北半球冬季旱區(qū)降水變化趨勢分析

楊子凡　齊玉磊　鄔仲勛

摘要 將北半球旱區(qū)分為極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)、濕潤偏干區(qū)4種旱地類型，結(jié)合曲線擬合、Mann-Kendall檢驗和小波分析等方法，分析了1948—2008年北半球旱區(qū)冬季降水的分布及變化趨勢。結(jié)果表明，近61年來北半球冬季年降水量整體為減少趨勢，降水量最少的區(qū)域為極端干旱區(qū)，降水量最多的區(qū)域為濕潤偏干區(qū)；北半球陸地降水量減少幅度為3.77 mm/10 a，濕潤偏干區(qū)變化率最大，而極端干旱區(qū)降水量變化最小；北半球冬季陸地平均降水量在20世紀70年代初期存在一個突變年份，濕潤偏干區(qū)的降水量在80年代中期發(fā)生突變；北半球極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)冬季降水量均存在30年的準周期。

關(guān)鍵詞 旱區(qū)；降水量；變化趨勢；小波分析；Mann-Kendall檢驗；北半球

中圖分類號 S161.6 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）17-0165-03

Abstract The northern hemisphere drought was divided into four dry land types：hyperarid， arid， semiarid and dry subhumid. The distribution and change trend of precipitation during 1948-2008 were analyzed by the methods of curve fitting， Mann Kendall test and wavelet analysis.The results showed that the annual precipitation in the northern hemisphere during the past 61 years had been decreasing overall.The area with the lowest precipitation was hyperarid， and the area with the highest precipitation was dry subhumid. In the northern hemisphere， the precipitation decrease was 3.77 mm/10 a， the change rate of dry subhumid was the largest， and the change of precipitation in hyperarid was the smallest. In the northern hemisphere， there was a sudden change of the mean precipitation in the early 70s， and the precipitation in the dry subhumid occurred a sudden change in the mid 80s.There were 30year variation periods of winter precipitation in hyperarid， arid， semiarid in the northern hemisphere.

Key words Arid area；Precipitation；Changing trend；Wavelet analysis；Mann-Kendall test；Northern hemisphere

近些年來，全球變暖已是公認的事實，由此帶來的一系列經(jīng)濟問題和環(huán)境問題備受關(guān)注，加之自然災(zāi)害頻繁發(fā)生和人類活動的共同影響，全球的旱區(qū)氣候變化情況也變得更加嚴峻。全球陸地組成多樣，旱區(qū)是其中特殊的一部分，由于旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境極為脆弱，并且生態(tài)的自我恢復(fù)能力較差，加之對全球變暖的響應(yīng)敏感和人民生活水平的提高，因此旱區(qū)氣候是氣候變化研究領(lǐng)域中不可忽略的重要部分[1-2]。農(nóng)業(yè)是用水大戶，因此合理配置水資源利用結(jié)構(gòu)，綜合考慮水資源供需虧損等顯得尤為重要，加之氣候變化對作物產(chǎn)量的影響較為復(fù)雜[3]，降水量直接影響某區(qū)域的干旱程度，年降水量的多少影響著當?shù)氐母蓾癯潭取＝邓怯绊懭藗兩詈娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[4-5]，關(guān)系著人們生活的諸多方面。我國西北部大部分地區(qū)處在旱區(qū)，其中西部很大一部分地區(qū)還處在極端干旱區(qū)，旱區(qū)的氣候變化對我國的生態(tài)發(fā)展和農(nóng)業(yè)發(fā)展顯得尤為重要[6]。筆者將北半球旱區(qū)分為極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)、濕潤偏干區(qū)4種旱地類型，結(jié)合曲線擬合、Mann-Kendall檢驗和小波分析等方法，分析了近61年北半球旱區(qū)冬季降水的分布及變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 資料來源 選取了1948—2008年的美國氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center，CPC）的降水資料，以及全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（Global Land Data Assimilation System，GLDAS）的濕度、輻射和風(fēng)速資料。

1.2 干旱區(qū)的劃分標準 參考Feng等[7]的研究，定義干燥度指數(shù)AI=P/PET，AI是反映氣候干旱程度的一個指數(shù)，將AI<0.65的區(qū)域定義為旱區(qū)，且細分為以下幾類：極端干旱區(qū)，AI<0.05；干旱區(qū)，0.05

1.3 分析方法 計算了北半球冬季的全球陸地、旱區(qū)、極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)和濕潤偏干區(qū)的平均降水量、三點平滑降水和線性擬合降水的變化，然后采用Mann-Kendall檢驗和小波分析方法對其進行了突變檢驗和周期分析[8-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水的變化趨勢

從圖1可以看出，1948—2008年北半球冬季陸地、旱區(qū)、極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)和濕潤偏干區(qū)的降水量整體呈減少趨勢，年平均降水量分別為368、158、40、156、200、225 mm，其中降水量最少的區(qū)域為極端干旱區(qū)，降水量最多的區(qū)域為濕潤偏干區(qū)。從線性擬合來看，6種類型的降水量變化率分別是3.77、2.17、1.20、1.50、2.31、4.19 mm/10 a。其中濕潤偏干區(qū)變化率最大，降水量變化最小的是極端干旱區(qū)。

2.2 降水的突變檢驗

從圖2可看出，近61年北半球冬季陸地平均降水量存在一個突變，大約發(fā)生在20世紀70年代初期；濕潤偏干區(qū)的降水量突變發(fā)生在80年代中期；而其他幾種類型UF和UB曲線雖然有交點，但UF線并未超過臨界線，且UB線多數(shù)在2條臨界線內(nèi)，因此這樣的突變點沒有意義，所以其他幾種旱地類型的突變點并不顯著，不予考慮。

2.3 降水的周期變化 從圖3可以看出，1948—2008年北半球4種旱地類型（除濕潤偏干區(qū)）的冬季降水量均存在30年的準周期，三者對應(yīng)的能量譜圖部分也較為顯著，這些周期都通過了信度為0.05的顯著性檢驗（圖中黑點部分代表通過顯著性檢驗）。其中半干旱區(qū)還存在一個約10年的弱的小周期，濕潤偏干區(qū)存在一個10～15年的變化周期，這兩者對應(yīng)的能量譜均通過了顯著性檢驗。

3 結(jié)論

（1）1948—2008年北半球冬季年降水量整體為減少趨勢。其中，年降水量最少的區(qū)域為極端干旱區(qū)，約為40 mm；年降水量最多的區(qū)域為濕潤偏干區(qū)，約為225 mm。

（2）北半球陸地降水量減少幅度為3.77 mm/10 a，旱區(qū)減少幅度為2.17 mm/10 a，其中濕潤偏干區(qū)變化率最大，減少幅度為4.19 mm/10 a，而極端干旱區(qū)降水量變化最小，減少幅度為1.20 mm/10 a。

（3）北半球冬季陸地平均降水量存在突變，大約發(fā)生在20世紀70年代初期。濕潤偏干區(qū)的降水量突變發(fā)生在80年代中期，其他幾種旱地類型的突變點并不顯著。

（4）北半球極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)冬季降水量均存在30年的準周期，其中半干旱區(qū)還存在一個弱的小周期，約為10年；濕潤偏干區(qū)存在一個10～15年的變化周期。

參考文獻

[1] 馬柱國，符淙斌.中國干旱和半干旱帶的10年際演變特征[J].地球物理學(xué)報，2005，48（3）：519-525.

[2] 冉津江，季明霞，黃建平，等.中國干旱半干旱地區(qū)的冷季快速增溫[J].高原氣象，2014，33（4）：947-956.

[3] 劉永忠，李齊霞，孫萬榮，等.氣候干旱與作物干旱指標體系[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（3）：50-53.

[4] HULME M. Estimating global change in precipitation[J]. Weather， 1995， 50（2）：34-42.

[5] 管曉丹.全球半干旱地區(qū)冬季快速增溫的觀測研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2011.

[6] 符淙斌， 延曉冬， 郭維棟. 北方干旱化與人類適應(yīng)：以地球系統(tǒng)科學(xué)觀回答面向國家重大需求的全球變化的區(qū)域響應(yīng)和適應(yīng)問題[J]. 自然科學(xué)進展， 2006， 16（10）：1216-1223.

[7] FENG S，F(xiàn)U Q.Expansion of global drylands under a warming climate[J]. Atmos Chem Phys， 2013，13：10081-10094.

[8] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007：63-66，99-104，106-113.

[9] 孫國榮，方樂鋅，李昀英，等.1985-2006年中國中東部總云量變化趨勢分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2015，38（3）：10-18.