近50年秦岭山地降水时空变化特征研究

2014-11-19张善红

商洛学院学报 2014年2期

张善红

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000）

秦岭横亘我国中部地区，大体上与1月0℃等温线、800 mm等降水量线以及2000 h日照时数等值线基本一致，是亚热带与暖温带、湿润与半湿润气候的分界线，是中国重要的地理分界线[1]。上世纪20年代，张相文[2]从自然地理分区的角度首次提出我国的南北分界线为现在的秦岭—淮河一线。当代许多学者认为秦岭淮河亦是“中国南北地理气候分界带”。之后许多学者[3-5]从气候、水文、土壤、地质、地貌、植被、野生动物和人文地理等方面定性地论述了秦岭作为中国南北分界线的重要意义。

20世纪至今，在全球变暖的背景下，秦岭山地气候如何变化受到了众多学者的关注，其变化在全球变化响应中表现出明显的区域响应性。孙华等[6]研究表明，近30年来，秦岭南北坡地区的温度和降水变化显著，且具有同步变化的趋势。方建刚等[7]结合大气环流对秦岭秋季降水进行了特征分析，结果显示秦岭地区2000年以后秋季降水略有增加。延军平等[8-9]研究表明，秦岭南坡、北坡气候突变的时间较为统一，南北坡降水量变化趋势也基本一致。秦岭南、北坡整体呈现“暖干化”趋势年均气温明显升高，而年降水量普遍减少。高翔等[10]研究表明，近15年来秦岭地区气候具有暖湿化趋势。张立伟等[11]应用Arcgis软件，研究发现，近40年来秦岭山地各降水量带与标准期比较发生了明显移动，但并未对各降水量进行比较。

秦岭是汉江、丹江、嘉陵江的源头区，也是南北水调中线工程的重要水源涵养区。本文对秦岭山地降水变化特征以及800 mm等降水量线移动情况进行研究，不仅可以揭示该区域降水变化特征，而且可以为本区生物多样性保护以及水源地保护提供理论支撑。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源与处理

结合秦岭山地降水的实际情况，本研究选取了秦岭（陕西境内秦岭）境内及其周边共39个气象站点近50年的月均降水观测资料，并对部分站所缺部分观测资料，根据邻近观测站点的实际资料进行插补延长，以保证降水序列的完整性。最后统一取1960—2009年逐月降水量作为本文统计分析的基本资料。降水数据来源于陕西省气象局。

1.2 研究方法

选用Kendall秩相关系数来检验降水量是否表现出明显的变化趋势，Kendall秩相关系数的基本原理和计算公式参见文献[12]。

R/S 分析法(Rescaled Range Analysis)，无论时间序列是正态还是非正态分布，R/S分析结果的稳定性均不受影响[13-14]。本文将其用于研究降水量序列变化的持续性特征。R/S法从定性的角度认识序列过去与未来是否存在相同或相反的变化特征，着重揭示未来的变化特征[15]。通过该方法计算的Hurst指数H的取值范围为[0,1]，当H=0.5，标志着一个序列是随机的，事件是随机的和不相关的，现在不会影响未来；H>0.5，表示未来的趋势与过去一致，H越接近1，持续性越强；H<0.5，表明未来的总体趋势与过去相反，过程具有反持续性，H越接近0，反持续性越强[16-17]。

Kendall秩相关系数和R/S分析法综合就可以得出未来的趋势特征。

M-K突变检验是一种非参数统计检验方法，此方法的变量可以不具备正态分布的特征，适用于气温、降水、水文等变量的趋势检验，该方法已被很多学者用于研究河流径流、气温、降水的变化[18-24]，M-K法能够大致确定突变点的发生位置，具体计算方法见文献[25]。

2 结果与分析

2.1 年降水序列趋势分析

图1为1960—2009年秦岭地区年降水量变化曲线，由图1可知，秦岭地区降水量有干湿期之分，整个地区近50年来年降水量呈减少趋势，年降水量变化的倾向率是-8.6mm/10a，但未通过信度为0.05的检验。通过表1的Kendall秩相关系数M=-0.4067，也说明近50年来秦岭地区年降水量下降，但未通过0.05的检验，说明下降趋势较弱。用R/S分析法来预测秦岭地区降水量变化的未来趋势，计算后得到Hurst指数H年=0.5771＞0.5，说明未来降水量变化与保持相同的态势，即有持续递减的特征，但持续性较弱。

图1 秦岭山地年降水量变化

表1 秦岭山地年平均降水变化趋势

从图1还可以看出，秦岭地区降水量有明显的干湿期之分。20世纪60年代为丰水期，降水量较多；70年代降水较少，为枯水期；80年代降水最多，其中秦岭地区年降水量最大值出现在1983年（1091.4 mm）；90年代降水量最少，为干旱少雨期，其中近50年来降水量的最小值出现在1995年（490.2 mm）；但从90年代中期到2009年降水量持续增加。1995年到2009年降水量的线性方程为y=18.868x-37072，R2=0.3443，通过0.05的显著性检验；同时Kendall秩相关系数M=2.0159，也通过0.05的显著性检验；其中Hurst指数=0.5774>0.5，说明未来降水量变化与前面保持相同的态势，即有持续递增的特征。结合M值和Hurst指数分析，若秦岭地区的气候变化和人类活动依然保持现有趋势，其降水量依然继续保持显著递增的状态。

通过以上分析可以发现，从近50年的尺度上看，秦岭山地降水量呈减少趋势，从20世纪90年代中期到2009年近20年尺度上看，降水量呈显著增加趋势。根据高翔[26]研究，秦岭山地近50年来春、秋、冬三季的气温均呈显著的增加趋势，尤其在20世纪90年代后增暖趋势明显。这说明秦岭山地在近50年的尺度上表现出暖干化趋势，与大多数学者关于全球气候暖干化的结论相同，但从近20年的尺度上，秦岭山地表现出暖湿化的趋势。

2.2 降水的空间分布特征

为了表现秦岭山地的降水空间分布，用1960—2009年各站点的年降水平均值进行空间插值，得到1960—2009年秦岭山地年平均降水的空间分布图，如图2所示，并提取了年降水量的等值线。从图2可以看出年降水量从南向北逐渐减少，降水较高的地方出现在宁强县、紫阳县和商南县，年降水量在800-1080 mm；秦岭北坡降水较少，基本在750 mm以下。800 mm等降水量线，大部分位于秦岭南坡，若从800 mm等降水量线的角度考虑中国的南北分界，分界线应该位于秦岭南坡。

图2 秦岭山地年降水量空间分布

图3为秦岭年降水序列的Kendall倾斜率等值线图。从图3可以看出，整个地区除了商南县降水量呈略微上升趋势外（平均每年上升1.18 mm），其余地区的降水倾向率均为负值，整个研究区的降水倾向率为-1.23 mm·a－1。表明整个秦岭地区自1960年以来，年均降水量呈现减少趋势。减少幅度西南部、东南部大于北部。其中宁强县为一减少中心，年均减少3.5 mm，紫阳县、旬阳县的减少幅度也都超过 2 mm·a－1。

2.3 秦岭山地近50年来800 mm等降水量线变化

研究表明全球变暖导致我国自然区域线变化，特别是20世纪80年代以来，我国东部主要自然区（中亚热带、北亚热带、暖温带、中温带和寒温带）界线普遍北移[27-28]。通过年降水量的变化，可以反映我国自然区界线变化。800 mm年降水量线是湿润区和半湿润区的分界线。研究秦岭近50年来800 mm年等降水量线的变化，可以大致反映秦岭山地降水的空间变化过程。本研究利用地理信息系统软件ArcGIS空间分析模块，将年均降水量以10年为尺度平均后进行空间插值并分别提取5条800mm等降水量线，并把50年来的年均800 mm等降雨量线作为基准线，绘制出50年来800mm等降水量线的6条年代际线，进行分析比较，见图4。

图4 秦岭山地50年来800 mm等降水量线代际变化

从图4中可以看出各代际800 mm等降水量线与标准期相比发生明显移动，其中20世纪60年代、80年代等降水量线北移，其他年代南移。为了明确得出各代际等降雨水量线的移动程度，考虑到等值在分析区域内的完整性和等值线插值方法在边缘区误差较大的特征，特选取107°～110°E的带状区域为窗口，分别统计该经度带内各代际800 mm等降水量线的北端的最大值和南端的最小值点的纬度值，取其平均值作为各代际等降水量线的纬度所在值。其中，各代际等降水量线离基准线偏北的度数记为正值，偏南度数记为负值。统计结果见表2。

表2 秦岭山地不同年代降水带特征

由表2看出，20世纪60年代的800 mm年等降水量线北移基准线0．02°，70年代南移0．08°，80年代北移 0．48°，20世纪90年代南移0．18°，21世纪初的10年南移 0．07°。综合分析发现，秦岭山地年降水量线最大北移为20世纪80年代，较基准线北移0．48°，说明20世纪80年代降水量最多。其它各年代等降水量线南北移动均在0．18°范围内。90年代南移0．18°、21世纪初的10年南移0．07°可以看出，1990—2009年这期间降水是逐渐增多的。这跟2．1中1995—2009年降水是持续增加的结论一致。由此可以说明，近50年来，秦岭山地年降水量代际变化表现出湿-干-湿-干的变化特征，且在20世纪90年代—21世纪的前10年降水量是逐渐增加的。

3 结论与讨论

秦岭地区降水量有干湿期之分，整个地区近50年来年降水量呈减少趋势，年降水量变化的倾向率是-8．6mm/10a；1995—2009 年降水量呈显著递增的趋势。从降水量的空间分布来看，年降水量从南向北逐渐减少，且800 mm年等降水量线分布在秦岭南坡；整个地区除了商南县降水量呈略微上升趋势外，其余地区的降水呈略微下降趋势，表明秦岭山地自1960年以来；年均降水量呈现减少趋势，且减少幅度西南部、东南部大于北部。秦岭山地800 m m年降水量线最大北移为20世纪80年代，较基准线北移0.48°，其它各年代等降水量线南北移动均在0.18°范围内。20世纪90年代、21世纪初的10年降水量线南移程度，可以看出，1990—2009年这期间降水是逐渐增多的。

通过以上分析，秦岭山地在近50年的尺度上表现出暖干化趋势，与全球气候变化暖干化趋势相同，但从近20年的尺度上，秦岭山地表现出暖湿化的趋势。年降水量带的显著移动变化可能会对该地区的种植制度产生影响，具体是否适宜作物实际种植界限的变化还需要进一步研究分析。

[1]周旗,卞娟娟,郑景云.秦岭南北1951—2009年的气温与热量资源变化[J].地理学报,2011,66(9):1211-1218.

[2]单之蔷.南北分界线上的迷雾[J].中国国家地理,2009(10):34-51.

[3]刘康,马乃喜,胥艳玲,等.秦岭山地生态环境保护与建设[J].生态学杂志,2004,23(3):157-160.

[4]张伟然,周鹏.唐代的南北分界线及相关问题[J].中国历史地理论丛,2005,20(2):5-11.

[5]张善红,近30年来太白山景观格局的时空变化[J].商洛学院学报，2013,27(6):82-86.

[6]孙华,白红英,张清雨,等.秦岭南北地区植被覆盖对区域环境变化的响应[J].环境科学学报,2009,29(12):2635-2641.

[7]方建刚,侯建忠,陶建玲,等.秦岭地区秋季降水的气候特征分析[J].气象科学,2008,10(4):415-420.

[8]白晶,延军平,苏坤慧.1958—2007年秦岭南北气候变化的差异性分析[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2010,38(132):98-105.

[9]宋佃星,延军平,马莉.近50年来秦岭南北气候分异研究[J].干旱区研究,2011,28(3):492-499.

[10]高翔,白红英,张善红,等.1959—2009年秦岭山地气候变化趋势研究[J].水土保持通报,2012,32(1):207-211.

[11]张立伟,延军平,耿慧娟,等.陕西秦岭南北年均温及降水量带的移动[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2011,39(11):81-84.