榆中县近42年降水突变及周期变化分析

潘舟艳，闫丽娟，李广,3，聂志刚

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070； 4.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)



榆中县近42年降水突变及周期变化分析

潘舟艳1，闫丽娟2，李广1,3，聂志刚4

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070； 4.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 掌握黄土丘陵区降水特征、趋势变化和周期演变规律.【方法】 利用榆中1971-2012年的日降水量资料，采用Mann-Kendall法和小波分析等方法，对榆中42 a来的降水变化和突变现象进行了研究.【结果】 近42 a来区域年降水量变化在231.1～555.5 mm，整体呈现减少趋势，气候倾向率为-3.68 mm/10a，1971-1979年属于降水最多的年代，榆中年降水量的突变不太明显.四季降水量变化呈现不同的趋势，其中春季和冬季降水量呈现增多的趋势，夏季和秋季降水量呈现减少的趋势.四季降水突变情况有所差异.夏季降水从2009年开始发生了由多到少的突变.秋季降水在20世纪80年代初发生了突变.春季和冬季降水量没有发生突变.区域年降水量存在21a的最强显著周期和28 a、8 a的尺度变化周期，且8 a尺度是榆中最稳定的变化周期.【结论】 黄土高原丘陵区降水呈下降变化趋势，具有一定的周期和规律变化.

降水突变；变化周期；榆中县

IPCC第五次评估报告指出，全球地表持续升温[1].在气候变暖背景下，全球和区域的降水趋势发生了显著变化[2]，导致区域乃至全球范围内水循环发生变异，洪涝、干旱、台风等水文气象极端事件频发，给人类社会及生态造成极大影响[3].

干旱是黄土高原最主要且影响最严重的气象灾害[4]，而降水是引起干旱最为活跃的因子，极为不足的降水，不仅是该区域农业生产的重要自然资源，也是人民生活和生态环境建设的基本条件和制约因素[5].在气候变暖背景下，不同的区域由于地理位置、大气环流背景和区域特征等因素的差异，对全球变暖响应的时频、幅度和周期等也表现出明显的区域差异，进而对农业生产、人类生活环境等造成极大影响.王风等[5]研究表明甘肃黄土高原干旱半干旱区4～10月降水具有明显的空间差异.王麒麟等[6]研究发现黄土高原地区降水变化具有明显空间分异，近50 a的年降水量和侵蚀性降水量总体呈显著(接近显著)减少趋势.但是它们的年暴雨量却未显著减少.徐利岗等[7]分析了西北干旱区1951-2008年的降水时空变化，得出该区整体出现增温变暖、降水增加的趋势，且各地区增温或降水增加幅度不同.郭江勇等[8]选择典型多雨和少雨年，对美国NCEP/NCAR髙空流、地气系统射出的长波辐射(OLR)场、赤道北太平洋海温(SST)与西北夏季降水的关系进行对比分析，表明西北地区夏季降水具有明显的空间差异.可见，目前对中国西北黄土高原干旱区降水变化特征的研究成果较多，但这些研究以整体分析为主，其范围过于广阔，不能很好地反映出区域的降水变化情况，对于区域的降水变化规律及其变化趋势的定量研究方面还相对薄弱.本研究以降水气象数据为基础，分析榆中县1971-2012年近42 a来的气候变化态势与特征，有助于了解区域未来的气候变化规律，对评估区域气候特征及改进降雨预测预报能力具有重要作用.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

榆中县地处N 35°34′～36°26′，E 103°50′～104°34′，海拔1 430～3 670 m，位于兰州市东郊，地势南高北低，中部凹，呈马鞍形.南部为石质高寒山区，北部为黄土丘陵区，南北两山之间是川塬丘陵沟壑区，地形由西南、东南和东北三面向西北倾斜，属于黄土高原区.每年年均气温6.7 ℃，降水量400 mm.极端最高温度为36.4 ℃(2010-7-30)，极端最低温度为-27.2 ℃(1975-12-13)；最高年降水量555.5 mm(2007年)，最低年降水量231.1 mm(1997年)，是温带半干旱大陆性气候，即干旱少雨，冬冷夏热，气温的日较差和年较差较大，降水集中，年降水量较少.

1.2 研究方法

本试验根据榆中县气象站1971-2012年逐日降水数据，对榆中县降水量的季节、年和年代际变化进行了研究，主要采用一元线性趋势分析和累积距平分析对资料序列进行变化趋势分析；采用Mann-Kendall检验方法对气候要素序列进行气候突变检测，判断突变年份与气候要素变化趋势；采用Morlet小波分析方法提取气候要素序列周期，在小波分析中采用Matlab小波工具箱中的信号延伸(SignalExtension)功能，对数据两端进行对称性延伸来消除边界效应.

1.2.1 突变检测 Mann-Kendall方法[9-10](以下简称M-K方法)是一种非参数统计检验方法,此方法优点在于检测范围宽,人为干扰少,定量化程度高.M-K方法是在气候序列平稳的前提下,定义一统计量：

式中，m表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计值.在原序列随机独立的假设下,对dk标准化后为U(dk)，给定一显著性水平α0,当a1

1.2.2 小波分析 Morlet小波变换具体原理可参见文献[11-12].在进行小波变换时,为了减弱“头部影响”在序列两端产生的误差,用对称外延法[11]将时间序列进行扩展.所谓对称外延法(也称对称延伸法),即分别以边界线为对称轴,将原序列以对称轴为镜而复制.如果原序列是：

f(k)k=1,2,…,n

则以n为对称轴的对称延伸序列为：

f(k)=f(2n-k)k=n+1,n+2,…,2n

当子波变换完成后,去掉两端延伸的子波变换值,只保留原有资料所对应的变换值.

2 结果与分析

2.1 降水量的年际变化

1971-2012年榆中年降水量变化在231.1～555.5 mm，年降水量有下降的趋势，气候倾向率为-3.68 mm/10a(图1)，与中国年降水量略有减少的变化相同[13].近42 a榆中季节降水量表现不同的变化趋势和变化强度.春季降水量和冬季降水量呈现增多的趋势，春季降水增强幅度最大，为0.28mm/10a，冬季降水为0.06 mm/10a；夏季降水和秋季降水呈现减少的趋势，夏季降水减少的幅度最大，为-1.50 mm/10a，秋季降水为-0.67 mm/10a(图1).

图1 榆中降水量的年、季节变化Fig.1 Variation of the annual and seasonal precipitation in Yuzhong

2.2 降水量的年代际变化

榆中降水量年代际变化趋势不明显，整体上呈现出减少的趋势，其中1980-1989年和2010-2012年属于降水偏少的年份，1971-1979年属于降水最多的年代，表明近42 a来榆中年代际降水量呈现出不同的特点，榆中经历了偏多转为偏少的变化阶段.各年代际降水季节变化有明显的特征，春季，降水在20世纪70年代、80年代和21世纪初减少；夏季降水70年代呈增加趋势，80年代降水减少，直到90年代降水出现了近42 a来最大降水正距平7.39，之后21世纪降水一直减少，并出现了最大降水负距平-17.26；秋季降水80年代和90年代减少，其余年代增加；冬季降水70年代和90年代减少，其余年份增加，这与年降水量的趋势是相反的(表1).

表1 榆中年、季节降水量距平年代际变化Tab.1 The decade change of annual,seasonal precipitation anomaly in Yuzhong mm

2.3 降水量的突变检测

年降水量的Mann-Kendall检验结果显示(图2)，UF线仅在1972年和2011-2012年小于零，1971年和1982-1983年等于零，说明这些年降水有减少的趋势；其他年份UF线均大于零，并在1979年UF线超过了α=0.05的显著性水平，说明这些年降水量有增加的趋势；UF线在置信区间内与UB线有2个交点(1972-1973年，2008-2009年).累积距平(图3)分析表明，1971-1972年降水量呈现下降趋势，低于多年平均降水量，1972年下降到最低值，1972-1979年降雨量逐渐增加，1979年上升到最大值，1979-1982年降水量下降明显，1983-2008年降水量在波动中缓慢上升，2008-2012年降水量呈现减少趋势，由此推断1972年，1979年和2008年可能是降水发生突变的年份.结合两种方法的分析结果，判断榆中年降水突变不太明显，在1972-1973年间可能发生了由少到多的突变.

图2 榆中年降水量Mann-Kendall突变判别曲线Fig.2 Mann-Kendall test of annual precipitation in Yuzhong

图3 榆中年降水量累积距平值Fig.3 Accumulated annual precipitation anomaly in Yuzhong

从榆中季节降水量Mann-Kendall突变图(图4)可以看出，春季降水量的UF线在0值上下波动，春季降水变化趋势不明显，UF线与UB线在1971年到2012年间在±1.96信度线内有多个交点，但是没有通过信度线，说明春季降水没有发生突变.夏季降水量的UF线从1971年到2009年一直大于0值，并在1979年超过了0.05的显著性水平，UF线和UB线的交点出现在2009年.秋季降水量的UF线和UB线相交于±1.96信度线之间，交点为1971、1973、1977、1979、2006、2008、2010年，1970-1980年初期，UF线在0值上下波动，秋季降水变化趋势不明显；1980中期-后期以来UF线逐渐减小，秋季降水有减少的趋势，并且UF线在1999年超过了显著水平0.05临界线，表明秋季降水量在1979年发生了突变.冬季降水量的UF线与UB线在置信区间内有多个交点，但都没有超过信度线，说明冬季降水没有发生突变.夏季降水对榆中年降水量贡献大，且夏季与秋季的突变，对年降水突变情况有一定影响.

图4 榆中季节降水量Mann-Kendall突变判别曲线Fig.4 Mann-Kendall test of seasonal precipitation in Yuzhong

2.4 降水量周期变化分析

图5a为年降水量的Morlet小波系数实部等值线图，正值区表示降水偏多，负值区表示降水偏少.年降水量小波系数等值线在7-8 a，20-22 a，27-29 a时间尺度上较为密集，且发生了小波系数高、低值中心的变化.年降水量的小波方差图(图5b)显示小波方差在8 a，21 a和28 a存在极值.由此可推断榆中年降水量存在21 a的强显著周期和28 a、8 a的尺度变化周期.其中优势周期为8 a的尺度变化周期，共经历了15次干湿变化.

通过对比图5a和图5b还可以看出，在32 a尺度内榆中年降水量变化的主周期约为21 a.提取该尺度的小波系数作图，得到主周期下年降水量变化的小波系数图(图5c).从图5c上可以看出，榆中年降水量相对偏多的阶段为：1971-1978年、1985-1992年、1999-2006年；年降水量相对偏少的阶段为：1979-1984年、1993-1998年、2007-2012年.从图中还可以看出，榆中年降水量的突变年份为：1978年、1985年、1992年、1999年、2006年.结合累积距平分析和突变检测的结果，榆中年降水量突变的年份为1972年.

同时，对榆中的季节降水变化做了分析.由图6(a)-(d)发现：各个季节降水周期差异比较显著，干湿交替现象明显.春季中心周期分别为：25 a、11 a、6 a；其中以25 a年际时间尺度周期变化最为明显，共经历了5次干湿交替.夏季中心周期分别为22 a、12 a、8 a；其中以22 a时间尺度的周期变化最为显著，共经历了6次干湿交替.秋季中心周期分别为：21 a、12 a、6 a的降水周期，其中以12 a和21 a年际时间尺度周期变化最为显著，分别经历了10次、6次的干湿交替.冬季中心周期分别为：22 a、10 a；分别经历了6次、13次干湿交替.

图5 年降水量小波系数实部等值线图、小波方差图、主周期小波系数图Fig.5 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients,wavelet variance and the wavelet coefficient curves in the principal period scales of the annual precipitation

3 讨论与结论

榆中降水量变化总体呈现波动下降趋势，由年代际距平可知：1971-1979年为降水量最多的年代，20世纪80年代以后至21世纪，降水量一直处于减少的趋势.主要因为在全球变暖的大环境下，也影响着区域气温的升高，同时人口增多，人类活动导致对森林植被的破坏，荒漠化现象恶化，在一定程度上影响了降水的变化趋势.这与林纾等[14]研究近40 a来甘肃省降水的变化特征所得结果一样.同时，王银花等[15]、景怀玺等[16]指出靖远、白银、会宁的年降水量呈减少趋势.李葆春[17]等研究表明定西地区年均降水量总体呈减少状态.黎浩许等[18]指出20世纪80年代是气候变化明显的时期，西北大部分地区都有体现.由此看出研究结果与其他学者保持一致.其主要原因为高原季风对中国西部大多数区域雨季的影响.研究表明，甘肃处于高原季风东北部的东南风和东亚季风的西南风的辐散区中，下沉气流不利于降水[19].另外，榆中地处甘肃省中部，属于亚洲大陆远离海洋水汽源的地理位置，也限制了为空中补充本地水汽，从而降低降水增加率.则榆中未来年降水量变化呈下降趋势.

榆中季节降水量的不同变化趋势，与榆中的感热输送及上空的环流配置相关.原因是若感热输送增强，有利于上升气流增强，则有利于降水偏多.反之感热输送减弱，会使上空下沉气流加强，这不利于降水增多，也会引起干旱的发生.周连童等[20]研究表明，我国西北干旱、半干旱区春、夏季感热输送出现相反的变化特征，春季感热输送从20世纪70年代中期开始增强，而夏季感热输送减少.而榆中属于黄土高原半干旱区，该结果正与本研究春季降水量增多和夏季降水量减少的研究结果相一致.

榆中年降水量突变不太明显，季节降水突变情况有所差异.夏季降水从1971年开始到2009年，一直处于增加状态，2009年开始发生了由多到少的突变.秋季降水在20世纪80年代初发生了突变.并且各季节的降水周期变化及干湿交替也比较显著.马柱国等[21]、杨建平等[22]等研究显示，中纬度西风强度在1964年开始加强，1969年以后明显势力增强，榆中降水突变情况与之较吻合.且年降水量具有21 a强显著周期，但取8 a变化周期为榆中稳定性最好的变化周期，即优势变化周期，这与西北地区近50 a降水周期相一致，王澄海等[23]研究发现，各个周期的稳定性变化差别较大,各个地区的显著性周期并不一定是该地区稳定性最好的周期；各地区所有周期成分的稳定性和显著性都随时间发生变化.最后，姚玉璧[24]指出ENSO暖事件与陇中干年呈显著相关，这一结论为旱灾气候预测提供了重要依据.

图6 季节降水量小波系数实部等值线图Fig.6 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients curves in the principal period scales of the seasonal precipitation

本研究以1971-2012年榆中气象站的逐日降水资料为基础，采用Morlet小波法，线性趋势分析及Mann-Kendall突变法，对榆中42 a降水量进行了分析，得出以下结论：

1) 榆中降水量变化整体呈现减少趋势，气候倾向率为-3.68 mm/10a，1971-1979年为降水量最多的年代.春季降水和冬季降水呈现增多的趋势，夏季降水和秋季降水呈现减少的趋势.并且干、湿变化有差异.榆中经历了降水偏多-降水偏少的变化阶段，目前正处在干旱少雨阶段，以后可能继续处于少雨阶段.

2) 榆中年降水量突变不太明显，季节降水突变情况有所差异.榆中年降水量突变发生在1972-1973年间.夏季降水从2009年开始发生了由多到少的突变.秋季降水在20世纪80年代初发生了突变.春季和冬季降水量没有发生突变.

3) 榆中降水具有明显的周期变化.榆中年降水量存在21 a的强显著周期和28 a、8 a的尺度变化周期.其中8 a变化周期为榆中稳定性最好的变化周期.各个季节降水周期差异比较显著，干湿交替现象明显.

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(责任编辑 赵晓倩)

Abrupt and periodic variation of precipitation in Yuzhong County in recent 42 years

PAN Zhou-yan1,YAN Li-juan2,LI Guang1,3,NIE Zhi-gang4

(1.College of Resources and Environment,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；2.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；3.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；4.College of Information Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 To know the precipitation characteristics,trend change and periodic evolution in the loess hilly region.【Method】 The change and abrupt variance of precipitation in Yuzhong was analyzed using the linear regression method,cumulative anomaly method,Mann-Kendall test method and Morlet wavelets analysis method based on daily precipitation data observed at Yuzhong meteorological station from 1971 to 2012.【Result】 The annual precipitation varied from 231.1 mm to 555.5 mm,appearing a decreasing tendency in recent 42 years,and the climatic trend rate was 3.68 mm/10a,showing that the precipitation in 1970s was more than in the other years,and the abrupt change in precipitation is not obvious.The seasonal precipitation showed different trends,the spring and winter precipitation showed increasing trend,and the summer and autumn precipitation appearing decreasing trend.The abrupt variance in precipitation differed among four seasons.Summer precipitation occurred abrupt change since 2009 from high to low.Autumn precipitation abrupt variance happened in the early 1980s.There was no abrupt change in spring and winter precipitation.The annual precipitation fluctuated with significant 21-year period and 28-year and 8-year scale change period.And 8-year scale was the most stable changing period in Yuzhong.【Conclusion】 Precipitation show a downward trend in hilly region of loess plateau,with a certain period and the regular variation.

abrupt precipitation change；variation period；Yuzhong County

潘舟艳(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为生态学.E-mail:panzy13@163.com

闫丽娟，女，副教授，博士，研究方向为农业生态.E-mail:yanlj@gsau.edu.cn

国家自然科学基金(31560378，31560343)；甘肃省科技支撑计划(144NKCA038)；甘肃省高等学校基本科研业务费项目；甘肃省自然科学基金(1308RJZA272)；干旱生境作物学重点实验室开放基金(GSCS-2010-11)；甘肃省高等学校科研项目(2014A-058).

2015-12-22；

2016-04-14

S 161.6

A

1003-4315(2016)06-0102-08