甘肅省1961―2018年降水量時空分布與變化研究

郭嘉兵，李金文，馬金珠，俞巧

甘肅省1961―2018年降水量時空分布與變化研究

郭嘉兵，李金文，馬金珠*，俞巧

（蘭州大學 資源環境學院/西部環境教育部重點實驗室，蘭州 730000）

【】研究甘肅省降水量時空分布與變化，獲得在暖濕趨勢下甘肅省降水量變化特征。選取甘肅省1961―2018年59個氣象站降水量為基礎數據，采用指數、小波分析、M-K檢驗等方法對甘肅省降水時空分布特征、降水周期、突變年份及趨勢變化進行分析。甘肅省年降水量在空間上自東向西呈現逐漸減少的規律，降水量年內分配不均勻程度逐漸增加；在時間上，甘肅省存在28、22、12、5 a降水變化周期，其中以28 a周期震蕩最強；降水量突變主要發生在20世紀60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。甘肅省西部地區的降水量整體呈增加趨勢，增加率為0.45 mm/a，中部、南部、東部地區呈下降趨勢，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a。甘肅省近60 a降水量的長時間尺度周期顯著，突變年份與極端降水及干旱事件相對應，西部與中東部地區降水量變化趨勢存在較大差異，20世紀90年代后，甘肅省降水量顯著增加。

甘肅省；降水量；時空分布；趨勢分析

0 引言

【研究意義】降水是水循環中最重要的氣象因子之一。降水時空變化能夠反映地區氣候與生態環境的變動，對人類的生活生產具有重要意義[1-2]。近年來，氣候異常導致我國降水量發生變化，并引起了人們的廣泛關注。

【研究進展】有研究表明，1979―2018年我國年均降水量顯著增長，且有進一步增長的趨勢[3]。氣候異常變化和人類活動加劇，造成我國北方地區降水時空分布也發生了變化[4]。20世紀60年代以來，西北地區的年降水量呈微弱上升趨勢，平均每年上升0.17 mm；具有向暖濕變化的傾向，但西北地區東部（如陜西西部，寧夏及甘肅東部）降水量呈現明顯下降趨勢[5-6]。王燕等[7]研究了1965―2001年甘肅省降水特征，甘肅省降水自西北向東南呈增加趨勢，降水量主要集中在夏季，并指出甘肅省降水量在33 a尺度上呈減少趨勢，4 a周期比較顯著。王紅桃等[8]提出甘肅省西北地區氣候向暖濕轉變，而東南部則向暖干轉變，在1967―2008年間，西北部降水量有略微的增加，東南部明顯減少。李棟梁等[9]針對甘肅河東地區降水量周期變化進行研究，認為甘肅河東年降水量存在顯著的3 a和9 a周期。

【切入點】上述研究成果主要集中在甘肅省降水量的分布趨勢和周期研究，然而近些年西北地區降水增多趨勢的降水序列略微不足，此外，關于甘肅省降水量整體周期分布時間不明確，對于降水量的變化趨勢描述的時間尺度較大，且沒有詳細分析降水量減少地區的差異性。【擬解決的關鍵問題】因此，針對以上問題，本文以氣候類豐富的甘肅省為研究區，對比不同氣候類型區降水量變化的異同點。擬選取甘肅省1961―2018年59個氣象站降水量為基礎數據，采用指數、小波分析、M-K檢驗等方法對1961―2018年甘肅省降水時空變化進行研究，這對當地生態環境以及災害預報具有重要意義，以期為今后本地區氣象、生態及水文等方面研究提供科學的依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

甘肅省地處我國中部偏西，東西蜿蜒1 600多km，氣候類型多樣，從南向北包括了亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候、溫帶大陸性氣候和高原高寒氣候等氣候類型[10-11]。秦大河[12]指出甘肅省是青藏高原、黃土高原以及蒙古高原三大地形的匯集區，不僅是我國大陸的地理中心，還是西北干旱區、東部季風區、青藏高原高寒氣候區三大氣候帶交匯地，進而甘肅省具有氣候變化敏感、生態環境脆弱等特點。

擬采用甘肅省59個氣象站1961―2018年的降水資料（數據來源于中國國家氣象科學數據中心http://data.cma.cn）為基礎數據，并結合氣候分區及年降水量，將甘肅省分為4個分區（Ⅰ：西部干旱地區、Ⅱ：中部半干旱區、Ⅲ：南部半濕潤區、Ⅳ：東部半濕潤區）[13]，進而分析其降水量的時空分布與變化。

圖1 甘肅省氣象站點分布

1.2 研究方法

采用降水集中指數[14]（，Precipitation Concentration Index）、M-K檢驗[18-20]、小波分析[15]研究降水的分布和變化特征。采用滑動檢驗[21]研究降水量的突變。

2 結果與分析

2.1 降水量空間分布及年內分配特征

通過計算甘肅省降水量各項指數，并利用ArcGIS技術繪制了等值線圖（圖2）。從圖2（a）可以看出，甘肅省年均降水量在空間上呈現自東向西逐漸減少的規律，在敦煌、瓜州地區形成了降水的極低值，敦煌地區地處干旱區，年平均降水量僅為41.31 mm；南部、東部等地區（如康縣、徽縣、正寧等地）屬于半濕潤區，年均降水量均大于700 mm，其中康縣達到了773.82 mm，為全省最大值，東西兩地區降水量相差近20倍，降水量變化的一個重要因素是受到西風勢力影響[21]。中部地區自蘭州、烏鞘嶺向西到張掖的降水量東西變化較小，南北變化大，靠近南部沿祁連山一帶降水量較多。

根據指數等值線圖（圖2（b））和v值（變異系數）等值線圖（圖2（c））可分析甘肅省各地降水年內分布的均勻性。各地區值與v值自東向西逐漸增加，年內分配不均勻程度增加。值大于20的地區占全省的22%，主要分布在敦煌、瓜州、玉門鎮等地，該地區由于地處干旱區，降水年內分布極其不均勻；其余地區的指數介于10~20之間，降雨均呈季節性分配，符合北方地區降水特征[22]。

西部地區夏季（6―8月）降水量占全年的58%，秋冬季節（9月―次年2月）僅占全年降水的23%；甘肅南部半濕潤區夏季降水占全年的48%，秋、冬季占全年的28%。相較于西部干旱區，東、南部地區降水年內分布較均勻（表1）。

圖2 降水指標空間分布圖

表1 各分區降水年內分布

2.2 降水周期分析

采用小波分析判斷甘肅省4個地區的降水量周期的周期變化，通過Matlab命令窗口實現，進而繪制小波變換系數實部變化圖（圖3）。甘肅省降水量在研究期內存在28、22、12、5 a的周期變化。

甘肅省西部地區年降水量有10~32、20~32、12~7 a尺度的周期變化，中部地區有17~32、8~15、3~7 a時間尺度的周期變化。東部與南部地區具有相似的周期變化，有18~32、9~17 a時間尺度。結合小波系數的模值分析，西部地區10~32 a時間尺度模值最大，該時間尺度能量最強、周期最顯著，但分布具有局部性（在2005年之后）；20~32 a時間尺度能量較弱，主要分布在20世紀60年代，12~17 a時間尺度周期性不顯著。中部地區17~32 a周期性最顯著，主要分布在20世紀60、70年代，以及2010年以后；8~15 a時間尺度能量相對較弱。南部、東部地區周期分布相似，18~32 a周期能量最強，周期性最明顯，主要分布在20世紀60―80年代以及2005年以后。甘肅省中、南、東部地區降水量具有相近的周期變化，而西部由于降水量的分布特性與東部差異較大，周期性有一定偏差。

圖3 甘肅省小波變換系數實部變化

甘肅各地區小波方差圖存在4個明顯峰值（圖4），其中西部地區：28、21、14、7 a；中部地區：28、22、12、5 a；南部地區：28、22（不顯著）、12、4 a，東部地區：28、22、12、4 a。各個地區小波方差圖的最大峰值都對應28 a的時間尺度，說明在28 a周期震蕩最強，是降水量變化的第一主周期，同時還存在第二、第三、第四主周期。

2.3 降水突變及趨勢分析

2.3.1 突變檢驗

采用M-K檢驗法對甘肅省降水量突變年份進行趨勢檢測，表2結果顯示M-K突變檢驗結果中與統計量的交點比較集中，均通過了0.05的顯著性檢驗。西部地區突變年份為2001、2003、2004年，中部、南部地區突變年份主要集中在1963、1965、1969、1970年左右，東部主要突變在1962、1963、1965年和1968年。中部、南部與東部地區的突變年份有一定的相似性，主要是這些地區屬于季風氣候區，受到相同季風的影響，而與西部地區主要受到西風環流的控制，所以西部與東南部地區的突變年份有所差異。

圖4 小波方差

表2 M-K突變檢驗結果

通過對M-K突變檢驗結果分析，檢驗結果不夠全面，西部地區集中在21世紀以后，中部南部地區主要集中在20世紀60年代到70年代，故采用滑動檢驗方式進行進一步的檢測突變點（表3）。中部、南部、東部地區比較接近，中部主要突變年份有1972、1982、1985、1993、1997年等，西部地區與東南地區略有差異。通過滑動檢驗，發現結果與M-K檢驗有所差距，滑動檢驗檢測出的突變年份比M-K突變更為廣泛、全面，具有一定代表性。

表3 滑動t檢驗結果

注 *表示未通過0.05顯著性檢驗。

2.3.2 趨勢分析

通過對M-K趨勢檢驗得到的甘肅各地區值及年降水變化分析，結果發現甘肅省西北干旱區的降水量整體呈增加趨勢，增加率為0.45 mm/a，且通過了99%的置信度檢驗（表4，圖5）；中部、南部和東部地區的降水量呈下降趨勢，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a，其中南部和東部地區結果未通過置信度檢驗。

表4 趨勢分析結果

圖5 甘肅省各地區年降水量變化

在20世紀90年代，甘肅省降水量發生了較大的變化（圖5），20世紀90年代以前，中部、南部、東部地區降水量呈下降趨勢，其中南部、東部在20世紀90年代達到最低值，西部地區除外。在20世紀90年代后，各地區降水量均呈上升趨勢，其中東部地區上升趨勢最為明顯，上升速率為3.74 mm/a。

3 討論

有學者發現西北干旱區降水量在1961―2013年呈增濕趨勢[23-24]。本研究也發現甘肅省降水量整體呈上升趨勢，且升速率較大。甘肅西部屬于非季風區，受到西風氣流的控制，徐利崗等[4]研究表明在20世紀80年代以后，北方地區的水平風場發生變化，自貝加爾湖南下的氣流以及從東西伯利亞來的東北風增強，導致了北方荒漠區降水發生了變化。還有研究成果認為降水增加還有一部分因素是受到厄爾尼諾現象的影響[25]。上述分析中表明烏鞘嶺至張掖一帶，降水量東西變化小，南北變化大，是因為該區域北部祁連山脈，阻隔了來自西南地區的水汽，此外，由于北部巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠的存在，降水量由南向北呈現減少趨勢[26]。

姚俊強等[24]研究發現在甘肅祁連山、河西走廊等西部干旱區，降水量存在較強的是12 a與22 a尺度周期。林紓等[27]在研究中得到甘肅省東南部存在有準20 a的周期，王紅桃等[8]基于1967―2008年甘肅省氣溫和降水時空變化結果，得出甘肅西北部存在12、7、4 a的周期，東南部存在14、7、4 a的周期，這些研究成果與此次研究結果基本一致，這說明此次研究成果較為可靠。但是上述研究成果沒有發現28 a震蕩最強烈的周期，可能是由于研究數據序列較短，長時間尺度周期不顯著，此外，20世紀90年代后，氣候變化顯著，尤其是極端氣候事件頻發，進而造成了整體的周期變化。甘肅省中部、南部、東部的降水量均在1993年發生突變，西部地區在1991年發生突變，同時，在20世紀90年代初期，降水量顯著減少，突變明顯，這與孔祥偉等[28]的研究結果基本一致。結合極端降水及干旱事件進行驗證分析，發現滑動檢驗所得突變年份更具有廣泛性，且與實際年份相接近[28]。本研究中所采用的M-K突變檢驗，易受到數據序列影響，在進行突變檢測時可能存在缺陷，需要進一步完善分析方法。因此，為了更全面檢驗和驗證突變發生年份，在進行突變檢驗的時候應當考慮方法的適用性，采取多種方法進行檢驗以得到更準確、廣泛的突變年份。

4 結論

1）甘肅省年降水量空間上自東向西呈現逐漸減少的規律，v值與值自東向西逐漸增加，降水量年內分配不均勻程度隨之逐漸增加。

2）在甘肅省各地區，28 a時間尺度為周期震蕩最強，是降水變化的主周期，還存在有22、12、5 a的周期。甘肅省降水量突變主要發生在20世紀60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。

3）甘肅省西北干旱區的降水量整體呈增加趨勢，增加率為0.45 mm/a；中部、南部、東部地區也呈下降趨勢，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a。相比較中部、南部地區，東部地區的降水量整體下降趨勢更大。

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Spatiotemporal Variation in Precipitation over Gansu Province from 1961 to 2018

GUO Jiabing, LI Jinwen, MA Jinzhu*, YU Qiao

(School of Resources and Environment, Lanzhou University/ Key Laboratory of Western Environment Ministry of Education, Lanzhou 730000, China)

【】Spatiotemporal variation in precipitation is the consequence of a combined impact of regional climate and ecological environment. Global climate change over the past few decades has resulted in a change in precipitation pattern in many regions including Gansu, a province in China characterized by co-existence of arid climate in the west, monsoon climate in the east and alpine climate in the Qinghai-Tibet plateau. This combination makes the ecological and environment systems in Gansu fragile and susceptible to climate change.【】The purpose of this work is to analyze the spatial change in precipitation over the province since 1961 as sell as the underlying mechanisms, especially the impact of global warming and anthropogenic activities.【】Precipitation measured from 59 meteorological stations from 1961 to 2018 across the province was analyzed using theindex, the wavelet analysis, MK test and other methods, from which we calculated its characteristics including period of precipitation, abnormal changes as well as trends in its spatiotemporal variation using the slidingtest.【】The annual precipitation decreased from the east to the west across the province. The intra-annual variation in the precipitation had increased from 1961 to 2018. We identified five periods in the precipitation: 28 years, 22 years, 12 years and 5 years, with the 28 year period most identifiable. Abrupt change in precipitation occurred in the middle 1960s, the early 1970s, the middle 1980s and the early 1990s. Precipitation in the west of the province had been increasing at 0.45 mm/a, while that in the central, south and east parts of the province had been in decline at 0.82 mm/a, 0.81 mm/a and 0.93 mm/a, respectively, until 1990s. But since the 1990s, the precipitation in all regions over the province has been in increase, especially in the east area where the precipitation has been increasing at 3.74 mm/a.【】The precipitation in Gansu province over the past 60 years showed periodic and had witnessed both extreme rainfalls and droughts. There is a distinguishable difference in temporal change in precipitation between the west and central-east. Since the 1990s, the precipitation in the province has increased significantly. Our results have important implications for improving ecosystem services and alleviating disasters induced by climate changes, apart from providing a baseline database for meteorological, ecohydrological researches in this region and beyond.

Gansu province; precipitation; spatiotemporal variation; trend analysis

P426

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020479

1672 - 3317（2021）03 - 0142 - 07

郭嘉兵, 李金文, 馬金珠, 等. 甘肅省1961―2018年降水量時空分布與變化研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(3): 142-148.

GUO Jiabing, LI Jinwen, MA Jinzhu, et al. Spatiotemporal Variation in Precipitation over Gansu Province from 1961 to 2018[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2021, 40(3): 142-148.

2020-08-22

中央高校基本科研業務費專項資金項目（lzujbky-2020-kb54）

郭嘉兵（1996-），男。碩士研究生，主要從事水文與水資源研究。E-mail: 479821643@qq.com

馬金珠（1968-），男。教授，主要從事同位素水文學與包氣帶水文學研究。E-mail: jzma@lzu.edu.cn

責任編輯：陸紅飛