黄土高原半干旱区降水量对当地气候变化的响应

2017-09-14王胜郭海瑛王娟匡朝

湖北农业科学 2017年16期

王胜++郭海瑛++王娟++匡朝

摘要：利用毛烏素沙漠边缘的丘陵沟壑区的观测站降水量资料，通过Mann-Kendall法等数理统计方法，分析陇东北部地区降水量对当地气候变化的响应特征。从56 a的降水量统计来看，降水呈现出逐年减少的趋势，其中年降水量、春季降水量、秋季降水量序列的线性倾向率分别为-7.36、-2.27、-6.35 mm/10 a，夏季降水量序列的线性倾向率为0.69 mm/10 a，这说明四季当中只有夏季降水量呈现出上升的变化趋势。通过对降水量的多时间尺度分析发现，年降水量存在着至少3个尺度的变化结构，主要的变换集中在5、10～15、25～30 a的尺度，在25～30 a的时间尺度上最为显著，降水量经历了偏多-偏少-偏多-偏少的交替变化，1970年前、1984～1997年降水量较多，1970～1984、1997～2007年降水量较少，2007年之后降水量又开始趋于增多，根据降水量的小波方差分析，确定25～30 a是降水量序列变化的第一主导周期。通过Mann-Kendall突变检验发现降水量在1968年之后减少的趋势明显，确定突变点为1968年。通过研究降水量与其他气象要素的相关性发现，夏季气温、秋季的日照时数，春季的地表温度伴随着相应时间段降水量的变化，均表现出负相关的变化特征，只有秋季降水量与相对湿度表现为正相关的变化规律。秋季相对湿度与降水量的变化关系最为密切，相关系数最大达到0.71，其后依次是秋季降水量和日照时数的0.60、春季降水量与地表温度的0.36，夏季气温与降水量的0.35。关系模型的建立说明通过降水量的变化情况在一定程度上可以反映出其他气象要素的变化规律，其共同影响着当地的气候环境。

关键词：环县；降水量；气候变化；相关性；影响

中图分类号：P462.3；P426.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）16-3048-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.16.013

Response of Precipitation to Local Climate Change in Semi-arid Region of Loess Plateau

WANG Sheng，GUO Hai-ying，WANG Juan，KUANG Zhao

（Huan County Bureau of Meteorology of Gansu Province， Qingyang 745700，Gansu，China）

Abstract： Using the observation in hilly and gully area of Maowusu desert station， climatic characteristics of precipitation and temperature and sunshine hours， through the Mann-Kendall and other methods of mathematical statistics， the response characteristics of the precipitation in the northeast of Gansu local climate change was analysised. From 56 a of precipitation statistics， the precipitation showed a trend of decreasing year by year. The linear tendency rate of annual precipitation， spring precipitation and autumn precipitation series were -7.36， -2.27， -6.35 mm/10 a， respectively. The linear tendency rate of summer precipitation series was 0.69 mm/10 a， which showed that only in the four seasons of summer precipitation showed a rising trend. Based on the multi time scale analysis of precipitation： There were at least three scale changes in precipitation. The main transformation was concentrated in 5， 10～15， 25～30 a scale， the most significant in the time scale of 25～30 a. Precipitation had experienced more， less， more， less change process， 1970 years ago， 1984～1997 precipitation were more， 1970～1984， 1997～2007 precipitation were less， in 2007 after the precipitation began to increase. According to the wavelet variance analysis of precipitation， determination of 25～30 a was the first dominant period of the change of precipitation series. Through the Mann-Kendall mutation test， it was found that the precipitation decreased trend was obvious after 1968， and the mutation point was 1968. By studying the correlation between precipitation and other meteorological elements， it was found that summer temperature and sunshine hours in autumn， the surface temperature in spring were accompanied with the change of precipitation in the corresponding time period， all of which showed a negative correlation. Only the positive correlation was shown between the fall precipitation and relative humidity. It was clear that the relationship between the relative humidity and precipitation was the most closely， and the correlation coefficient was 0.71. Then， it was the autumn precipitation and sunshine hours of 0.60， spring precipitation and surface temperature of 0.36， summer air temperature and precipitation of 0.35. The establishment of the relationship model showed that the change of the other meteorological factors could be reflected by the change of precipitation， which together affected the local climate environment.endprint

Key words： Huan county； precipitation； climate change； correlation； affect

环县位于甘肃东部、庆阳市西北部，东临甘肃华池县、陕西定边县，南接甘肃庆城、镇原县，西连宁夏固原市原州区和同心县，北靠宁夏盐池县，是1936年解放的革命老区，红军长征途经之地，是陕甘宁根据地的重要组成部分、中国人民解放战争的大后方。环县东、西宽约124 km，南北长约127 km，总面积9 236 km2，环县地处毛乌素沙漠边缘的丘陵沟壑区，山大沟深，地形复杂，山、川、原兼有，梁、峁、谷相间。环县位居内陆，距海遥远，地形复杂，全县大部分地区属环江流域，为温带大陆性半干旱气候，多风干燥，旱、雹、风、冻、虫五灾俱全，尤以旱灾为重，是甘肃省20个干旱县之一。

近年来气候变化异常情况逐年增多，对重要气象要素的研究越来越深入，降水量作为重要的气象因子，其任何的变化都会对当地的水分平衡以及农业生产产生重要的影响。西北多沙漠或荒漠地形，干燥且植被少，故多干旱，目前对西北地区降水量的研究取得了一定的成果，研究者分析河西地区降水量的变化状况[1-6]；重点研究了甘肃省黄土高原区降水量空间分布及极端降水情况[7-12]；并对空中水气输送时变特征及可利用降水的时空变化特征进行了分析研究[13-18]；史玉光等[19]、马建勇等[20]、庄晓翠等[21]对地处西北区域的新疆大气可降水量的气候特征及其变化进行了研究；易湘生等[22]研究了青海三江源地区近50 a的气温变化；马中华等[23]、张小明等[24]对近50 a甘肃省夏季日极端降水频数与强度及夏季极端强降水量的气候特征进行了分析。环县境内由于地形、地势状况和植被条件的不同，自然降水的地理分布有明显差异，总的分布状况是由南向北递减明显，自有“十年九旱”、“三年一大旱，年年有旱情”之说。全球气候的不断恶化，灾害性天气对人类的危害越来越大，暴雨是不可忽视的气象灾害。环县山高、坡陡、沟多、地面植被差，强度大的降水容易形成径流，洪水可使泥石流发生，淹没农田、房屋、冲毁堤坝和交通设施，甚至人畜造成伤亡，局地暴雨平均每年都有1～2次并造成灾害。本研究利用地处毛乌素沙漠边缘的丘陵沟壑区的观测站降水量资料，对气温、日照时数等敏感气候要素变化特征进行分析，以此总结降水量的变化规律，从而掌握其对环县气候变化的响应特征，为农业气象、牧农业生产提供有力的保障。

1 资料及研究方法

1.1 资料来源

利用1960～2015年环县国家基本气象站自动雨量传感器测定的降水量数据包括四季降水量、逐年降水量以及气温、日照时数等观测资料，利用线性倾向估计法、小波分析法对资料进行周期性分析研究，通过Mann-Kendall法对降水量进行突变性检验，通过曲线拟合的方式分析降水量对当地气候变化的响应。

气象定义：12～2月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季。

1.2 研究方法

主要采用线性气候倾向估计法、小波分析法和Mann-Kendall法进行突变检测[25，26]。

2 降水量时空分布特征

2.1 降水量变化规律

2.1.1 降水量年际变化庆阳市环县1960～2015年降水量根据年代、季节统计结果见表1。从降水量年代的变化特征来看，20世纪60年代的平均降水量最多，达到476.6 mm；而从20世纪70年代至今降水量的变化趋势呈略微上升的趋势。从季节的角度分析，降水量在春季、夏季以及冬季表现出与年代近似的变化特征，而在秋季，降水量随着年代的变化表现出的波动性较大，具体表现为1960～1990年代不断地减少，20世纪90年代至今又表现出上升的趋势；综合年代与季节两方面来看，环县降水量主要集中在夏季和秋季，其次为春季，冬季降水量最少；特别是在60、70年代，夏季和秋季降水量占全年的80%。从上述分析可以得到环县降水量四季分布极为不均匀的结论。

从图1可以看出，56 a中降水量大于历年平均降水量的年份有27 a，小于历年平均降水量的年份有29 a，两者基本持平，其中1970年之前降水量大于历年平均值的年份较多，相反的降水量小于历年值的年份主要集中在1970～1984年；通过对56 a降水量的分析看出，降水量序列的线性倾向率为-7.36 mm/10 a，即降水量隨着时间的推移表现出不断减少的变化趋势，降水量变化曲线能够直观地诊断降水量的变化规律，整体来看呈现出3个波峰值和2个波谷值的态势，具体表现为20世纪60年代初、90年代初以及2011～2014年降水量较多，而在20世纪60年代初至90年代初以及90年代初至2011年降水量较少，其中1964年降水量达到历史最大值，为811.0 mm，2006年降水量达最小值，为258.1 mm。

2.1.2 降水量季节变化特征分析环县1960～2015年逐年春季平均降水量距平值变化曲线见图2a。从图2a可以看出，春季降水量序列的线性倾向率为 -2.27 mm/10 a，说明降水量在春季表现出减少的趋势，其中有23 a的降水量大于历年平均值，33 a的降水量小于历年平均值，1998年降水量达到229.2 mm，为历史最大值，而历史最小值出现在1995年，为12.3 mm，两者之间相差216.9 mm。

环县1960～2015年逐年夏季降水量距平值曲线见图2b。从图2b可以看出，夏季降水量序列的线性倾向率为0.69 mm/10 a，说明该县夏季的降水量在不断增加，但是增加的幅度比较缓慢。通过统计计算得到，在56 a中有25 a夏季降水量距平值为正值，31 a距平值为负值，尤其是在1969～1987年，降水距平值为负值的年份为11 a，降水量距平值为正值的年份集中在1984～2003年，占比为65%，1964、1991年的降水量分别为450.5、93.8 mm，为历史最大值和最小值。夏季降水量占全年的比例为54%，因此，夏季降水量的不断增加必将会对全年的降水量产生重要的影响。endprint

环县1960～2015年逐年秋季降水量距平值变化曲线见图2c。根据计算分析得到秋季降水量序列的线性倾向率为-6.35 mm/10 a，即56 a中秋季降水量逐年递减，秋季降水量递减的幅度大于春季。期间有24 a的降水量大于历史平均值，32 a的降水量均小于历史平均值，1960～1968年的降水量均大于历史平均值且历史极大值出现在1961年，为294 mm，而在1969～1999年的31 a中，降水量小于历史平均值的年份占比为81%，历史最小值为29.4 mm，出现在1986年。

环县1960～2015年逐年冬季降水量距平值变化曲线见图2d。冬季降水量序列的线性倾向率为0.57 mm/10 a，可见冬季降水量随着时间的推移，呈现出缓慢的增加趋势。其中有21 a的降水量少于历年平均值，35 a的降水量大于历年平均值，1960～1968、1978～1988年两段时间中降水量小于历年平均值的年份占比为90%，1990年降水量为27.3 mm，达到历史最大值，1999年冬季没有降水量，由于冬季降水量只占全年的2%，因此对全年的降水量的贡献和影响很小。

2.1.3 降水量多时间尺度分析环县1960～2015年逐年降水量Morlet小波变换特征分析见图3a。从图3a中可以看出，环县的年降水量存在着至少3个尺度的变化结构。小尺度的变化一般集中在某些时间段内，5 a左右的周期变化在1982～2003年之间较为明显，降水量变化表现为4个偏多期和3个偏少期，1982～1985、1988～1991、1994～1997、2000～2004年为偏多期，1985～1988、1991～1994、1997～2000年为偏少期；大尺度的变化在10～15 a以及25～30 a的周期上最为明显，10～15 a的时间尺度上，降水量经历了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多9个循环交替，1960～1968、1974～1980、1986～1992、1999～2005、2010～2015年降水量较多，1968～1974、1980～1986、1992～1999、2005～2010年降水量较少；在25～30 a的时间尺度上，降水量经历了偏多-偏少-偏多-偏少的交替变化，1970年前、1984～1997年降水量较多，1970～1984、1997～2007年降水量较少，2007年之后降水量又开始趋于增多，截至目前曲线仍未闭合，说明近几年降水量仍然会保持较多的态势。在5 a以下的尺度，降水量呈现出的变化波动较大，线条较密，相互嵌套，周期变化不够明显，因此不再进行单独的分析。

环县1960～2015年降水量的小波方差分布见图3b，可以看到曲线中存在着4个比较明显的波峰，分别是2、5 a的周期、10～15 a的周期、25～30 a的周期，说明降水量变化存在于这4个周期之上。4个时间尺度中，降水量在尺度2 a上的振动能量最小，在5、10～15、25～30 a的周期上峰值显著，确定25～30 a是降水量序列变化的第一主导周期，10～15、5 a依次为第二和第三主导周期，这一结论与图3a所分析的结论一致。

2.2 降水量突变分析

根据1960～2015年降水资料，运用Mann-Kendall法，对环县56 a年平均降水量序列进行突变性处理，结果见图4。从图4所呈现的突变检验结果来看，UF曲线在1969年以前均为正值，说明该段时间内降水量处在较多期；UB与UF两曲线在整个时间段内先后相交于1968、2012、2014年3个点，且交点都出现±1.96的信度线之间，但1968年之后两曲线出现了波动变化，2012、2014这两个转折点并不显著；UF曲线在1968年之后均呈现出负值的状态，在1982年超出了-1.96的信度临界线（通过信度为0.05的显著性检验），充分说明降水量在1968年之后减少的趋势明显，且突变点为1968年。

3 降水量对气候变化的响应

降水量的变化趋势对研究当地气候环境的特征具有重要的意义。为了找出降水量与其他影响气候变化的因子之间的关联，通过常用的手法相关性检验来判定。从表2可以看出，降水量在四季当中对其他气象要素的影响情况不同。①气温。只有夏季气温与降水量的相关性较强，通过了0.01的相关性检验；②日照时数。春季、秋季、冬季日照時数与相应时段的降水量相关系数通过了0.01的相关性检验，其中在秋季两者的相关系数达到0.60，其次是冬季、春季；③地表温度。春季和夏季的地表温度与降水量相关系数通过了0.01的相关性检验；④蒸发量。只在冬季与降水量的相关性勉强通过了0.01的相关性检验；⑤相对湿度。在春、夏、秋、冬四季与降水量的相关性均通过了0.01的相关性检验，符合一般逻辑。总体来看，除相对湿度外，夏季气温、秋季日照时数、夏季地表温度与相应时次的降水量相关性强，可进行后续的模型研究。

3.1 降水量对气温的响应（夏季）

利用1960～2015年的夏季平均气温和年平均降水量，建立两者之间的关系模型。通过计算和数据处理得到模拟方程为：

TQ=-0.14×TJ+20.038 （1）

式中，TJ为降水量；TQ为气温。

计算回归系数R为0.353，其决定系数R2为0.125；F为7.7；P所反映的显著性水平值为0.008，这些参数的结果说明所建立的一元关系模型具有意义。根据方程所计算出的模拟值与实测值之间的平均绝对误差为0 ℃，两者之间的误差在很小的范围之间，进一步说明建立的模型方程有意义，即通过降水量能够反映出气温的变化特征。

3.2 降水量对日照时数的响应（秋季）

秋季降水量与秋季日照时数之间的相关系数达到0.60，相关性很强，利用1960～2015 年的秋季日照时数和年平均降水量，建立两者之间的关系模型。

TR=-0.409×TJ+304.1 （2）endprint

式中，TJ为降水量；TR为日照时数。计算所得到的回归系数为0.602，决定系数R2为0.362；F为30.6；反映显著性水平的P为0.000，这些参数都说明所构建的关系模型是有意义的。

56 a里通过降水量所计算的日照时数与实际观测值之间的平均绝对误差为0.00 ℃，图5为两者之间的散点图，大多数的数值点在所拟合曲线的附近，可以看到模型拟合的日照时数与观测值之间的误差在很小的范围内，因此，所建立的關系模型具有意义，即通过夏季降水量的变化趋势能够验算出夏季日照时数的变化规律。

模拟方程所拟合的日照时数与实际观测值之间的关系曲线见图6。由图6可知，56 a中秋季模拟计算的降水量与实际观测值之间的平均绝对误差为0.00 ℃，其中最大绝对误差为102.5 mm，出现在1961年，该年降水量为秋季历史最大值，降水量达到了294 mm，是造成两者误差较大的重要原因；两者最小绝对误差出现在1979年，为-0.7 mm，总体来看两者误差在很小的范围之内，两条曲线呈现出的变化趋势也具有相似性，这足以说明之前所建立的关系模型效果良好，可以通过秋季降水量的变化趋势来反映出秋季日照时数的变化规律。

3.3 降水量对地表温度的响应（春季）

春季降水量与地表温度之间的相关系数为0.36，选取春季降水量与地表温度建立两者之间的关系模型：

TD=-9.385×TJ+199.309 （3）

式中，TJ为降水量；TD为地表温度。计算所得到的回归系数为0.356，决定系数R2为0.128；F为7.9；反映显著性水平的P为0.07，综合考虑这些参数，说明所建立的关系模型是具有意义的，即可以通过春季降水量的变化趋势来反映春季地表温度的变化特征。

3.4 降水量对相对湿度的响应（秋季）

降水量在四季当中与对应时段的相对湿度相关性都很强，特别是在秋季，降水量与相对湿度之间的相关系数最大，为0.71，在两者之间构建关系模型：

TU=3.782×TJ-109.689 （4）

式中，TJ为降水量；TU为地面温度。计算所得到的回归系数为0.709，决定系数R2为0.530；F为54.7；反映显著性水平的P为0.00，这些参数值符合两者关系模型的建立要求。

根据以上分析可以看出，降水量与其他气象要素在不同的时间段均存在着较为显著的响应关系，降水量的变化情况在一定程度上可以反映出其他气象要素的变化规律，它们共同影响着当地的气候环境状态。从构建关系模型的情况来看，夏季气温、秋季的日照时数、春季的地表温度伴随着相应时间段降水量的变化，均表现出负相关的变化特征，只有秋季降水量与相对湿度表现为正相关的变化规律。很显然秋季相对湿度与降水量的变化关系最为密切，相关系数最大达到0.71，其后依次是秋季降水量和日照时数的0.60、春季降水量与地表温度的0.36，夏季气温与降水量的0.35。

4 小结

1）从环县1960～2015年降水量年代、季节分析，20世纪60年代的平均降水量最多，达到503.5 mm；从20世纪70年代至今降水量的变化趋势呈现出略微上升的趋势。从季节的角度分析，降水量在春季、夏季以及冬季表现出与年代近似的变化特征，而在秋季，降水量随着年代的变化表现出的波动性较大，具体表现为60年代至90年代不断减少，90年代至今又表现出上升的趋势。环县降水量主要集中在夏季和秋季，其次为春季，冬季降水量最少。

2）对56 a年降水量进行Morlet小波变换特征分析，年降水量存在着3个比较明显尺度的变化结构，主要的变换集中在5、10～15、25～30 a周期，10～15 a的时间尺度上，降水量经历了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多9个循环交替；在25～30 a的时间尺度上，降水量经历了偏多-偏少-偏多-偏少的交替变化，1970年前、1984～1997年降水量较多，1970～1984、1997～2007年降水量较少，2007年之后降水量又开始趋于增多。降水量的小波方差分析，确定25～30 a是降水量序列变化的第一主导周期，10～15、5 a依次为第二和第三主导周期。

3）Mann-Kendall法对环县56 a年平均降水量序列进行了突变性检测。从两条曲线的变化来看，UF曲线在1969年以前均为正值，说明该段时间内降水量处在较多期；UB与UF两曲线在整个时间段内先后相交于1968年，UF曲线在1968年之后均呈现出负值的状态，在1982年超出了-1.96的信度临界线，表明降水量在1968年之后减少的趋势明显，确定突变点为1968年。

4）研究降水量与其他气象要素的相关性发现，在特定的季节之间存在着一定的相关性。夏季气温、秋季的日照时数、春季的地表温度伴随着相应时间段降水量的变化，均表现出负相关的变化特征，只有秋季降水量与相对湿度表现为正相关的变化规律。很显然，秋季相对湿度与降水量的变化关系最为密切，相关系数最大达到0.71，其后依次是秋季降水量和日照时数的0.60，春季降水量与地表温度的0.36，夏季气温与降水量的0.35。关系模型的建立说明通过降水量的变化情况在一定程度上可以反映出其他气象要素的变化规律，其共同影响着当地的气候环境。

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