近50年秦嶺山地降水時(shí)空變化特征研究

張善紅

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

秦嶺橫亙我國(guó)中部地區(qū)，大體上與1月0℃等溫線(xiàn)、800 mm等降水量線(xiàn)以及2000 h日照時(shí)數(shù)等值線(xiàn)基本一致，是亞熱帶與暖溫帶、濕潤(rùn)與半濕潤(rùn)氣候的分界線(xiàn)，是中國(guó)重要的地理分界線(xiàn)[1]。上世紀(jì)20年代，張相文[2]從自然地理分區(qū)的角度首次提出我國(guó)的南北分界線(xiàn)為現(xiàn)在的秦嶺—淮河一線(xiàn)。當(dāng)代許多學(xué)者認(rèn)為秦嶺淮河亦是“中國(guó)南北地理氣候分界帶”。之后許多學(xué)者[3-5]從氣候、水文、土壤、地質(zhì)、地貌、植被、野生動(dòng)物和人文地理等方面定性地論述了秦嶺作為中國(guó)南北分界線(xiàn)的重要意義。

20世紀(jì)至今，在全球變暖的背景下，秦嶺山地氣候如何變化受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，其變化在全球變化響應(yīng)中表現(xiàn)出明顯的區(qū)域響應(yīng)性。孫華等[6]研究表明，近30年來(lái)，秦嶺南北坡地區(qū)的溫度和降水變化顯著，且具有同步變化的趨勢(shì)。方建剛等[7]結(jié)合大氣環(huán)流對(duì)秦嶺秋季降水進(jìn)行了特征分析，結(jié)果顯示秦嶺地區(qū)2000年以后秋季降水略有增加。延軍平等[8-9]研究表明，秦嶺南坡、北坡氣候突變的時(shí)間較為統(tǒng)一，南北坡降水量變化趨勢(shì)也基本一致。秦嶺南、北坡整體呈現(xiàn)“暖干化”趨勢(shì)年均氣溫明顯升高，而年降水量普遍減少。高翔等[10]研究表明，近15年來(lái)秦嶺地區(qū)氣候具有暖濕化趨勢(shì)。張立偉等[11]應(yīng)用Arcgis軟件，研究發(fā)現(xiàn)，近40年來(lái)秦嶺山地各降水量帶與標(biāo)準(zhǔn)期比較發(fā)生了明顯移動(dòng)，但并未對(duì)各降水量進(jìn)行比較。

秦嶺是漢江、丹江、嘉陵江的源頭區(qū)，也是南北水調(diào)中線(xiàn)工程的重要水源涵養(yǎng)區(qū)。本文對(duì)秦嶺山地降水變化特征以及800 mm等降水量線(xiàn)移動(dòng)情況進(jìn)行研究，不僅可以揭示該區(qū)域降水變化特征，而且可以為本區(qū)生物多樣性保護(hù)以及水源地保護(hù)提供理論支撐。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源與處理

結(jié)合秦嶺山地降水的實(shí)際情況，本研究選取了秦嶺（陜西境內(nèi)秦嶺）境內(nèi)及其周邊共39個(gè)氣象站點(diǎn)近50年的月均降水觀(guān)測(cè)資料，并對(duì)部分站所缺部分觀(guān)測(cè)資料，根據(jù)鄰近觀(guān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)際資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，以保證降水序列的完整性。最后統(tǒng)一取1960—2009年逐月降水量作為本文統(tǒng)計(jì)分析的基本資料。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于陜西省氣象局。

1.2 研究方法

選用Kendall秩相關(guān)系數(shù)來(lái)檢驗(yàn)降水量是否表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)，Kendall秩相關(guān)系數(shù)的基本原理和計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

R/S 分析法(Rescaled Range Analysis)，無(wú)論時(shí)間序列是正態(tài)還是非正態(tài)分布，R/S分析結(jié)果的穩(wěn)定性均不受影響[13-14]。本文將其用于研究降水量序列變化的持續(xù)性特征。R/S法從定性的角度認(rèn)識(shí)序列過(guò)去與未來(lái)是否存在相同或相反的變化特征，著重揭示未來(lái)的變化特征[15]。通過(guò)該方法計(jì)算的Hurst指數(shù)H的取值范圍為[0,1]，當(dāng)H=0.5，標(biāo)志著一個(gè)序列是隨機(jī)的，事件是隨機(jī)的和不相關(guān)的，現(xiàn)在不會(huì)影響未來(lái)；H>0.5，表示未來(lái)的趨勢(shì)與過(guò)去一致，H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)；H<0.5，表明未來(lái)的總體趨勢(shì)與過(guò)去相反，過(guò)程具有反持續(xù)性，H越接近0，反持續(xù)性越強(qiáng)[16-17]。

Kendall秩相關(guān)系數(shù)和R/S分析法綜合就可以得出未來(lái)的趨勢(shì)特征。

M-K突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，此方法的變量可以不具備正態(tài)分布的特征，適用于氣溫、降水、水文等變量的趨勢(shì)檢驗(yàn)，該方法已被很多學(xué)者用于研究河流徑流、氣溫、降水的變化[18-24]，M-K法能夠大致確定突變點(diǎn)的發(fā)生位置，具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水序列趨勢(shì)分析

圖1為1960—2009年秦嶺地區(qū)年降水量變化曲線(xiàn)，由圖1可知，秦嶺地區(qū)降水量有干濕期之分，整個(gè)地區(qū)近50年來(lái)年降水量呈減少趨勢(shì)，年降水量變化的傾向率是-8.6mm/10a，但未通過(guò)信度為0.05的檢驗(yàn)。通過(guò)表1的Kendall秩相關(guān)系數(shù)M=-0.4067，也說(shuō)明近50年來(lái)秦嶺地區(qū)年降水量下降，但未通過(guò)0.05的檢驗(yàn)，說(shuō)明下降趨勢(shì)較弱。用R/S分析法來(lái)預(yù)測(cè)秦嶺地區(qū)降水量變化的未來(lái)趨勢(shì)，計(jì)算后得到Hurst指數(shù)H年=0.5771＞0.5，說(shuō)明未來(lái)降水量變化與保持相同的態(tài)勢(shì)，即有持續(xù)遞減的特征，但持續(xù)性較弱。

圖1 秦嶺山地年降水量變化

表1 秦嶺山地年平均降水變化趨勢(shì)

從圖1還可以看出，秦嶺地區(qū)降水量有明顯的干濕期之分。20世紀(jì)60年代為豐水期，降水量較多；70年代降水較少，為枯水期；80年代降水最多，其中秦嶺地區(qū)年降水量最大值出現(xiàn)在1983年（1091.4 mm）；90年代降水量最少，為干旱少雨期，其中近50年來(lái)降水量的最小值出現(xiàn)在1995年（490.2 mm）；但從90年代中期到2009年降水量持續(xù)增加。1995年到2009年降水量的線(xiàn)性方程為y=18.868x-37072，R2=0.3443，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；同時(shí)Kendall秩相關(guān)系數(shù)M=2.0159，也通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；其中Hurst指數(shù)=0.5774>0.5，說(shuō)明未來(lái)降水量變化與前面保持相同的態(tài)勢(shì)，即有持續(xù)遞增的特征。結(jié)合M值和Hurst指數(shù)分析，若秦嶺地區(qū)的氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)依然保持現(xiàn)有趨勢(shì)，其降水量依然繼續(xù)保持顯著遞增的狀態(tài)。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，從近50年的尺度上看，秦嶺山地降水量呈減少趨勢(shì)，從20世紀(jì)90年代中期到2009年近20年尺度上看，降水量呈顯著增加趨勢(shì)。根據(jù)高翔[26]研究，秦嶺山地近50年來(lái)春、秋、冬三季的氣溫均呈顯著的增加趨勢(shì)，尤其在20世紀(jì)90年代后增暖趨勢(shì)明顯。這說(shuō)明秦嶺山地在近50年的尺度上表現(xiàn)出暖干化趨勢(shì)，與大多數(shù)學(xué)者關(guān)于全球氣候暖干化的結(jié)論相同，但從近20年的尺度上，秦嶺山地表現(xiàn)出暖濕化的趨勢(shì)。

2.2 降水的空間分布特征

為了表現(xiàn)秦嶺山地的降水空間分布，用1960—2009年各站點(diǎn)的年降水平均值進(jìn)行空間插值，得到1960—2009年秦嶺山地年平均降水的空間分布圖，如圖2所示，并提取了年降水量的等值線(xiàn)。從圖2可以看出年降水量從南向北逐漸減少，降水較高的地方出現(xiàn)在寧強(qiáng)縣、紫陽(yáng)縣和商南縣，年降水量在800-1080 mm；秦嶺北坡降水較少，基本在750 mm以下。800 mm等降水量線(xiàn)，大部分位于秦嶺南坡，若從800 mm等降水量線(xiàn)的角度考慮中國(guó)的南北分界，分界線(xiàn)應(yīng)該位于秦嶺南坡。

圖2 秦嶺山地年降水量空間分布

圖3為秦嶺年降水序列的Kendall傾斜率等值線(xiàn)圖。從圖3可以看出，整個(gè)地區(qū)除了商南縣降水量呈略微上升趨勢(shì)外（平均每年上升1.18 mm），其余地區(qū)的降水傾向率均為負(fù)值，整個(gè)研究區(qū)的降水傾向率為-1.23 mm·a－1。表明整個(gè)秦嶺地區(qū)自1960年以來(lái)，年均降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。減少幅度西南部、東南部大于北部。其中寧強(qiáng)縣為一減少中心，年均減少3.5 mm，紫陽(yáng)縣、旬陽(yáng)縣的減少幅度也都超過(guò) 2 mm·a－1。

2.3 秦嶺山地近50年來(lái)800 mm等降水量線(xiàn)變化

研究表明全球變暖導(dǎo)致我國(guó)自然區(qū)域線(xiàn)變化，特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)東部主要自然區(qū)（中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶和寒溫帶）界線(xiàn)普遍北移[27-28]。通過(guò)年降水量的變化，可以反映我國(guó)自然區(qū)界線(xiàn)變化。800 mm年降水量線(xiàn)是濕潤(rùn)區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)的分界線(xiàn)。研究秦嶺近50年來(lái)800 mm年等降水量線(xiàn)的變化，可以大致反映秦嶺山地降水的空間變化過(guò)程。本研究利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS空間分析模塊，將年均降水量以10年為尺度平均后進(jìn)行空間插值并分別提取5條800mm等降水量線(xiàn)，并把50年來(lái)的年均800 mm等降雨量線(xiàn)作為基準(zhǔn)線(xiàn)，繪制出50年來(lái)800mm等降水量線(xiàn)的6條年代際線(xiàn)，進(jìn)行分析比較，見(jiàn)圖4。

圖4 秦嶺山地50年來(lái)800 mm等降水量線(xiàn)代際變化

從圖4中可以看出各代際800 mm等降水量線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)期相比發(fā)生明顯移動(dòng)，其中20世紀(jì)60年代、80年代等降水量線(xiàn)北移，其他年代南移。為了明確得出各代際等降雨水量線(xiàn)的移動(dòng)程度，考慮到等值在分析區(qū)域內(nèi)的完整性和等值線(xiàn)插值方法在邊緣區(qū)誤差較大的特征，特選取107°～110°E的帶狀區(qū)域?yàn)榇翱?，分別統(tǒng)計(jì)該經(jīng)度帶內(nèi)各代際800 mm等降水量線(xiàn)的北端的最大值和南端的最小值點(diǎn)的緯度值，取其平均值作為各代際等降水量線(xiàn)的緯度所在值。其中，各代際等降水量線(xiàn)離基準(zhǔn)線(xiàn)偏北的度數(shù)記為正值，偏南度數(shù)記為負(fù)值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 秦嶺山地不同年代降水帶特征

由表2看出，20世紀(jì)60年代的800 mm年等降水量線(xiàn)北移基準(zhǔn)線(xiàn)0．02°，70年代南移0．08°，80年代北移 0．48°，20世紀(jì)90年代南移0．18°，21世紀(jì)初的10年南移 0．07°。綜合分析發(fā)現(xiàn)，秦嶺山地年降水量線(xiàn)最大北移為20世紀(jì)80年代，較基準(zhǔn)線(xiàn)北移0．48°，說(shuō)明20世紀(jì)80年代降水量最多。其它各年代等降水量線(xiàn)南北移動(dòng)均在0．18°范圍內(nèi)。90年代南移0．18°、21世紀(jì)初的10年南移0．07°可以看出，1990—2009年這期間降水是逐漸增多的。這跟2．1中1995—2009年降水是持續(xù)增加的結(jié)論一致。由此可以說(shuō)明，近50年來(lái)，秦嶺山地年降水量代際變化表現(xiàn)出濕-干-濕-干的變化特征，且在20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)的前10年降水量是逐漸增加的。

3 結(jié)論與討論

秦嶺地區(qū)降水量有干濕期之分，整個(gè)地區(qū)近50年來(lái)年降水量呈減少趨勢(shì)，年降水量變化的傾向率是-8．6mm/10a；1995—2009 年降水量呈顯著遞增的趨勢(shì)。從降水量的空間分布來(lái)看，年降水量從南向北逐漸減少，且800 mm年等降水量線(xiàn)分布在秦嶺南坡；整個(gè)地區(qū)除了商南縣降水量呈略微上升趨勢(shì)外，其余地區(qū)的降水呈略微下降趨勢(shì)，表明秦嶺山地自1960年以來(lái)；年均降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且減少幅度西南部、東南部大于北部。秦嶺山地800 m m年降水量線(xiàn)最大北移為20世紀(jì)80年代，較基準(zhǔn)線(xiàn)北移0.48°，其它各年代等降水量線(xiàn)南北移動(dòng)均在0.18°范圍內(nèi)。20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)初的10年降水量線(xiàn)南移程度，可以看出，1990—2009年這期間降水是逐漸增多的。

通過(guò)以上分析，秦嶺山地在近50年的尺度上表現(xiàn)出暖干化趨勢(shì)，與全球氣候變化暖干化趨勢(shì)相同，但從近20年的尺度上，秦嶺山地表現(xiàn)出暖濕化的趨勢(shì)。年降水量帶的顯著移動(dòng)變化可能會(huì)對(duì)該地區(qū)的種植制度產(chǎn)生影響，具體是否適宜作物實(shí)際種植界限的變化還需要進(jìn)一步研究分析。

[1]周 旗,卞娟娟,鄭景云.秦嶺南北1951—2009年的氣溫與熱量資源變化[J].地理學(xué)報(bào),2011,66(9):1211-1218.

[2]單之薔.南北分界線(xiàn)上的迷霧[J].中國(guó)國(guó)家地理,2009(10):34-51.

[3]劉 康,馬乃喜,胥艷玲,等.秦嶺山地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2004,23(3):157-160.

[4]張偉然,周 鵬.唐代的南北分界線(xiàn)及相關(guān)問(wèn)題[J].中國(guó)歷史地理論叢,2005,20(2):5-11.

[5]張善紅,近30年來(lái)太白山景觀(guān)格局的時(shí)空變化[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2013,27(6):82-86.

[6]孫 華,白紅英,張清雨,等.秦嶺南北地區(qū)植被覆蓋對(duì)區(qū)域環(huán)境變化的響應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(12):2635-2641.

[7]方建剛,侯建忠,陶建玲,等.秦嶺地區(qū)秋季降水的氣候特征分析[J].氣象科學(xué),2008,10(4):415-420.

[8]白 晶,延軍平,蘇坤慧.1958—2007年秦嶺南北氣候變化的差異性分析[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(132):98-105.

[9]宋佃星,延軍平,馬 莉.近50年來(lái)秦嶺南北氣候分異研究[J].干旱區(qū)研究,2011,28(3):492-499.

[10]高 翔,白紅英,張善紅,等.1959—2009年秦嶺山地氣候變化趨勢(shì)研究[J].水土保持通報(bào),2012,32(1):207-211.

[11]張立偉,延軍平,耿慧娟,等.陜西秦嶺南北年均溫及降水量帶的移動(dòng)[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(11):81-84.

[12]George EP,Boxetc.Timeseries analysis fore casting and control(Third Edition)[M].Prentice Hall,inc,1994.

[13]Mandel bot B B.The geometry of nature[M].New York:WH Freeman,1982.

[14]燕愛(ài)玲,黃 強(qiáng),劉 招.R/S法的徑流時(shí)序復(fù)雜特性研究[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2007,25(2):214-217.

[15]徐宗學(xué),李占玲,史曉崑.石羊河流域主要?dú)庀笠丶皬搅髯兓厔?shì)分析[J].資源科學(xué),2007,29(5):121-128.

[16]馮新靈,羅隆誠(chéng),邱麗麗,等.青藏高原至中國(guó)東部年雨日變化趨勢(shì)的分形研究[J].地理研究,2007,26(4):835-843.

[17]邱海軍,曹明明.近50年來(lái)榆林市主要代表站河川基流量變化及趨勢(shì)分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(2):98-101.

[18]DonaldH B,Mohamed AHE.Detection of hydrolo gictrendsan dvaria bility[J].Journal of Hydrology,2002,55:107-122.

[19]藺學(xué)東,張鐿鋰,姚治君,等.拉薩河流域近50年來(lái)徑流變化趨勢(shì)分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2007,26(3):58-67.

[20]李運(yùn)剛,何大明,葉長(zhǎng)青.云南紅河流域徑流的時(shí)空分布變化規(guī)律[J].地理學(xué)報(bào),2008,63(1):41-49.

[21]徐宗學(xué),孟翠玲,趙芳芳.山東省近40 a來(lái)的氣溫和降水變化趨勢(shì)分析[J].氣象科學(xué),2007,27(4):387-393.

[22]趙銳鋒,陳亞寧,李衛(wèi)紅.1957年至2005年塔里木河干流徑流變化趨勢(shì)分析[J].資源科學(xué),2010,32(6):1196-1203.

[23]徐宗學(xué),張 楠.黃河流域近50年降水變化趨勢(shì)分析[J].地理研究,2006,25(1):28-34.

[24]王兆禮,陳曉宏,楊 濤.近50 a東江流域徑流變化及影響因素分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2010,25(8):1365-1374.

[25]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007:23-24.

[26]高 翔.50年來(lái)秦嶺山地氣候變化趨勢(shì)及空間分布特征研究[D].西安:西北大學(xué),2011:15.

[27]沙萬(wàn)英,邵雪梅,黃 玫.20世紀(jì)80年代依賴(lài)中國(guó)的氣候變暖及其對(duì)自然區(qū)域界線(xiàn)的影響[J].中國(guó)科學(xué)：D輯,2002,32(4):315-319.

[28]李春暉，楊志峰.黃河流域地表水資源可再生性評(píng)價(jià)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2005,19(1):1-6.