黄土高原近52年降水时空动态特征

程楠楠，何洪鸣，逯亚杰，景昭伟，Soksamnang Keo

1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵7121002.中国科学院大学，北京1000493.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100



黄土高原近52年降水时空动态特征

程楠楠1，2，何洪鸣1，3*，逯亚杰3，景昭伟3，Soksamnang Keo3

1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵712100
2.中国科学院大学，北京100049
3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100

摘要：本文利用1960～2011年黄土高原及其周边77个气象台站逐日降水资料，采用SPSS、GIS空间分析和转移矩阵，分析黄土高原地区年均降水量变异特征，多年及各年代平均降水量时空分布特征。结果表明：黄土高原地区年降水量空间变异性和时间变异性较大。区域内多年及各年代平均降水量呈现从东南向西北减少的空间趋势。区域内年降水量整体呈减少趋势，但在2000年之后略有回升。在1960～2011年间平均降水量＜200 mm/a和200～400 mm/a的区域面积扩大，平均降水量在400～800 mm/a和＞800 mm/a的区域面积缩小。平均降水量＜200 mm/a的区域在西北地区有扩张趋势，平均降水量200～400 mm/a的区域在区域中部扩张，平均降水量在400～800mm/a和＞800 mm/a的区域在区域南部呈缩减趋势。

关键词：黄土高原；降水量；GIS空间插值；时空变化特征

1　引言

黄土高原指太行山以西、日月山-贺兰山以东、秦岭以北、阴山以南的广大地区，总面积62×104 km2，为我国第二大高原［1］。黄土高原地处半干旱、半湿润地区，是世界上水土流失最严重的地区之一，除与其复杂的地形、土壤结构和生态环境有关外，年降水集中且暴雨多是主要原因之一［2］。因此，对黄土高原地区降水时空变化的研究具有重要意义。Huaxing Bin等运用Mann-Kendall方法研究黄土高原典型小流域土地利用与降水变化关系，分析过去50年降水变化趋势［3］，Zhang等利用降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）研究降水年内变化［4］，焦菊英等分三种雨型对黄土高原降雨空间分布的不均匀性进行研究［5］，叶燕华等用REO方法进行黄土高原春季降水气候特征分析［6］，王麟祥等采用非参数Mann-Kendall和Mann-Whitney法对黄土高原地区年降水量、侵蚀性降水量、汛期降水量和暴雨量的时空变化进行研究［1］，李志等运用Mann-Kendall法评估黄土高原极端降水事件的空间分布和时间变化特征［2］，姚玉璧等研究了黄土高原气候和径流量变化特征及其对生态环境的影响，表明黄土高原地区年降水量和植物生长季降水量均呈递减趋势［7，8］。但是现有研究多运用数学统计方法分析黄土高原地区降水变化的整体趋势，时空变化特征及不同降雨类型与土壤侵蚀的耦合关系，而对黄土高原地区不同年代间降水和空间变化动态及其定量分析较少。因此，本文利用GIS空间插值和转移矩阵分析方法，对黄土高原地区52年（1960～2011年）间降水空间分布和时空变化特征进行定性与定量分析，以期深入了解黄土高原地区的降水资源与环境特征及其时空变化规律。

2　资料与方法

2.1基础资料

采用的基础资料为1960～2011年黄土高原及周边地区77个气象站点逐日降水数据，其中黄土高原区域内63个站点，周边区域14个站点，数据资料来自国家气象局气象信息中心。

2.2研究方法

将77个气象站1960～2011年间逐日数据处理为年均降水数据、年代（1960 s、1970 s、1980 s、1990 s、2000 s）平均降水数据和多年平均降水数据。运用SPSS处理各站点数据，获得年均降水数据统计特征值。基于ArcGIS平台的普通克里格插值方法（Kriging），对黄土高原地区1960～2011年多年平均和各年代平均降水数据进行空间插值［9］，得到多年平均和年代平均降水空间分布矢量数据。

黄土高原各年代平均降水量在100 mm/a～900 mm/a之间，划分为五个等级：＜200 mm/a（I级），200～400 mm/a（II级），400～600 mm/a（III级），600～800 mm/a（IV级），＞800 mm/a（V级）。在各年代平均降水的栅格数据基础上，运用GIS空间分析获得黄土高原地区5个年代不同降水量等级面积转移矩阵［10］，及不同年代间（即1970 s～1960 s，1980 s～1970 s，1990 s～1980 s，2000 s～1990 s 4个年代，下同）不同降水量等级变化面积。据此对50年间降水时空格局及其变化动态进行分析。

3　结果与分析

3.1黄土高原年均降水量变异特征

通过SPSS软件，计算黄土高原地区1960～2011年间年降水量的极值、均值、标准差及变异系数等，用以分析该地区降水量的变异特征。黄土高原区域内年均降水量最低值出现在内蒙古临河（46.8 mm），最大值在陕西华山（1262.30 mm）；各站点降水变异系数大多在大于20%的范围内，仅少数站点在10%～20%范围内。说明黄土高原1960～2011年间年均降水量存在较强的时空变异性［11］；同时，研究区内年均降水量极大值与极小值间差异较大（最大差值为山西五台山881 mm），说明黄土高原地区降水的年际差异性大。

3.2黄土高原多年及各年代平均降水量空间分布特征

图1　黄土高原地区各年代及多年平均降水空间分布图a：多年平均；b：2000 s；c：1990 s；d：1980 s；e：1970 s；f：1960 sFig.1 Spatial distribution of average precipitation in Loess Plateau for every age and some years a：annual average；b：2000 s；c：1990 s；d：1980 s；e：1970 s；f：1960 s

黄土高原地区1960～2011年多年平均和各年代平均降水量空间分布见图1，均由东南向西北减少。图1a表明，高值区主要在陕西南部（＞720 mm/a）；低值区主要在内蒙、宁夏和甘肃省西北部呈条带状分布（＜250 mm/a）。多年平均降水量在山西、陕西、宁夏和青海省的分布规律相似，呈现南多北少、东多西少，但五台山、华山高山地区多年平均降水量均大于700 mm/a，宁夏和青海省多年平均降水量较低，大部分地区不足300 mm/a，山西与陕西多年平均降水量普遍在400 mm/a左右。甘肃与内蒙古东西跨度较大，多年平均降水量也遵循由东南向西北减少的规律，但普遍低于其他省份。

各年代与多年平均降水空间分布一致，呈现由东南向西北减少的规律（图1 b、c、d、e、f）。黄土高原地区400 mm等降水量线大致为内蒙古呼和浩特、山西河曲、陕西榆林、陕西横山、宁夏海源、甘肃榆中一线，随时间推移，400 mm等降水量线向东南方向偏移，内蒙古和甘肃地区在2000 s偏移明显。1960～2011年间，黄土高原降水量逐渐减少，由1960 s的456.7 mm/a降至1990 s的419.5 mm/a，但2000 s回升为438.6 mm/a，上述结果表明黄土高原整体向干旱化方向发展。

3.3黄土高原各年代平均降水量时空变化特征

基于年代平均降水数据，计算五个降水量等级区域面积变化，以揭示黄土高原年降水时空动态特征（表1～4）［12］。通过空间叠加功能，将各年代平均降水栅格图层两两叠加，得到不同年代各降水量等级区域面积变化图谱（图2）。

表1　黄土高原地区1960 s、1970 s降水量变化转移矩阵（单位：km2）Table 1 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1960 s and 1970 s

表2　黄土高原地区1970 s、1980 s降水量变化转移矩阵（单位：km2）Table 2 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1970 s and 1980 s

表3　黄土高原地区1980 s、1990 s降水量变化转移矩阵（单位：km2）Table 3 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1980 s and 1990 s

表4　黄土高原地区1990 s、2000 s降水量变化转移矩阵（单位：km2）Table 4 Transition matrix of precipitation variation in Loess Plateau for 1990 s and 2000 s

图2　黄土高原地区各年代降水等级变化图谱a：1970 sVS1960 s图谱；b：1980 sVS1970 s图谱；c：1990 sVS1980 s图谱；d：2000 sVS1990 s图谱Fig.2 Change maps of different precipitation levels in Loess Plateau for every age a：1970 s VS1960 s；b：1980 s VS1970 s；c：1990 s VS1980 s；d：2000 s VS1990 s

3.3.1黄土高原不同年代降水量等级面积变化特征表1～4和图2表明，1960～2011年间，黄土高原地区＜200 mm/a降水面积显著增加，在80年代略减少但2000 s相对1960 s增加了40.6%；200 mm/a～400 mm/a降水面积呈增加趋势，虽在2000 s出现减少趋势，但2000 s相对1960 s增加11.7%；400 mm/a～600 mm/a降水面积整体波动较小但在1990 s显著增加后又回落；600 mm/a～800 mm/a的降水面积整体减少，在1990 s减少了72.4%，但在2000 s大幅度增加；＞800 mm/a的降水面积呈现整体减少趋势，甚至在1990 s消失，2000 s有所恢复但面积只占1960 s的51.88%。总的来说，黄土高原地区在1960～2011年间，降水呈现减少趋势但在2000 s有所回升，＜200 mm/a的降水区域扩张最为明显，200 mm/a～800 mm/a的降水区域波动幅度较小，＞800 mm/a的区域受降水变化影响较大。与黄土高原地区近50年降水整体减少但在2000 s略有回升的趋势一致。

（1）1级区在1960～2011年间增加16210.4 km2，共转入24185.14 km2，由1960～2000年4个年代的2级区转入，分别为：6837.10 km2，1220.89 km2，5485.64 km2，10641.51 km2；转出7974.75 km2，转出到1970～2000年4个年代的2级区，分别为：2240.27 km2，4249.69 km2，588.14 km2，896.65 km2。

（2）2级区在1960～2011年间增加22139.4 km2，共转入79329.24 km2，由1960～2000年4个年代的1级区和3级区转入，分别为：2240.27 km2，4249.69 km2，588.14 km2，896.65 km2和16244.23 km2，13271.20 km22，32454.42 km2，9384.64 km2；共转出57189.83 km2，转出到1970～2011年4个年代的1级和3级区，分别为：6837.10 km2，1220.89 km2，5485.64 km2，10641.51 km2和3781.07 km2，4443.34 km2，1703.40 km2，23076.88 km2。

（3）3级区在1960～2011年间减少15785.59 km2，共转入93567.15 km2，由1960～2000年4个年代的2级区和4级区转入，分别为：3781.07 km2，4443.34 km2，1703.40 km2，23076.88 km2和13632.34 km2，10033.62 km2，36896.50 km2；共转出109352.73 km2，转出到1970～2011年4个年代的2级和4级区，分别为：16244.23 km2，13271.20 km2，32454.42 km2，9384.64 km2和4294.86 km2，955.98 km2，180.42 km2，32566.98 km2。

（4）4级区在1960～2011年间减少21754.84 km2，共转入40050.38 km2，由1960～2000年4个年代的3级和5级区转入，分别为；4294.86 km2，955.98 km2，180.42 km2，32566.98 km2和462.96 km2，1406.33 km2，182.85 km2，0 km2；共转出61805.21 km2，转出到1970～2010年4个年代的3级和5级区，分别为：13632.34 km2，10033.62 km2，36896.50 km2，0 km2和369.89 km2，0 Km2，0 km2，872.86 km2。

（5）5级区在1960～2011年间减少809.38 km2，共转入1242.75 km2，由1960～2000年4个年代的4级区转入，分别为：369.89 km2，0 km2，0 km2，872.86 km2；共转出2052.14 km2，转出到1970～2010 年4个年代的4级区，分别为：462.96 km2，1406.33 km2，182.85 km2，0 km2。

3.3.2黄土高原不同年代降水量等级变化特征1960～2011年间，黄土高原降水量等级分布格局见表1～4和图2：1级区主要在黄土高原北部，包括内蒙古西北部、宁夏北部和甘肃东北小部分地区；2级区主要为黄土高原中部偏西北地区，包括内蒙古、宁夏、甘肃大部分地区及青海、陕西、山西小部分地区；3级区主要在黄土高原东南大部分地区，包括陕西、山西绝大部分地区和宁夏、青海及甘肃省部分地区；4级区主要在黄土高原东南部，包括河南、陕西和山西省部分地区；5级区主要在黄土高原局部，如陕西华山周边地区及山西五台山周边地区。黄土高原地区降水量等级的空间动态特征为：1级区整体呈现向西南扩张的趋势，但在1980 s略有缩减，扩张主要在黄土高原西北地区，包括内蒙古巴彦淖尔盟市、鄂尔多斯市和宁夏银川、吴忠、中卫和白银；2级区也呈现扩张趋势，但在2000 s有所回落，扩张区主要横穿黄土高原中部，包括内蒙古鄂尔多斯市、陕西榆林、宁夏庆阳地区、固原市、白银市、甘肃兰州市等地；3级区略有缩减；4级区呈缩减趋势但在2000 s有所回升，缩减地区主要在黄土高原中部，及研究区西南部小部分地区；5级区呈现整体减少趋势，在1990 s完全消失，主要在黄土高原南部及陕西华山和山西五台山周边地区。

（1）1970 s相对1960 s 1级转变为2级的区域主要在巴彦淖尔盟中部和鄂尔多斯市北部；2级区转变为1级的地区主要在北起鄂尔多斯西部南至白银市的西北部的条带区域；2级区转变为3级的地区主要在呼和浩特北；3级降水量转变为2级的地区主要发生为黄土高原中部，北起鄂尔多南至白银东南部；3级区转变为4级的地区主要在三门峡和焦作；4级区转变为3级的地区主要在延安、咸阳、平凉和宝鸡等地；4级区转变为5级的地区主要分布在西安南部小部分地区；5级降水量转变为4级的地区主要在陕西华山和山西五台山周边。

（2）1980 s相对1970 s 1级转变为2级的区域主要在鄂尔多斯中部至吴忠西北一线；2级降水量转变为1级主要在巴彦淖尔盟及中卫市中部；2级区转变为3级主要在庆阳和固原西北部；3级区转变为2级主要在呼和浩特至榆林一线，及白银市至兰州一线；3级区转变为4级主要在甘肃天水；4级区转变为3级主要在黄土高原南部，包括河南焦作、三门峡，陕西延安、咸阳、宝鸡等地；5级区转变为4级主要在西安西南角、华山和五台山周边地区。

（3）1990 s相对1980 s 1级区转变为2级的区域为巴彦淖尔盟中部及鄂尔多斯中北部；2级区转变为1级的地区主要为鄂尔多斯西部至白银市西北部一线；2级区转变为3级的区域为海东地区和西宁市的中部偏北地区；3级区转变为2级的地区为北起山西大同南至甘肃定西地区一线；3级区转变为4级的地区为河南郑州小部分地区；5级区转变为4级的地区仅在西安西南部和山西五台山。

（4）2000 s相对1990 s 1级降水区转变为2级的区域主要在鄂尔多斯市西南部；2级区转变为1级的地区主要为巴彦淖尔盟和鄂尔多斯中部，及吴忠至白银一线；2级区转变为3级的区域主要在榆林市中部及忻州西北部；3级区转变为2级的地区在北起延安西北部南至海东地区北部一线；3级区转变为4级的区域主要在黄土高原南部，包括咸阳、宝鸡、西安、渭南、延安、焦作、三门峡等地；4级区转变为5级的地区主要在西安西南部。

4　结果与讨论

（1）黄土高原地区降水在空间上由东南向西北逐渐减少。多年平均及各年代平均降水量最高值一般在研究区南端，而最低值在宁夏、内蒙古地区。由于秦岭对冬季风南下和冬季风北上的阻碍作用，暖湿气团在由南向北推进的过程中，水汽含量越来越少，致使黄土高原地区降水量由东南向西北减少。这与李振朝等研究所得黄土高原地区降水空间格局一致［13］。

（2）黄土高原地区1960～2011年间，年降水量呈现总体减少趋势，400 mm等降水量线逐渐向东南方向偏移。区域整体向干旱化方向发展，但在2000年之后降水量有所回升。IPCC第四次评估报告估计，全球地表温度在20年增加了0.6±0.2℃［14］，全球变暖引起东亚季风持续减弱，进而使季风区域末端降水减少［15］。

（3）黄土高原地区年降水量时空变异性较大；1960～2011年间，黄土高原降水量较少的区域扩大，降水量较大的区域缩小。区域内年降水量最低不足200 mm/a，最高超过800 mm/a。黄土高原内沟壑纵横，地貌复杂，地形起伏大，南北、东西跨度大且所属气候带多样包括湿润、半湿润、半干旱、干旱等，空间差异性大；平均降水量＜200 mm/a和200～400 mm/a的区域面积扩大，平均降水量400～800 mm/a和＞800 mm/a的区域面积缩小。＜200 mm/a的区域扩张主要在西北地区，即200 mm等降水量线附近，200～400 mm/a的区域扩张主要在研究区中部即400 mm等降水量线附近，400～800 mm/a和＞800 mm/a的区域主要在研究区南部并呈缩减趋势。总体来看，黄土高原地区是向干旱化方向发展的，但平均降水量＞800 mm/a的区域在1990 s完全消失又在2000 s重新出现，说明该地区的降水开始发生变化，这与王永光等研究得到华北和黄河流域一带可能向多雨期过度的结论类似［16］。

参考文献

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Spatial-temporal Dynamic Characteristics of Precipitation in the Loess Plateau, China for Recent 52 Years

CHENGNan-nan1，2，HEHong-ming1，3*，LUYa-jie3，JINGZhao-wei3，SoksamnangKeo3

1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau/Institute of Soil and Water Conservation，CAS and MWR，Shaanxi 712100，China
2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 10049，China
3. Institute of Soil and Water Conservation/Northwest A&F University，Shaanxi 712100，China

Abstract：This paper used daily precipitation data of 77 stations in Loess Plateau and its neighbors from 1960 to 2011. This study analyzed variation characteristics of annual precipitation，spatial distribution of average precipitation and spatial-temporal characteristics of each decade's precipitation in Loess Plateau through SPSS19，GIS spatial interpolation and transition matrix. Results showed that temporal and spatial variability of annual precipitation was obvious. The average precipitation of whole period and four decades showed a tendency that precipitation decreased from southeast to northwest. Annual precipitation showed a decreasing trend from 1960-2011，but it became to increase since 2000. The area of annual precipitation that less than 200 mm/a and between 200 and 400 mm/a had increased，and the area that larger than 400 mm/a had reduced. The area of precipitation that less than 200 mm/a extended in the northwest；the area of precipitation that between 200 and 400 mm/a extended in the central；the area of precipitation that larger than 400 mm/a narrowed in the south.

Keywords：Loess Plateau；precipitation；GIS spatial analysis；spatial-temporal characteristics

中图法分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1000-2324（2016）03-0388-05

收稿日期：2016-02-04修回日期：2016-04-14

基金项目：中国科学院重点部署项目：黄土高原侵蚀环境演变趋势与黄河健康的维持（KZZD-EW-04-03）；中国科学院百人计划项目：黄土高原流域水循环研究（2011009）

作者简介：程楠楠（1989-），女，山东济南人，在读博士，主要从事黄土高原气候变化研究. E-mail：chengnanok@126.com

*通讯作者：Author for correspondence. E-mail：hongming.he@yahoo.com