及年際差異等的系統研究。在全球氣候變化的背景下，中國過去50年氣候變化十分顯著，因此在全球氣候變化背景下對中國近50 a降水量變化的分區及其變化特征進行研究十分重要[2]。

為研究1961—2010年中國降水量變化的空間格局的穩定性及其動態變化過程，同時考慮研究氣候變化需要至少30 a的氣候資料，本研究采用滑動時段法，將研究時段分為3個時段(1961—1990、1971—2000、1981—2010年)對其降水量變化特征進行分區，并探討分區結果的差異。通過此項研究，對進一步揭示中國降水量變化特征，研究其氣候學意義，對提高我國農業生產等對氣候變化的適應性，以及社會、經濟和環境的可持續發展具有重要意義。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文使用的降水量資料來源于中國氣象科學數據共享服務網提供的1961—2010年中國地面氣候資料日值數據集，其中包含中國756個基準、基本氣象站自1951年1月以來的氣溫、氣壓、降水量等8個要素的日值數據，從中提取1961—2010年降水量數據，用于本文研究。756個氣象站中，由于建站時間有所不同，資料時間長短不同，對于降水量時間長度少于30 a的84個氣象站進行剔除；剔除因由基本(基準)站改為一般站，造成數據中斷的46個站點；剔除28個由于臺站遷址等原因造成數據10 a以上中斷的氣象站；剩余598個氣象站中，缺測降水資料用1981—2010年的標準氣候值代替[4]，最終選取此598個氣象站(站點分布見圖1)1961—2010年旬降水數據進行研究。

圖1中國598個站點分布

Fig.1 Distribution of 598 meteorological stations in China

1.2 研究方法

1.2.1 數據處理 選取1981—2010年作為氣候標準期，分別計算各站1～36旬降水量平均值，并生成各個站點1961—2010年的逐旬降水距平百分率數據集。

(1)

1.2.2 經驗正交函數(EOF)和旋轉經驗正交函數(REOF) 經驗正交函數(EOF)分解是氣候統計診斷中應用最為普遍的方法之一，在保持原有信息損失的前提下，把原始變量分解為正交函數的線性組合，構成為數很少的互不相關典型模態，代替原始變量場，每個典型模態都含有盡量多的原始場信息[15]。

旋轉經驗正交函數(REOF)分解是基于經驗正交函數(EOF)，采用正交旋轉矩陣，使原始要素場的特征信息集中映射到載荷場所代表的優勢空間上，從而使得旋轉后的典型場空間結構更加清晰，能更好地表現地域的差異，同時反映不同地域的相關分布狀況，實現將氣候要素一致的地區劃分為同一區域[16-18]。

本研究EOF對598個站點的降水距平百分率進行處理，為了清晰表示要素場區域特征，采用REOF進行區域劃分，即在區域特征分析基礎上對EOF結果做方差最大正交旋轉，重新分配方差P[15,19-20]；根據REOF分解結果，形成各臺站經方差最大旋轉后的載荷特征向量矩陣，查找各站點絕對值最大的載荷值對應的特征向量，從而確定出對該站點影響最大的特征向量，使某一特征向量的高荷載值聚為同一類型，進而對降水量變化特征進行分區[21]。

1.2.3 降水量變化趨勢分析 對分區后各區域年平均降水量的距平值進行線性趨勢分析及5 a滑動平均分析，討論各區域降水量變化特征。

5a滑動平均分析使用的計算公式為[23]：

(i=3,…,n-2)

(2)

2 結果與分析

2.1 降水量變化空間分析

采用REOF對598個站點的降水距平百分率進行分析，3個時段前11個載荷向量累積解釋方差貢獻均超過65%(表1)，第12個載荷向量以后方差貢獻率較小，即可認為取11個旋轉特征向量，基本上能夠代表分區結果[24-26]。3個時段均取前11個載荷向量進行正交旋轉，并就此進行降水量變化的空間分析。

表1 前11個載荷向量累積方差貢獻率

2.1.1 1961—1990年時段降水量變化空間特征分析 圖2為1961—1990年前11個旋轉載荷向量的空間分布圖。圖2a為第一個旋轉載荷向量場，正的高值區位于江淮地區，最高值(0.161)位于安徽省的滁縣，由圖2a可知1961—1990年以滁縣地區為中心，合肥、六安、巢湖、霍山、壽縣以及南京等地其特征向量值均達到了0.150以上。此區域包括安徽、江蘇、湖北東部和河南南部為降水量變化較大的地區，即江淮地區為1961—1990年時間段第一個降水量變化明顯地區。圖2b為第二個旋轉載荷向量場，最高值(0.158)位于河南省的三門峽地區。此區域的高值區位于山東、河南、陜西和山西南部，將此區域統稱為黃淮地區。圖2c是第三個旋轉載荷向量場，最高值(0.174)位于吉林省的通化地區，高值區位于遼寧、吉林、內蒙古的通遼和赤峰，位于東北的中部和南部地區，以及內蒙古東四盟中的通遼和赤峰區域，這些地區統稱為東北中南部地區。圖2d為第四個旋轉載荷向量場，高值區位于江南東部的福建、江南中部的江西與華南東部的廣東東部地區，此地區統稱為江南、華南東部地區。圖2e為第五個旋轉載荷向量場，高值區位于中國的西南地區東部的貴州、廣西西部和江南西部地區的湖南，最高值(0.183)位于榕江地區。可見西南地區東部和江南西部地區為第五個降水變化較大的區域。圖2f為第六個旋轉載荷向量場，高值區位于中國東北北部地區的黑龍江以及內蒙古東四盟中的烏蘭浩特和海拉爾，將這片區域統稱為東北北部地區為第六個降水變化明顯的地區。圖2g為第七個旋轉載荷向量場，最高值(0.208)位于廣東省的高要地區。華南西部的廣西和華南中部的廣東以及海南為第七個降水變化區，將華南西部和華南中部統稱為華南中西部地區。圖2h為第八個旋轉載荷向量場，此向量場出現兩個高值區，分別是中國西北東北部地區，以及新疆地區。即根據第八個旋轉載荷向量的向量場，分出兩個降水變化區，分別是中國西北東北部地區(包括甘肅、寧夏)以及新疆地區。圖2i為第九個旋轉載荷向量場，最高值(0.220)位于內蒙古的集寧，高值區位于內蒙古西部和包含河北、山西北部的華北北部地區。圖2j為第十個旋轉載荷向量場，最高值(0.266)位于云南省的思茅地區。高值區位于中國西南地區南部，即此地區為全國降水量變化明顯的地區。圖2k為第十一個旋轉載荷向量的向量場，高值區位于西藏地區、西北地區中部和西南地區北部，包括西藏、青海和四川。將西藏地區、西北地區中部和西南地區北部統稱為青藏地區。

2.1.2 1971—2000年時段降水量變化空間特征分析 分析1971—2000年時段前11個旋轉載荷向量的空間分布(圖略)。與1961—1990年時段不同的是第4個旋轉載荷向量的向量場，此區有兩個高值區，其中之一是位于內蒙古西部、青海北部、甘肅、寧夏、山西北部大片區域，屬于西北地區東北部、華北北部和內蒙古西部，在此統稱為中國北部地區。第二個區域為新疆地區，可見此兩個地區為1971—2000年時間段兩個降水量變化明顯地區。第10個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區所占面積較小，位于福建和廣東地區，與第三個和第六個特征向量所表示的區域接近，這個區域所凸顯出的降水變化已經被第三和第六個區域表示出來。

圖2 1961—1990年前11個特征向量場的空間分布圖

Fig.2 The spatial distribution map of the first 11 eigen vector fields during 1961—1990

2.1.3 1961—1990年時段降水量變化空間特征分析 分析1981—2010年時段前11個旋轉載荷向量的空間分布(圖略)，與1961—1990年、1971—2000年時段不同的是，第10個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區有兩個，分別位于河北地區與新疆地區，河北地區與第4個和第5個特征向量所表示的區域接近，這個區域所凸顯出的降水變化已經被第4和第5個區域所表示出來,只將新疆地區劃分為一個區域。第11個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區所占面積較小，位于福建和廣東地區，與第2和第6個特征向量所表示的區域接近，這個區域所凸顯出的降水變化已經被其表示出來。

2.2 降水量變化的空間分區

2.2.1 3時段空間分區 以1961—1990年EOF及REOF分析計算結果為例，前11個載荷向量累積解釋方差貢獻達到65.48%，基本上能夠代表分區結果，1961—1990年降水量變化可分成12個區域。根據旋轉經驗正交函數分解結果，結合實際地理分布情況，確定各個分區的邊界線位置，分區結果見圖3。其它兩個時段的分區過程與此相同，分區結果見圖4、圖5。

圖3 1961—1990年降水量變化分區

圖4 1971—2000年降水量變化分區

圖5 1981—2010年降水量變化分區

Fig.5 Precipitation change division during 1981—2010

2.2.2 1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3時段分區圖疊加 分析1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年三個時段的分區結果，將三個分區圖(圖3～5)疊加(圖6)，可知江淮地區、東北中南部地區、西南地區東部和江南西部地區、新疆地區和東北地區北部這五個地區三個時間段降水量變化情況相同。而中國北部地區，在1961—1990年時段，由于東西變化不同，分為東西兩區，而1971—2000年和1981—2010年兩個時段的分區情況基本相同，1971—2000年時段，青海北部與甘肅西部也被并入中國北部地區，說明在1971—2010年間，中國北部地區降水量出現了明顯的變化；江南和華南東部地區，1961—1990年時段，較1971—2000年和1981—2010年時段包含的地區增加了廣東東部區域，可以看出自1971年起，降水在此地區有變化；黃淮地區，1961—1990年和1971—2000年較為相近，1981—2010年時段黃淮地區與西北東部地區的降水量變化情況相似，歸在同一區域；華南中西部地區，1971—2000年和1981—2010年時段區域相同，在1961—1990年時段，區域包含地區小，比后兩個時間段缺少廣東東部地區，表明自1971年起，此地區的降水開始出現變化；西南地區，青海、西藏、四川、云南變化情況相似，而云南部分地區與整體西南地區的變化略有不同，1961—1990年時段，云南獨自劃分成一區，1971—1990年云南西部獨自成一區，1981—2010年時段，云南又恢復獨自成為一區，表明1980年左右，云南的降水有所變化。

2.2.3 1961—2010降水量變化分區結果 根據3時段分區疊加結果，可較為清晰地看出1961—2010年降水量變化的空間格局的穩定性及其動態變化過程。根據前面的分析，除中國北部地區之外，其它地區空間位置點發生變化的站點相對較少，可以認為研究時段內降水量變化的空間結構比較穩定，因此利用3時段分區疊加結果，對研究時段內降水量變化進行分區[26]。綜合3時段分區結果，中國1961—2010年近50 a的降水量變化分為11個區域，如圖7。11個區域分別為：Ⅰ 江淮地區；Ⅱ 東北中南部地區；Ⅲ 中國北部地區；Ⅳ 新疆地區；Ⅴ 江南和華南東部地區；Ⅵ 黃淮地區；Ⅶ 西南地區東部和江南西部地區；Ⅷ 東北北部地區；Ⅸ 華南中西部；Ⅹ 青藏地區；Ⅺ 西南地區西部。

圖6 1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3時段疊加分區圖

圖7 1961—2010年降水量變化分區

Fig.7 Precipitation change division during 1961—2010

2.3 各分區降水量變化趨勢分析

圖8為1961—2010年全國及全國各區域降水量距平變化曲線圖。圖8(a)為1961—2010年全國降水量距平變化曲線圖，由此看出，過去50 a中國全區年平均降水量呈現出微小的減少趨勢，氣候傾向率為-0.0183 mm·10 a-1，相關系數為-0.0005，未達到顯著性水平，該結果與以往的研究結果[27-31]基本一致；降水年際變幅較大，年降水量較多的年份分別為：1973年、1998年、1983年和2010年；降水量較少，較為干旱的年份分別為：2004年、1986年、2009年和1978年。5 a滑動平均曲線表明，1961—2010年間降水距平呈波動式變化并略有減少，1963—1970年間中國降水量除個別年份外，多數年份為負距平，表明此時段降水相對較少，且降水量在波動中呈現不斷下降的趨勢；70、80年代出現了兩個降水距平由正轉負的10 a準周期變化。1991—2001年，中國降水量除個別年份外，多數年份為正距平，表明此時段降水量相對較多；2002—2008年，又出現了較長時間的負距平，隨后降水距平逐漸增大，降水量逐漸增多。

圖8(b～l)為1961—2010年全國各區域降水量距平變化曲線圖。分析圖8(b～l)中中國各分區的降水量距平變化得出，中國各區域降水存在明顯的差異性，其中東北中南部地區、中國北部、黃淮地區、西南地區東部和江南西部地區、東北北部地區、西南地區西部降水量變化的氣候傾向率依次為：-6.2237、-8.5088、-13.9415、-7.8451、-1.4029、-7.5658 mm·10a-1，相關系數分別為-0.1092，-0.2342，-0.1941，-0.1017，-0.0327，-0.1941，均未達到顯著性水平，降水量均表現為減少的趨勢；江淮地區、新疆地區、江南和華南東部地區、華南中西部、青藏地區氣候傾向率依次為12.9260、8.7274、23.2075、14.3882、7.3256 mm·10 a-1，相關系數分別為0.1187，0.5294，0.1646，0.0960，0.4214，均未達到顯著性水平，降水量均表現為增加的趨勢。由5 a滑動平均曲線可以看出，江淮地區的降水距平波動較小，20世紀60年代開始減少，60年代中期趨于上升，于70年代中期開始下降，到了80年代開始上升，直到1995年又開始下降，之后降水變化趨于平緩(圖8b)。這個區域的降水增加主要是因為1980年到1995年，江淮流域不斷出現夏秋季洪澇[32]；東北中南部地區在1975年和1996年均出現了明顯的降水距平減少的趨勢，80年代之前，降水距平波動較小，80年代后期降水距平波動變大(圖8c)；中國北部地區降水距平具有較強的變化性，降水距平由70年代開始減少，由70年代中期回升，又在80年代初期開始減少，之后呈波動性變化。在90年代中后期降水略有下降(圖8d)，該地區整體降水趨勢下降與極強降水頻率的減少有很大關系，此地區在1965年和1980年出現了降水異常的兩次躍變，65年之前為澇年，之后為旱年，以1980年為界，1965—1980年初是重旱年，隨后旱澇相間[33]，近50 a間，此區域的降水變化非常大，這也是3個時間段，區域劃分界限不好明確的原因；新疆地區60年代降水為正距平，到了70年代初期降水略微減少，之后波動性上升，總降水趨勢沒有明顯的突變情況(圖8e)；江南和華南東部地區在60年代初期降水量有下降的趨勢，到了60年代中期開始上升，70年代中期到80年代初期降水量距平有所減少，之后一直是波動性增加趨勢，到2000年有所降低，2009年降水距平回升(圖8f)；黃淮地區降水量波動性較小，降水量從2000年開始有回升的趨勢，70年代到2000年之間，降水距平的變化不大(圖8g)；西南地區東部和江南西部地區60年代到80年代初期，降水量距平值正負相互抵消，總的氣候傾向率為負值的原因是在80年代降水量急劇下降，雖在90年代有所回升，但到了2000年降水量又開始下降(圖8h)；東北北部地區降水距平變化的總趨勢與東北中南部地區較為接近，在80年代到2000年降水距平相對較大，但變化幅度明顯高于東北中南部地區，這也是兩將東北分成南部和北部的原因，此地區從60年代初期開始下降，在70年代后期達到了最低點，然后又開始急劇上升，在80年代的前中期達到了最大值，此后上下波動，到了90年代中期又開始下降(圖8i)，東北地區的降水量減少與極強降水頻率的減少有關[34]，東北地區為中國的少雨區，降水不足，干旱等氣象災害時有發生[9]；華南中西部降水波動較大，60年代降水距平為負值，70年代和80年代前期降水距平為正值，80年代末期，降水距平減小變為負值，之后在90年代降水距平回升，2000年降水距平又有減少趨勢(圖8j)；青藏地區持續波動性上升，只有在90年代初期，降水距平有所減少，但在2000年降水距平恢復增加的趨勢，此地區降水量的增加是由極強降水頻率的增加和強度增強而產生。此地區受高原氣候的影響，降水量等其它氣候條件多變，導致在用30 a為周期進行滑動分析時，3個時間段對此區域的劃分有所不同(圖8k)；西南地區西部區域降水變化的波動性很大，降水距平從60年代到70年代末期，降水趨于減少，之后降水量開始上升，到80年代后期開始下降，1990年降水距平回升，之后又下降，2000年有一個降水距平高值區，2000年后降水量趨于下降(圖8l)。

圖8 1961—2010年全國及全國各區域降水量距平變化曲線圖

Fig.8 Zones of precipitation anomaly graphs in China and the whole of China during 1961—2010

3 討論與結論

(1) 由于經驗正交函數(EOF)分解的局限性，即分離出的空間分布結構不能清晰地表示不同地理區域的特征[15]。然而，采用旋轉經驗正交函數(REOF)分解分區時，由于載荷場經過正交旋轉后，載荷平方的方差和達到最大，使各特征向量的高載荷值更加突出，因而該方法對降水量變化特征進行分區具有一定的客觀性[16,18,20]；但是，個別邊界區域站點，雖然按照載荷值絕對值最大的特征向量確定分區歸類，但該最大值與其它特征向量對應的載荷值差異是否顯著導致分區可能存在一定的主觀性和模糊性；這一方面說明了降水量變化的復雜性，另一方面體現了內外因子年際變化對區域降水量變化的影響。因此在方法研究的基礎上，結合區域降水量變化的氣候學原因研究，對分區的客觀性有重要的意義，同時更有利于研究氣候變化。本研究以30 a為研究尺度，分析了1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年中國降水距平百分率空間分布的動態過程，3個時段分別將中國降水量分成12個、11個和11個變化區。中國北部地區、黃淮地區、江南和華南東部地區、華南中西部地區和西南地區西部這五個地區1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3個時間段區域界限變動比較明顯，其中黃淮地區與中國北部地區的分界線隨著時間的變化逐年向南移動、黃淮地區與西南地區西部的分界線逐年向西北方向移動、華南中西部地區與西南地區東部和江南西部地區的分界線隨著時間變換逐漸向西北方向移動。綜合3個時間段的降水變化情況，將中國分成了11個降水量變化區。

(2) 已有的研究表明，中國降水量有減少的趨勢，同時也有研究表明減少趨勢并不顯著[30]；本研究利用1961—2010年降水量距平數據分析了中國各區域的降水量變化特征，所得結論與多數研究一致[2,4,9,21,24,26,34]：研究時段內中國的年降水量下降趨勢未達到顯著性水平；結合分區研究各個區域降水量的特征，各區域與全區年降水量變化趨勢有所不同，年降水量趨于減少的6個區域中，減少趨勢最大的是黃淮地區，最小的是東北北部地區，各區年降水量減少趨勢未達到顯著性水平；年降水量趨于增加的5個區域中，增加趨勢最大的是江南和華南東部地區，最小的是青藏地區，各區年降水量增加趨勢也未達到顯著性水平。

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