北方地區1957—2016年400 mm等降水量線的空間演變及誘因

李樂樂，李浩杰，趙德一，鈔錦龍△，楊 朔，康利軍

（1.太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030619；2.山西省岢嵐氣象局，山西 忻州 036300）

降水是一種復雜多變的自然事件，作為氣候變化的主要要素之一，在時間與空間上都表現出顯著的多變性[1]。中國是一個人口眾多且人均擁有水量又十分匱乏的國家，水資源獲取主要來自于大氣降水，而中國地域內的降水具有時空分布不均勻的特點[2-4]。降水量的多少在一定程度上可反映出一個區域的干濕狀況，是劃分干、濕區的重要指標，同時也影響著一個地區的工農業發展，對區域經濟、資源、生態的可持續發展十分重要[5]。研究區域屬于中國森林植被與草原植被的過渡區域，自古以來，農耕文明和游牧文明發生沖突不斷，400 mm等降水量線從其中部穿過，將其劃分為半濕潤區和半干旱區，該線以北的地區農業結構以畜牧業為主，以南的地區農業結構以耕作業為主[6-7]。400 mm等降水量線在空間上的位移變化，對該區域的自然及社會環境會產生重大影響。

近年來，全球氣候變化逐漸成為相關學科界學者們的研究焦點。在此大背景下，典型等降水量線的空間位移也得到了不少關注和研究。基于中國1951—2012年的降水量數據，研究發現，400 mm等降水量線東西方向上在東經97°～112°移動，南北方向在北緯34°～41°遷移[8]，400 mm等降水量線在華北中東部波動強烈[9]。王浩等[10]研究了近50年來黃河流域400 mm等降水量線的空間變化，發現其有向東和向南移動的趨勢，東移趨勢最為顯著。但針對陜西、山西、河北、內蒙古這一典型區域400 mm等降水量線空間變化的研究還很少見。鑒于此，本研究采用該區域95個氣象站點1957—2016年的逐年降水數據，研究了近60 a 400 mm等降水量線的年代際和年際空間演變特征并剖析其變化原因，為這一區域未來的工農業產業結構調整和可持續發展提供一定的科學依據和參考。

1 研究區概況

研究區域位于中國北方地區（97°12′～126°04′E，31°42′～53°23′N），囊括陜西、山西、河北、內蒙古4個省（自治區），其中包含呼和浩特市、西安市、太原市等44個地級市（盟）。地形上占據了黃土高原大部、內蒙古高原大部、華北平原北部，山脈縱橫，地形種類多樣，地勢較高。氣候上跨越了半濕潤區、半干旱區以及干旱區，該區域四季分明，春秋季多風，氣溫日較差、年較差較大，其中400 mm等降水量線以南的地區為溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季氣溫較高且多雨，植被以草原為主，多風沙天氣；400 mm等降水量線以北的地區為溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，全年干燥少雨，植被以森林為主。該區域是對氣候變化響應特別敏感的地區。

2 數據來源及處理方法

2.1 數據來源

數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心（https://data.cma.cn/），研究區域95個地面氣象站點（圖1）1957—2016年的逐年降水資料。

圖1 氣象站點分布圖

2.2 數據處理

將下載好的txt數據導入Excel，去除缺測年份較多的氣象站點。將這些數據以每十年作為一個周期進行相加求取平均值，對于個別年份缺測的站點，用其缺測年前后十年降水量平均值來替代，最后整理為1957—2016年95個氣象站點每十年平均降水量數據（站點名，站點經緯度，時間，降水量年代際平均值、降水量年際值），將其與矢量文件一起導入ArcGis中，創建降水量點圖層，采用普通克里金插值法進行插值，獲得降水分布圖（圖2）。提取降水量分布圖中的400 mm等降水量線（圖3），并對其進行離散化處理，計算這些離散點的經緯度坐標平均值，獲得400 mm等降水量線的加權平均位置，并依據其繪制變化折線圖，用于分析1957—2016年400 mm等降水量線空間位置的年代際變化和年際變化。

圖2 四省（自治區）1957—2016年年代際降水量分布圖

圖3 四省（自治區）1957—2016年400 mm等降水量線年代際分布圖

3 結果與分析

3.1 降水量年代際變化和年際變化趨勢

從表1可以看出，降水量年代際變化總體呈波動下降趨勢，但并不顯著。1957—1976年均降水量呈下降趨勢，減少了21.69 mm；1967—1986年基本保持不變，僅增加了1.9 mm；1987—2006年顯著下降，減少了48.9 mm；1997—2016年顯著升高，增加了49.3 mm。

表1 四省（自治區）1957—2016年年代際降水量年份

由圖4可知，1957—2016年年均降水量總體呈下降趨勢，多年平均值為464.9 mm/a。最高年降水量為1964年的646.5 mm，最低年降水量為1997年的342.7 mm，最高值與最低值之間相差303.8 mm，為多年平均值的65%。其中1957—1976年年均降水量變化較為劇烈，在多年平均值上下徘徊，并在1964年達到了近60年的最高值，這二十年里出現了兩次低于400 mm的情況，最高值與最低值相差294.3 mm；1977—1996年年降水量變化較為平緩，除1986年外，整體上都保持在400 mm以上，最高值與最低值相差115.1 mm；1997—2016年年均降水量變化幅度較大，其中1997年年均降水量創近60年來最低，較多年平均值來看，降水量偏少年份較多，最高值與最低值相差199.7 mm。60年間，降水量低于平均值的有31年，降水量出現大于100 mm突變的主要階段有15次，顯著增高7次，顯著下降8次。

圖4 四省（自治區）1957—2016年年均降水量變化趨勢

3.2 400 mm等降水量線空間位置變化

3.2.1 年代際變化趨勢

1957—2016年400 mm等降水量線的年代加權平均位置為116°33′12″E，43°05′15″N。如圖5所示，400 mm等降水量線的空間位置變化具有方向性。60年間，400 mm等降水量線在經度上的空間位置年代際變化偏小，在116°E徘徊，總體東移0°22′48″；在緯度上的空間位置變化平緩，介于42°～43°N，總體北移0°09′26″。從時間角度看，400 mm等降水量線的經度位置變化趨勢為1987—2006年西移，1967—1986年、2007—2016年東移；緯度位置變化趨勢為1967—2006年南移，2007—2016年北移。400 mm等降水量線總體上向西南方向移動。

圖5 四省（自治區）1957—2016年400 mm等降水量線在經緯度上的年代際變化

從區域角度看，400 mm等降水量線從內蒙古東北部延伸至陜西省北部，在內蒙古東南部擺動幅度較小，內蒙古東部擺動幅度較大，空間位置變化較為明顯，400 mm等降水量線在內蒙古東部地區1967—1976年、1997—2006年分別東移36～236 km、98～280 km，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年分別西移45～181 km、0～102 km、74～228 km。河北省北部400 mm等降水量線在1987—1996年、2007—2016年分別北移2～131 km、5～277 km,1977—1986年、1997—2006年分別南移0～118 km、17～306 km，其余年代際變化不明顯。山西省北部1997—2006年南移75～81 km，2007—2016年北移87～150 km。陜西省北部1977—1986年、1997—2006年分別南移8～51 km、0～199 km，2007—2016年北移25～57 km。

綜上，內蒙古東部地區在1967—1976年、1997—2006年降水減少，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年降水增加；河北省1977—1986年、1997—2006年降水減少，1987—1996年、2007—2016年降水增加；山西省1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加；陜西省1977—1986年、1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加。

3.2.2 年際變化趨勢

1951—2016年400 mm等降水量線的年際加權平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年間，400 mm等降水量線的空間位置變化較大。如圖6所示，400 mm等降水量線在經度上的空間位置變化介于111°～117°E，最高與最低相差6°14′44″，波動較大，總體西移0°08′08″；在緯度上的空間位置變化介于38°～44°N，最高與最低相差6°32′23″，波動較大，總體北移1°16′08″。從時間角度看，400 mm等降水量線在經度上的位置變化具有階段性：1957—1961年變化幅度較大，1962—1976年變化趨向平緩，1977—2016年變化劇烈。400 mm等降水量線在緯度上的位置變化階段性：1957—1966年變化平緩，1967—1987年變化幅度較大，1988—1997年變化趨向平緩，1998—2016年變化幅度最大。說明400 mm等降水量線在經度和緯度上的空間位置變化幅度并不具有一致性。60年間，400 mm等降水量線在經、緯度上的位置變化呈現出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a。總體上向西南方向移動。

圖6 四省（自治區）1957—2016年400 mm等降水量線在經緯度上的年際變化

3.3 影響因素分析

3.3.1 與氣溫變化關系

在全球氣候系統變暖的大背景下，內蒙古、陜西、山西、河北均有不同程度的升溫，北方地區降水與溫度呈負相關。2011年全球范圍平均氣溫較高，相較1961—1990年30年的平均氣溫（14 ℃）升高（0.4±0.09）℃，導致2011年中國平均降水量成為1951—2012年這一階段最低值。1997年為強厄爾尼諾年，該地區年降水量異常減少，平均年降水量創近60年來最低。研究發現，中國華北地區夏季、東部北方地區秋季的氣溫和降水與厄爾尼諾相關性較顯著，在厄爾尼諾年，氣溫會比常年同一季節偏高，降水會比常年同一季節偏少[11]。說明升溫的確會對降水量下降產生重要影響。

3.3.2 與地形關系

400 mm等降水量線東段地處內蒙古東北部，與大興安嶺走勢高度吻合，距海較近，夏季受東南季風影響，將水汽從渤海攜帶到這里，經過大興安嶺的地形抬升作用，易形成降水，與同緯度地區相比，降水量較豐富。

中段位于黃土高原北部、青藏高原東部、內蒙古高原南部，由于地處大陸內部，大陸性氣候較強，夏季攜帶濕氣的東南季風到達這里已是強弩之末，再加之地形阻擋，所以降水量常年偏少，400 mm等降水量線的空間位置變化較小。

3.3.3 與副熱帶高氣壓帶和季風的關系

西南季風、東南季風和西風環流影響北方地區，而東南季風又與西太平洋副熱帶高壓有著密切關系，二者強度成正比。1957—1966年，東南季風與西南季風較強，西太平洋副高脊線位置異常偏北，這一時期中緯度西風環流也偏弱，綜合作用下，使得這一地區地區降水較多，400 mm等降水量線位置偏西北。1966年后，東南季風、西南季風與西太平洋副熱帶高壓都開始減弱，該地區的降水也隨之減少，400 mm等降水量線向東南方向偏移。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）該地區1957—2016年平均降水量年代際、年際變化均呈下降趨勢，多年平均年降水量為464.9 mm，年降水量最高值與年降水量最低值相差了303.8 mm，為多年平均年降水量的65%。60年間4個省（自治區）年降水量均有不同程度的減少，陜西省最為明顯[12]。與戴海燕等[13]對內蒙古1971—2016年降水量時空變化的分析基本一致。

（2）400 mm等降水量線的年代加權平均位置116°33′12″E，43°05′15″N，在經度、緯度方向上的空間位置變化均比較平緩。400 mm等降水量線的年際加權平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年中，400 mm等降水量線南北方向上在北緯38°～44°移動，東西方向上在東經111°～117°遷移。從時間角度看，400 mm等降水量線在經、緯度上的位置變化具有階段性，但變化幅度并不一致，同時呈現出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a。400 mm等降水量線空間位置年代際、年際變化總體上均向西南方向偏移。

4.2 討論

當前，學術界尚無可以用來定量表征等降水量線空間位置的方法，有學者等將降水量線的空間位移分解為經向和緯向2個方向上，并采用權位置來表征等降水量線的整體位移。本研究使用ArcGis10.2軟件將等降水量線離散成點，由于軟件未能將降水量線完全離散，一部分坐標數據會缺失，因此對于北方地區等降水量線空間位置變化的定量研究還有待更加完善的分析。