1964-2017年秦岭山地降水时空变化特征及其南北差异
2021-02-05邓晨晖邵景安
刘 荷, 邓晨晖, 邵景安,2, 郭 跃,2
(1.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331; 2.重庆师范大学 三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室,重庆 401331; 3.咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院, 陕西 咸阳 712000)
IPCC第5次评估报告中指出[1]，近60年全球地表温度每10 a升高0.12℃(0.08～0.14℃)，该报告也指出当今世界正处于相关经济体争相复苏的关键时期，未来CO2排放量还将会持续不断上升[2]；全球变暖对大气降水格局影响也格外显著，使得降水的空间分布产生了相应地改变，进而导致干旱、极端降水等自然灾害频发、降水分布更加不均衡[3]，降水不均匀的空间分布和时间变化上的不稳定是导致旱涝灾害最直接的原因[4]。降水区域的时空分布特征规律直接影响着区域水资源演化过程，因而局部地区降水时空变化的研究也成为近年来学者关注的热点问题，国内对降水研究区域集中在东北[5]、西藏[6]、东疆[4]、青藏高原[7]、秦岭等地[8]。
山地作为气候变化的前哨对气候变化具有高度敏感性[9]，山地降水的时空变化也因此引起了国内外诸多学者的高度关注。有学者研究表明近60 a太行山区年降水量和径流量均呈下降趋势，且年际变化剧烈不利于水资源开发利用[10]。李沁汶等[11]预测横断山未来50 a年平均降水量总体呈减少趋势，极端降水总体降水量变化波动较大可能增加地质灾害风险。秦岭作为横跨我国中部的东西走向山脉，中部地区生态环境的脆弱敏感区，全球气候变暖导致秦岭南北坡几乎同时趋于干旱趋势[12]，秦岭以南地区年降水量呈明显减少趋势[13]，同时南水北调工程、城市化进程的差异加剧了秦岭南北两侧气温变化的非均匀性[14]。目前有关秦岭山地气候变化的研究主要集中于单一季节或坡向的降水时空变化以及对极端气候的响应研究，而对于春夏秋冬四季秦岭山地降水变化特征及其南北坡差异性的研究为数不多，本文将针对气温与降水的相关性进行分析研究。
基于此，利用秦岭地区1964—2017年32个气象站的逐月降水数据资料，并采用AUSPLIN插值法将站点数据转为区域面上数据，结合小波分析、趋势分析等方法，探究秦岭山地降水在不同时间尺度上的空间变化规律。试图回答：气候变化背景下，近54 a来秦岭山地降水变化呈现怎样的特征？气温突变前后降水变化有何差异？秦岭南北坡的降水又有何不同?以期为应对秦岭南北日益增加的气候风险提供理论依据，为秦岭山地生态环境保护及旱涝灾害预防具有重要作用。
1 研究区概况
1.1 地理位置及地形特征
秦岭地处陕西南部(32°40′—34°35′N，105°30′—110°05′E)，约占陕西总面积30%，总面积6.19万km2，位于汉江以北渭河以南(图1)。秦岭山势雄伟，山体高大，地形破碎，地表高差悬殊，海拔约2 000 m，高峰都为2 000～3 000 m。秦岭山脉入陇南境内后，为西北—东南走向，丛山之间形成一些小的盆地。秦岭北坡地形陡峭，南坡坡势较缓。
图1 研究区范围及气象站位置
1.2 气候特征
秦岭山体高大因而对气流运。行有明显阻滞作用。夏季湿润的海洋气流不易深入西北，使北方气候干燥;冬季阻滞寒潮南侵，使汉中盆地、四川盆地少受冷空气侵袭，因此以秦岭—淮河为界，以南为亚热带，以北为暖温带[15]，也是湿润季风气候与半湿润季风气候的分界线，长江流域与黄河流域的分水岭[16]。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源与处理
本研究所采用的1964—2017年32个国家标准气象站的逐月、逐年的降水量、平均气温数据，其来源于中国气象数据科学共享服务网(www.geodata.cn)和陕西省气象信息中心。DEM数据分辨率为250 m×250 m，数据来源于陕西省测绘地理信息局。
薄盘光滑样条函数法TPS(thin plate smoothing splines)，对一些限定的点值，利用特征节点，用多项式拟合的方法来产生平滑的插值曲线[17]。薄盘光滑样条函数的插值结果精度最优，特别是降水和气温的效果尤其的明显[18]。亦有学者指出，ANUSPLIN法更适宜用于复杂山地环境下气候要素的空间插值[19]。因此，本研究选用AUSPLIN法进行空间插值。同时，为保证山地气象要素插值结果的准确性，在插值过程中将DEM作为协变量，从而获得秦岭山地近54 a降水栅格数据集，其空间分辨率为250 m×250 m。
根据本研究数据的特点(时间序列较短仅54 a)，假设研究区间内只有一个转折点。中国气温突变时间的研究得到一致的转折时间发生于1984年[20-21]，且秦岭地区及其南北坡的气温突变时间均发生于1984年、1985年气温开始呈稳定上升趋势温度发生[22]。本研究则以1985年作为秦岭气温突变点。
2.2 研究方法
2.2.1 空间趋势分析 一元线性回归趋势分析法，是运用最小二乘法逐像元拟合变量(气候因子)的斜率，可以模拟变量在每个栅格的变化率，分析区域变量的时空演变趋势[23]，其公式：
(1)
式中:n为时间长度;i为年序号;xi为第i年的x值(气候因子);当slope>0,表明x值在n年间的变化趋势是增加;当slope<0,变化趋势则为减少。采用t检验确定变化趋势的显著性，并将结果划分为极显著(p≤0.01)、显著(0.01
2.2.2 小波分析 本研究对1964—2017年各时间序列数据选用Morlet连续复小波变换在Matlab中进行小波变换处理，再运用suffer 8.0绘制小波系数的实部等值线。小波方差则反映能量在时间尺度的分布情况，显示时间序列中该尺度周期波动的强度，其中峰值处对应的时间表示为该序列的主要时间尺度，反映了其主要周期[24]。
3 结果与分析
3.1 年降水变化的周期性
3.1.1 1964—2017年降水变化的周期性 秦岭山地54 a降水量小波分析结果见图2。秦岭山地在54 a间降水量存在着多时间尺度规律，在不同尺度上均出现了“枯—丰”交替的周期，图中反映出3个明显的峰值，分别对应27，15，8 a的时间尺度。其中，27 a的时间尺度为最大峰值，为第一主周期，其降水的周期震荡最强；第二主周期对应着第二峰值的15 a时间尺度，从15 a和27 a大尺度的周期规律预测出，未来秦岭山地降水整体有逐渐增加的趋势；第三峰值对应着8 a的时间尺度，8 a时间尺度上降水周期震荡一直存在，但能量小。
图2 1964-2017年 秦岭地区年均降水量变化的小波变换及方差
3.1.2 降水变化周期性的南北差异 对秦岭南北坡降水量分别进行小波分析的结果如图3所示。南北坡降水量与整个秦岭山地一致存在3个时间尺度规律，3个明显的峰值分别对应8，15，27 a的时间尺度，表现出枯丰交替的周期性。但对南北坡小波变换图进行对比分析发现，南坡降水周期性较北坡更稳定，尤其在2000年后北坡在27 a大尺度上的降水周期震荡较不稳定。
3.2 年降水变化及其南北差异
通过空间插值得到秦岭山地1964—2017年降水的栅格数据集，利用ArcGIS软件计算1964—2017年秦岭山地54 a平均年降水量、倾向率及其显著性的空间分布(图4)。
由图4可知，54 a间秦岭山地的年降水量范围为470.95～1 127 mm，地区降水分布不均衡，以中南部地区的降水较多；全区整体年降水的平均速率为-11.95 mm/10 a，最快减少速率可达-41.40 mm/10 a；降水呈明显的减少趋势，其中以不显著减少为主(86.34%)，而显著减少(2.28%)、弱显著减少(4.32%)和不显著增加(6.95%)的区域相对较少。
图3 秦岭南北坡年均降水量变化的小波及方差
图4 1964-2017年年均降水量及其倾斜率与显著性的空间分布
就南北坡而言，北坡降水量范围为487.94～112.46 mm，平均降水729.44 mm，而南坡降水范围为613.35～1 171.82 mm，54 a平均降水量为845.08 mm，南坡平均降水量比北坡多115.64 mm。由倾斜率来看，北坡年降水平均速率为-13.58 mm/10 a，南坡为-11.54 mm/10 a，表明54 a间秦岭山地降水北坡减少速率较南坡快。从显著性变化来看，北坡和南坡均以不显著减少趋势为主，分别占全区17.04%，69.2%，北坡显著减少(1.14%)和弱显著减少(1.18%)区域较少；而南坡5.76%地区呈现不显著增加趋势，显著减少和弱显著减少占1.156%，2.98%。由此可以得出结论，1964—2017年北坡降水明显少于南坡降水，北坡较南坡干旱趋势更明显。
3.3 气温突变前后降水时空变化
(1) 气温突变前降水变化。秦岭山地气温突变前(1985年前)多年平均年降水量及其倾斜率与显著性的空间分布见图5。由图5A可知，气温突变前，秦岭山地的年降水量为496.12～1 259.25 mm，平均降水量为865.22 mm。由图5B统计知，秦岭山地全区年降水平均速率为26.40 mm/10 a，最大增加速率可达200.64 mm/10 a，由此可分析出气温突变前(1964—1985年)近20 a时间尺度上看，秦岭山地降水量呈现增长趋势。图5C的t检验结果显示，气温突变前，秦岭山地呈现增加趋势，其中50.94%的区域以不显著增加为主，12.17%的区域呈显著增加趋势，5.61%的区域呈弱显著增加趋势；不显著减少区域仅占31.27%。
就南北坡而言，气温突变前秦岭北坡降水量范围为496.12～1 222.82 mm，平均年降水量为777.06 mm，南坡年均降水量为888.55 mm，可以看出南坡降水量明显较北坡多。北坡平均速率为-7.1%，南坡平均速率达到35.1%，说明气温突变前，北坡降水呈减少趋势，南坡则表现出明显的增加趋势。从显著性来看，北坡11.36%区域表现为不显著减少，9.43%区域呈不显著增加；南坡总体呈现增长趋势，其中不显著增长(51.42%)为主，弱显著增长(1.35%)和显著增长(3.28%)次之，还存在少部分地区呈现不显著减少(23.06%)。
(2) 气温突变后降水变化。秦岭山地气温突变后(1985年后)多年平均年降水量及其倾斜率与显著性的空间分布如图6所示。气温突变后，秦岭山地的年降水量为476.12～1 114.07 mm；气温突变后全区降水呈现增长趋势，平均增长速率为27.09 mm/10 a；t检验结果显示，降水以增加趋势为主，其中以不显著增加为主(82.1%)，以及部分弱显著减少(0.11%)和不显著减少(7.30%)区域。就南北坡而言，气温突变后北坡年均降水量为696.17 mm，南坡年均降水量为815.82 mm，可以看出气温突变后南坡降水量多于北坡，南坡平均降水在气温突变后秦岭山地的降水时空变化并不明显，仍以中南部和低海拔区降水居多，北坡降水明显少于南坡，且北坡增长速率明显较南坡快。气温突变后，秦岭北坡几乎整体呈增加趋势，分别表现为不显著增加(12.23%)、弱显著增加(5.03%)和显著增加(3.53%)；南坡也以增加趋势为主，其中不显著增加(69.84%)和弱显著增加(1.87%)区域为主，以及部分弱显著减少(0.11%)和不显著减少(7.30%)区域。可见，秦岭山地降水变化在气温突变前后存在明显差异，气温突变前，以减少趋势为主，82.21%区域达显著性水平；突变后，以增加趋势为主，占65.60%的区域。且南北差异明显，突变前，北坡降水呈不明显减少趋势而南坡以增加趋势为主；突变后，南北坡均以增加为主，北坡全区均呈增加趋势。
图5 1964-1985年年均降水量及其倾斜率与显著性的空间分布
图6 1985-2017年年均降水量及其倾斜率与显著性的空间分布
3.4 季降水变化及其南北差异
3.4.1 季降水的空间分布 秦岭山地1964—2017年四季平均降水量空间分布见图7。由图7可知，春季降水范围为39.96～85.99 mm，年均降水量58.50 mm；夏季降水量最大范围为76.41～185.96 mm，年均降水量为129.18 mm；秋季降水量范围为57.90～117.95 mm，年均降水量为79.35 mm；冬季降水量最少为3.84～20.63 mm，年均降水量为9.55 mm，四季均以中南部降水居多。表明，54 a间降水量存在着显著的季节差异，以夏季降水量最为丰富，春季和秋季次之，冬季降水量极少。
就南北坡而言，春季北坡年均降水量为55.20 mm，南坡为59.38 mm，说明春季南北坡降水量差异不明显；夏季北坡年均降水量为110.15 mm，而南坡达到134.21 mm，夏季降水量南坡明显较北坡多；秋季北坡年均降水量为73.76 mm，而南坡为80.82 mm，秋季降水量同样较丰富且南坡较北坡多；冬季的南北坡降水量均极少，北坡年均降水量只有9.27 mm，而南坡的也仅有9.63 mm。
由此可知，秦岭地区夏季为丰水期，南坡降水量显著多于北坡；秦岭山地春秋季降水较多，且南北坡差异不明显；冬季为枯水期，南北坡降水量均很少。综合来看，54 a来秦岭山地降水在季节上存在着明显的差异，夏冬两季容易导致干旱、极端降水等自然灾害，进而对生命财产安全造成威胁，应增强旱涝灾害的预防。
3.4.2 季降水的变化趋势 秦岭山地1964—2017年四季平均季降水量倾斜率见图8。近54 a来，秦岭山地54 a四季降水的速率总体呈现减少趋势，春季平均速率为-2.96 mm/10 a，秋季为-1.91 mm/10 a；夏季和冬季则表现出不明显的增长趋势，平均速率分别为1.44，0.05 mm/10 a。由图8可知，春季降水速率存在显著海拔差异，由低海拔到高海拔逐渐减少；冬季降水速率表现出明显东西差异，由东向西逐渐增加。
就南北坡而言，季度间降水变化率存在着明显差异。春季秦岭山地北坡平均速率为-3.3 mm/10 a，南坡则为-2.87 mm/10 a，春季南北坡均呈现出减少趋势，且北坡减少速率更快；夏季北坡平均速率为1.87 mm/10 a，南坡则为1.32 mm/10 a；夏季南北坡均呈现出增加趋势，然而夏季北坡增长速率较南坡快；秋季秦岭山地又整体呈现减少趋势，北坡平均速率为-2.39 mm/10 a，南坡则为-1.79 mm/10 a，；秦岭山地冬季北坡平均速率为0.084 mm/10 a，南坡速率则为0.04 mm/10 a，由此看出冬季南北坡呈现微弱的增长趋势。
图7 1964-2017年季均降水量的空间分布
图8 1964-2017年季均降水量倾斜率的空间分布
3.4.3 季降水的趋势显著性 秦岭山地1964—2017年四季平均降水量显著性的空间分布见图9。由t检验结果显示，54 a间秦岭山地季度间降水显著性存在着差异，春季和秋季则呈减少趋势，春季秦岭山地100%的区域呈减少趋势，其中显著减少和弱显著减少的区域为主，分别占37.41%和30%，极显著减少(13.57%)和不显著减少(20%)所占区域较少；秋季秦岭山地95.4%区域降水量表现出减少趋势，其中几乎全部为不显著减少(95.3%)，仅4.59%区域呈不显著增加趋势。夏季秦岭山地82.6%地区表现出增加趋势，其中不显著增加为主占全区79%，弱显著增加较少，只占3.6%，仅17.31%地区呈不显著减少趋势。冬季秦岭山地呈减少趋势和增加趋势的地区较均衡，减少地区占50.45%，增加地区占45.55%。
季度间降水显著性存在着明显南北差异，春季北坡以极显著减少(6.89%)、显著减少(6.49%)和弱显著减少(5.57%)为主，不显著减少(2.32%)次之，南坡则以显著减少(31.69%)、弱显著减少(25.03%)和不显著减少(17.02%)的区域所占比重较大，少部分区域为极显著减少(7.08%)。夏季北坡以不显著增加(6.89%)为主，弱显著增加(2.48%)次之，存在较少不显著减少(2.50%)区域；南坡主要地区呈现不显著增加(63.19%)和弱显著增加(1.12%)，部分地区呈现不显著减少(14.8%)。秋季北坡全区呈现不显著减少(20.79%)，南坡主要为不显著减少(74.44%)，弱显著减少(0.1%)占比较少，但南坡存在不显著增加(4.57%)区域。冬季北坡以增加趋势，其中不显著增加(14.99%)为主，弱显著增加占比极少，有5.76%地区呈不显著减少；南坡地区不显著减少(44.58%)占比较大，其余地区呈现增加趋势，其中不显著增加(31.91%)为主，弱显著增加(2.16%)和显著增加(0.45%)次之。
得出结论，1964—2017年季度降水时空变化明显且存在南北差异，春秋季基本整体呈现减少趋势，春季呈明显海拔差异，随海拔升高，降水显著性减少；秋季以不显著减少为主；而夏季和冬季则表现出增长趋势，夏季增长趋势更为显著，南坡增长趋势较北坡更明显。
4 结 论
(1) 54 a来，秦岭山地全区降水呈减少趋势，周期性特征明显。年降水的平均速率达到-11.95 mm/10 a呈现明显的减少趋势，北坡为-13.58 mm/10 a，南坡为-11.54 mm/10 a，即北坡减少速率较南坡快；1964—2017年来秦岭山地降水以不显著减少为主，且北坡较南坡干旱趋势更明显。
(2) 54 a来，季度降水量未见显著趋势性变化，南北坡降水量差异也并不明显，只有夏季南坡降水量显著多于北坡；但季度间降水存在明显差异，降水主要集中在夏季和秋季，冬季为枯水期，需增强夏冬两季旱涝灾害的预防。受秦岭山地复杂地形影响，春季呈明显海拔差异，随海拔升高，降水显著性减少。
(3) 气温突变对降水趋势变化产生显著影响，气温突变前，南坡降水量明显较北坡多，北坡降水呈不明显的减少趋势，南坡则表现出明显的增加趋势；气温突变后，仍以中南部和低海拔区降水居多，南北坡降水均呈现增加的趋势，尤其北坡几乎呈整体增加趋势，南坡降水以不显著增加为主。
