1971—2010年中国干湿区降雨资源变化特征分析

赵宇铭1，邱新法，朱晓晨，徐金勤

(1.南京信息工程大学 地理科学学院，南京 210044; 2.南京信息工程大学 应用气象学院，南京 210044)

1 研究背景

降雨是指空气中的水汽冷凝并降落到地表的现象，它是表征生态气象的要素之一。不管是在社会生产领域，还是在科学技术研究领域，降雨对于预测旱涝灾害、分析水资源以及治理生态环境都有十分重要的作用[1]。

降雨在多方面影响着人类生活，譬如城市交通、公共设施，极端情况下甚至引发洪水、泥石流等严重灾害。此外，降雨还对农作物生长水分条件起着至关重要的作用。目前全球气候变暖导致的气候变化影响各地降雨的时空分布特征，改变了水资源以及水分循环的时空分布格局。我国是农业大国，农业生产更易受到降雨变化的影响，因而研究我国不同干湿区降雨资源变化和时间、空间的分布规律，揭示降雨格局的变化特征和分配规律对全国合理利用降雨资源、改善生态环境和农业的可持续发展有着十分重要的意义[2]。

前人对降雨资源变化特征的研究多集中于全国或全国多区域的年降雨量、年降雨频率和平均降雨强度的时空变化趋势[3-10]，但基于行政区划的研究一般忽略了不同区域的地形和气候要素变化的特征。众多国内学者近年来开始以年降雨量为标准进行气候区划，从而对研究区域进行干湿分区，再系统分析研究干湿区域年代际界限变动的特征[11-15]。如任国玉等[16]采用全国平均低温日数、强降雨日数、干旱面积百分率等7种极端指标对中国地区的极端气候事件进行研究分析，发现全国平均强降雨日数和干旱面积百分率呈上升趋势；余卫东等[17]选用河南省1957—2005年逐日降水资料研究河南省的极端降水事件，得出河南省近50 a暴雨日数和极端降水出现的频数呈增加趋势，但没有明显的线性趋势；黄晚华等[18]将连续无有效降水日数作为干旱标准，并利用1959—2009年我国南部多省气象测站的逐日降水数据进行分析，总结出研究区域的干旱频率以及持续天数的空间分布规律和年际变化；张淑杰等[19]对东北地区蒸散量和湿润指数的变化趋势及干湿界线的变化情况进行研究，总结出东北地区半干旱区面积扩大、湿润区面积减小、呈渐渐变干的趋势；刘波和马柱国[20]将中国分成干旱区、半干旱区和湿润区进行研究，发现中国在1960—2004年间湿润区面积减少、干旱总面积扩大，且半干旱面积变化的程度最大；谭云娟等[21]采用年降雨量和年干燥度为指标进行中国区域的多年平均干湿区划，从而对比分析研究出不同指标下的中国区域干湿分界线并不重合。

然而因为不同等级降雨贡献率和降雨频率不同，其相应的影响程度亦不同，基于全国或全国多区域的年降雨量时空变化趋势研究对于改善生态环境、合理利用水资源和农业的可持续发展来说仍显不够。本文以各干湿区为研究单元，基于降雨量和降雨日数分析4个等级降雨资源的变化特征，并给出各干湿区近40 a内降雨量年际、年代际变化以及突变特征。同时本文在分析各干湿区不同等级降雨量和降雨日数空间分布中，未使用简单的空间插值方法，仅基于气象站点数据进行表达，更能充分体现出不同地形对于降雨资源分布的影响。

2 数据与研究方法

本文采用的气象科学数据来源于国家气象科学数据共享服务平台，包含1971—2010年743个气象台站点的逐日降雨资料，并经过质量控制。

2.1 干湿区划分方法

应用降雨评价法中的年降雨量作为干湿区划指标，我国干湿气候划分指标年降雨量的分区界限值如表1所示。

表1 干湿气候划分指标年降雨量的界限值
Table 1 Thresholds of dry and wet climateclassification index

分界线干旱与半干旱半干旱与半湿润半湿润与湿润年降雨量/mm200400800

2.2 降雨资源变化特征分析方法

2.2.1 降雨等级与降雨日数等级标准

根据中国气象局降雨等级标准，将日降雨量划分为4个等级，见表2。各等级降雨量对应的降雨日数为该等级降雨的降雨日数[22]。

表2 日降雨量等级划分[17]Table 2 Classification of daily rainfall[17]

2.2.2 降雨频率与贡献率

将研究区域内气象站点逐年降雨量和降雨日数按照降雨等级划分成4个等级进行分类，各等级降雨量占总降雨量百分比为各等级降雨贡献率，各等级降雨日数占总降雨日数百分比为各等级降雨频率[23]。

2.3 降雨时间变化特征分析方法

2.3.1 线性倾向率

研究区域内数量为n的样本中，xi代表某一降雨变量；ti代表xi相应的时间，建立两者之间的一元线性回归方程[24]，即

xi=a+bti，i=1，2，…，n。

(1)

将10b称为气候倾向率[25]，用它的绝对值大小来表示变化趋势的程度。

2.3.2 累积距平分析

累积距平是常用的一种用曲线来直观分析气候变化趋势的方法，能够体现出气象要素的变化趋势。某气象要素序列某时刻的累积距平公式[26]为

(2)

其中，

(3)

计算n个时刻的全部累积距平，再绘出累积距平曲线并进行趋势分析。

2.3.3 Mann-Kendall (M-K)非参数检验法

M-K非参数检验法优点是样本不一定服从某种规律分布，不受小部分异常值的影响，计算过程简单[27]。

假定存在时间序列xn，其中xk和xj(k，j≤n，且k≠j)的分布不一样，计算检验统计量的公式为[28]

(4)

式中：S为正态分布， 均值为0， 方差Var(S)=[n(n-1)(2n+5)/18]。

当n>10时，标准正态统计变量计算公式为

(5)

统计值M>0表示增加趋势；M<0表示减少趋势。M的绝对值>1.282，1.645，2.320时，分别表明该时间序列通过90%，95%，99%的显著性检验。

2.3.4 滑动t检验

滑动t检验通过判断2组样本的平均值差异显著与否从而检验突变，设一个时刻为基准点，若该点前后样本均值差异超过一定的显著性水平，则判断有突变发生[29]，计算公式为

(6)

其中，

(7)

3 结果与分析

3.1 中国干湿区的空间分布

运用ArcMap软件，对气象站点数据采用反距离加权法(Inverse Distance Weighted)进行插值平均，生成我国1971—2010年多年平均的年降雨量栅格图，并调用ArcMap软件中等值线绘制、Extend Tool和Construct Features工具，根据年降雨量指标将中国划分成干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区(图1)。

图1 基于年降雨量1971—2010年的中国干湿分区Fig.1 Wet and dry partitions based on annual rainfallin China from 1971 to 2010

从图1可以看出，我国由西北至东南湿润程度逐渐增加，基于降雨量的各干湿区域分界线清晰且明显，均呈现东北—西南走向。其中干旱区和半干旱区有2条分界线，一条分界线位于西北部，呈东西走向的圆圈式分布；另一条分界线位于中部偏西，呈平稳的东北—西南走向。半干旱区与半湿润分界线的长度最长，达5 401 km，近西北向斜跨我国，而位于我国中部以南的湿润区与半湿润区的分界线，长度仅约其66%。

从各干湿分区的面积看，干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区的面积占比分别为26.05%，13.97%，32.88%，27.10%，可见整个中国将近1/3的区域属于半湿润区域，其次是湿润区，干旱区的分布面积最少。

3.2 各干湿区降雨资源变化特征

3.2.1 各干湿区年降雨日数空间分布特征

各干湿分区的年降雨日数空间分布存在明显差异，分布特征各有不同。由图2可见，近40 a，干旱区年降雨日数高值区位于干旱区的西北部，即内蒙古北部满洲里和北疆天山山脉地区，而在青海柴达木盆地、新疆的塔里木盆地以及内蒙古西部巴丹吉林沙漠等地年降雨日数低于20 d，可见该地常年少雨。半干旱区年降雨日数呈从北向南递增趋势，高值区位于青海省东部及甘肃省西部，低值区位于宁夏回族自治区和内蒙古自治区西部。半湿润区降雨日数表现为西部、东北部高，中部以东低的特征，且降雨日数多的地点主要在全区的西部和东北部。湿润区年降雨日数则呈中部高、周边偏低分布，且中部区域降雨日数均在165 d以上，低值中心出现在东北部的江苏省和安徽省北端，这和前人的研究结果相似[24]。

图2 1971—2010年干湿分区年降雨日数分布Fig.2 Distribution of annual rainfall days in wet anddry partitions from 1971 to 2010

表3 1971—2010年各干湿分区各等级降雨分布Table 3 Distribution of various levels of rainfall amount in wet and dry partitions from 1971 to 2010

3.2.2 各干湿区不同等级降雨特征

各干湿区不同等级降雨量分配不一 ，小雨和中雨的年降雨量和年降雨日数明显多于大雨和暴雨年降雨量和年降雨日数。

表3为1971—2010年各干湿区不同等级年降雨量和年降雨日数。由于干旱区大雨和暴雨发生少，多年平均后的大雨和暴雨年降雨量和年降雨日数小于其量级标准，所以表3列出了1971—2010年大雨和暴雨年降雨量和年降雨日数的极值范围；半干旱区的暴雨事件同之。图3为1971—2010年各干湿分区各等级年降雨量和年降雨日数分布。

图3 1971—2010年各干湿分区各等级年降雨量和年降雨日数分布Fig.3 Distribution of various levels of annual rainfallamount and annual rainfall days in dry and wetpartitions from 1971 to 2010

由表3和图3发现：

(1)在干旱区，小雨年降雨量为13.5～155 mm，低值区普遍位于该区西北部以外的其他区域，皆低于100 mm；小雨年降雨日数为12～90 d，与小雨年降雨量在空间分布上具有一致性，西北地区小雨年降雨日数明显多于其他地区；中雨年降雨量和中雨年降雨日数空间分布较为均匀，差异不明显；大到暴雨发生并不多，明显低于小雨和中雨发生的频率，暴雨也仅在与半干旱区的南分界线附近少数发生，其他地区几乎没有出现。

(2)在半干旱区，小雨年降雨量为97.5～309.5 mm，小雨年降雨日数为49～185 d，高值区位于全区的中部以东，而西部为低值区；中雨年降雨量为43～203.3 mm，中雨年降雨日数为3～13 d，青海省南部、内蒙古自治区中部以南为高值区，甘肃省南部、内蒙古自治区东北部、甘肃省中部以及青海省中部等地则为低值区；大雨年降雨量为28.2～122.9 mm，大雨年降雨日数为1～3 d，两者在空间分布上无明显差异，高值皆分布在内蒙古自治区与黑龙江省、吉林省、山西省、河北省、山西省等多省的边界处，低值区为青海省和甘肃省中部地区，可见半干旱区北部大雨年降雨量和年降雨日数多于南部地区；全区暴雨事件较少，整个西部地区几乎没有发生暴雨事件。

(3)在半湿润区，小雨依旧是4个等级中发生频率最大的事件，小雨年降雨量达106～412.5 mm，小雨年降雨日数达47～161 d，西部和东部两端属于小雨年降雨量和年降雨日数的高值区，区域中部为低值区；中雨年降雨量为84～494.9 mm，中雨年降雨日数为5～30 d，与干旱区和半干旱区相比，中雨年降雨量和年降雨日数明显增多，高值区主要位于吉林省南部、辽宁省东北部、陕西省南部、四川省北部和西藏自治区东部区域，低值区位于全区东部；大雨和暴雨发生次数比干旱和半干旱区发生次数显著增多，年降雨量也明显增加，大雨年降雨量为31.7～592.4 mm，在空间分布上呈现出从东北向西南递减的趋势，大雨年降雨日数为1～17 d，空间分布呈南至北递增；暴雨年降雨量为50.4～995.6 mm，年降雨日数为1～10 d，可见该区暴雨发生次数不多。

(4)在湿润区，各等级降雨年降雨量与年降雨日数空间分布特征一致。小雨年降雨量为148～455.1 mm，小雨年降雨日数为61～209 d，两者低值仅位于全区的少数北部地区，即安徽省北部、江苏省北部和河南省南部地区；湿润区仍是小雨年降雨日数最多，频率最大；但中雨年降雨量超过小雨年降雨量，中雨年降雨量达197.8～692.4 mm，年降雨日数达12～42 d，低值区位于该区西部少量区域，即四川省西南部，而福建省、广东省和江西省为其高值区；该区大到暴雨年降雨量和年降雨日数与其他区域相比有所升高，大雨年降雨量达84.3～680.1 mm，年降雨日数达2～19 d，其低值区与中雨年降雨量低值区相同，位于该区的中部以北和西部少量区域；暴雨年降雨量为53.6～1 039.1 m，年降雨日数为1～10 d，呈从北至南增加的分布特征，且高值区均包含广西壮族自治区、江西省、广东省、福建省、湖北省南部和湖南省北部区域，可见这些地区属于常年多雨区。

3.3 各干湿区降雨时间变化特征

3.3.1 各干湿区年降雨量变化

为分析各干湿区年降雨量空间分布变化特征，计算4个干湿区1971—2010年年降雨量的线性倾向率(表4)，并给出了4个干湿分区1971—2010年年降雨量距平变化曲线和线性趋势(图4)。

表4 1971—2010年各干湿区年降雨量的线性倾向率Table 4 Linear incidence rates of annual rainfall inwet and dry partitions from 1971 to 2010

注：*表示通过0.05的显著性检验

图4 1971—2010年各干湿分区年降雨量距平及其线性趋势Fig.4 Linear trend of annual rainfall amount anomalyin wet and dry partitions from 1971 to 2010

如表4所示，在线性趋势方面，干旱区和半干旱区年降雨量在波动中缓慢上升，年降雨量线性倾向率分别为0.59 mm/a和0.27 mm/a，半湿润区年降雨量呈缓慢减少趋势，年降雨量线性倾向率为-0.31 mm/a，但三者都未通过显著性检验。湿润区年降雨量也在缓慢减少，平均每年减少0.26 mm，并通过0.05的显著性检验。

从图4可知：4个干湿区的年降雨距平都在上下波动，其中半干旱区的年降雨距平波动频数最多，干旱区次之；湿润区的年降雨距平波动幅度最大，半湿润区次之。干旱区1971—1986年年降雨距平仅在1979年和1981年分别取正值5 mm和2 mm，其余年份均为负值；1987—2010年年降雨距平大部分为正数，1997年达最小值-28.2 mm，这表明干旱区1987—2010年比1971—1986年降雨量更为丰富。近40 a内，半干旱区多年份的年降雨距平≥0，少数年份取负值，且在1998年达最大值77.6 mm，在1982年达最小值-59.3 mm，判断出1971—2010年半干旱区年降雨量有波动变化，但无明显增减趋势。与前2个区域不同的是，半湿润区和湿润区逐年降雨距平上下波动幅度显著，半湿润区年降雨距平在1990年达最大值83.3 mm，在1997年达最小值-91.8 mm；湿润区则在1983年年降雨距平达最大值209.7 mm，在1978年达最小值-176.7 mm。半湿润区和湿润区年降雨距平符号无固定周期范围变化，由此可以推测出半湿润区和湿润区的降雨量变化幅度虽大，但仍无明显增减趋势。

3.3.2 各干湿区年降雨量的年代际变化

为进一步了解各干湿分区1971—2010年降雨量年代际变化，计算了4个干湿区降雨量1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年年代际距平(见表5)。

表5 各干湿分区年降雨量年代际距平
Table 5 Decadal rainfall amount anomalies inwet and dry partitions

区域年降雨量年代际距平/mm1971—1980年1981—1990年1991—2000年2001—2010年干旱区-9.7-2.13.39.1半干旱区-7.22.45.1-0.3半湿润区2.611.6-8.9-5.3湿润区-5.5-4.239.3-29.6

从表5中可看出：1971—1980年，半湿润区以外的区域年降雨量均减少，其中干旱区年降雨量减少最多，距平为-9.7 mm；1981—1990年，干旱区与湿润区年降雨量均减少，湿润区减少最多，距平为-4.2 mm，半干旱区与半湿润区年降雨量均上升，且半湿润区的年降雨量变化最大，距平为11.6 mm；1991—2000年，半湿润区年降雨量呈下降趋势，距平为-8.9 mm，而其他3个分区年降雨量均上升，其中湿润区年降雨量增加幅度最大，增加39.3 mm，其次为半干旱区，干旱区变化幅度最小；2001—2010年，半干旱区、半湿润区年降雨量均减少，半湿润区减少最多，减少近30 mm，而半干旱区变化趋势不明显，仅减少0.3 mm。

3.3.3 各干湿区年降雨量突变

用非参数M-K法和滑动t检验法分别对4个干湿区1971—2010年年降雨量进行突变检验分析，并结合累积距平结果，发现4个区域年降雨量突变趋势存在差异(表6)。

表6 各干湿区1971—2010年年降雨量M-K检测疑似突变年份及其t检验值Table 6 Suspected years of abrupt change of annualrainfall amount by M-K test and values ofttest in wetand dry partitions from 1971 to 2010

注：*表示通过0.05的显著性检验

图5 1971—2010年各干湿区年降雨量M-K突变判别曲线Fig.5 Mann-Kendall discriminant curves of abruptchange for annual rainfall amount in wet anddry partitions in 1971-2010

从1971—2010年干旱区年降雨量M-K检验结果(图5(a))可以看出M-K曲线的UF曲线在95%置信区间内于1986年前后与UB线有多个交点，初步认为1986年产生突变。再使用滑动t检验进行验证，计算出1986年t值为-2.15，通过了α=0.1的显著性检验(tα=±2.02)，2种突变检验方法都证明干旱区的年降雨量在1986年前后发生了突变。该区累积距平结果(图6(a))表明尽管累积距平始终为负值，但曲线在1971—1986年呈下降趋势，80年代末开始上升且增长趋势至2010年未减，最终判断该区年降雨量于1986年发生从少到多的突变。从1971—2010年半干旱区年降雨量M-K检验结果(图5(b))可以看出该区M-K曲线的UF、UB曲线于1984年、1999年前后产生交点，初步认为都是突变点，同样使用滑动t检验进行验证，经计算t值分别为-1.66和0.24，均未通过水平显著性检验，并不是真正的突变。

图6 1971—2010年各干湿区域年降雨量累积距平Fig.6 Accumulated annual rainfall anomaly inwet and dry partitions from 1971 to 2010

用同样的方法分别检验半湿润区和湿润区年降雨量是否发生突变和突变趋势，结果如表7所示。半湿润区年降雨量于1977年发生从多到少的突变，湿润区年降雨量于2002年发生从多到少的突变。

表7 各干湿区1971—2010年年降雨量突变年份与趋势Table 7 Years and trend of abrupt change of annualprecipitation in wet and dry partitions from 1971 to 2010

4 结 论

本文基于1971—2010年我国逐日降雨资料，对全国进行干湿分区，并对4个干湿区的降雨资源进行时空变化分析，主要结论为：

(1)半湿润区占据我国将近1/3的面积，湿润区占据我国整个南部区域，干旱区主要分布在我国西北部，而半干旱区在全国的分布面积最少。

(2)1971—2010年各干湿分区年降雨量从空间分布上看，干旱区青海柴达木盆地、新疆的塔里木盆地以及内蒙古西部巴丹吉林沙漠等地常年少雨，年降雨量低于40 mm；半干旱区年降雨量自西北向东南递增；半湿润区年降雨量表现出北部高、南部低的分布特征。时间分布上，干旱区和半干旱区的年降雨量均呈现上升趋势，其中干旱区域年降雨量增加幅度最大，半湿润区和湿润区年降雨量呈减少趋势且变化幅度不明显。

(3)1971—2010年各干湿分区年降雨量年代际变化趋势不一，其中1971—1980年干旱区年降雨量减少幅度最大，而在1991—2000年湿润区年降雨量增加幅度最大。

(4)1971—2010年各干湿分区年降雨量经过M-K检验、t检验和年降雨量累积距平分析，结果表明4个干湿分区的年降雨量在近40 a突变情况和突变趋势皆不一致，半干旱区年降雨量未发生突变，而湿润区年降雨量于2002年发生了由多到少的突变。

本文研究以干湿分区为单元，分析降雨资源变化，尚未突出对农业的具体影响，接下来还需结合小麦种植区划图、茶叶种植区划图、玉米种植区划图等开展进一步研究。