近51 a長江中下游與黃河中下游地區(qū)夏季降水變化對比

殷方圓, 殷淑燕

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安710062)

近51 a長江中下游與黃河中下游地區(qū)夏季降水變化對比

殷方圓, 殷淑燕

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安710062)

摘要：[目的] 對比分析長江中下游和黃河中下游地區(qū)夏季降水變化特征。[方法] 利用長江中下游48個站點和黃河中下游地區(qū)的45個站點1960—2010年51 a的夏季逐月降水資料,采用M—K檢驗和小波分析等方法,對其降水的年代際變化、降水序列變化的周期和突變點進行了對比分析,并對降水格局變化的原因進行了分析。[結果] 1960—2010年,長江中下游地區(qū)的夏季降水呈增加趨勢,黃河中下游地區(qū)呈減少趨勢,整體上表現(xiàn)為南澇北旱;從年代際角度來看,20世紀60年代和70年代,長江中下游地區(qū)為少雨期,黃河中下游地區(qū)為多雨期;80年代,長江中下游地區(qū)降水量較70年代增多,而黃河中下游地區(qū)降水量減少;90年代,長江中下游地區(qū)的降水明顯增加,而黃河中下游地區(qū)的降水持續(xù)減少;21世紀,長江中下游地區(qū)降水有所減少,而黃河中下游地區(qū)降水略有增加。小波分析結果表明,兩個地區(qū)降水變化主周期都約為10~12 a,但正負相位時段相反。兩個地區(qū)的夏季降水格局的變化反映了東亞夏季風的強弱變化,東亞夏季風的強弱變化是造成這種降水格局的主要原因。[結論] 在未來的10~12 a內(nèi),東亞夏季風可能有增強趨勢,需要注意未來中國夏季降水可能出現(xiàn)的南旱北澇變化格局。

關鍵詞：夏季降水; 長江中下游地區(qū); 黃河中下游地區(qū)

據(jù)IPCC第四次評估報告的內(nèi)容，在過去的100年里，全球平均地表溫度上升了0.74 ℃，到2100年，全球中緯度地區(qū)的降水量和水資源進一步減少，中高緯度地區(qū)有可能增加[1]。盡管很多研究者從各個角度分別對長江中下游和黃河中下游地區(qū)的夏季降水進行過研究[2-7]，但尚未有人將兩個地區(qū)的夏季逐月降水量進行對比研究并從全球變暖背景下的季風環(huán)流因素角度進行綜合分析。

受季風氣候影響，長江中下游和黃河中下游地區(qū)降水都集中于夏季，長江中下游地處亞熱帶季風氣候區(qū)，初夏，低緯海洋暖濕氣流侵入，與北方干冷空氣交匯，形成梅雨鋒系，造成連綿不斷的陰雨天氣和暴雨。若持續(xù)時間較長，則易形成澇災。盛夏7，8月間，西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，長江中下游地區(qū)受其控制，天氣酷熱，若持續(xù)時間較長，則易形成旱災[8]。與長江中下游地區(qū)相比，黃河中下游地區(qū)緯度偏北，中間又有秦嶺山脈的阻隔，當東亞夏季風較強時，夏季風可以較早越過秦嶺，為黃河中下游帶來充沛的水汽，與北方干冷氣團相遇，就會形成較多降水，因此表現(xiàn)出南旱北澇；但如果東亞夏季風較弱，長時間滯留在秦嶺以南，則會出現(xiàn)南澇北旱。近年來，全球變暖的背景下，在自然因素和人為因素的共同影響下，長江中下游地區(qū)多發(fā)洪水，黃河中下游地區(qū)經(jīng)常發(fā)生斷流，兩個地區(qū)的旱澇災害給兩個區(qū)域帶來巨大的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境損失。

中國位于亞歐大陸的東部，受季風影響比較大，尤其是夏季風對中國的降水格局產(chǎn)生重要影響。長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)人口密集、農(nóng)業(yè)發(fā)達，是中國重要的經(jīng)濟地帶。作為夏季風的敏感區(qū)，由于受夏季風影響的時間不同，決定了兩個地區(qū)的降水變化格局差異，故而對夏季降水的對比分析具有重要意義。本文選取長江和黃河中下游地區(qū)1960—2010年51 a的夏季逐月降水資料，采用M—K檢驗和小波分析法，對其降水的年降變化，降水方列變化的周期和突變點進行對比分析，以期找出研究區(qū)降水為化規(guī)律，為未來降水格局預測提供科學依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究選用長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季(6—8月)逐月降水資料，計算得到兩個地區(qū)夏季降水的多年平均值，數(shù)據(jù)資料來自中國氣象局國家氣象信息中心數(shù)據(jù)應用服務室，由于研究區(qū)域的站點建站時間不同，資料長短不一且存在很多缺測，對缺測較多的臺站進行了剔除，選取長江中下游地區(qū)的48個站點和黃河中下游地區(qū)45個站點資料，時間序列長度選取1960—2010年共51 a，該資料經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制和檢查。黃河中下游地區(qū)選取山西、陜西、河北、河南、山東5個省區(qū)，長江中下游地區(qū)選取江蘇、浙江、江西、安徽、湖北、湖南、上海6省1市。研究區(qū)域及所選站點見圖1。

圖1　研究區(qū)域及站點

本文采用的分析方法主要有多年降水距平、相關系數(shù)的顯著性檢驗、M-K檢驗和小波分析。Mann-Kendall 突變檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，亦稱無分布檢驗，適合于水文氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。該方法能明確降水的演變趨勢、是否存在突變現(xiàn)象以及明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域[9]。分析繪出的UF和UB曲線圖，若UF或UB的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，若其小于0，則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

小波分析亦稱多分辨率分析。在氣候診斷中，廣泛使用的傅里葉變換可以顯示出氣候序列不同尺度的相對貢獻，而小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時間位置，它對于獲取一個復雜時間序列的調(diào)整規(guī)律，診斷出氣候變化的內(nèi)在層次結構，分辨時間序列在不同尺度上的演變特征等是非常有效的。

2結果分析

2.1　夏季平均降水量的的年際變化對比

為便于對長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水進行比較，分別計算了長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水距平的年際變化(圖2)，由于受季風控制，近51 a來，兩個地區(qū)的夏季降水量逐年變化趨勢存在顯著差別，由圖2 a可知，總體上，1960—2010年，長江中下游地區(qū)夏季降水量呈增加趨勢，降水的傾向率為24.949 mm/10 a，R=0.42，R0.01=0.357 54，R>R0.01，說明長江中下游地區(qū)夏季平均降水量線性增加趨勢達到了極顯著水平，1989年以前以負距平為主，基本上都在負距平范圍內(nèi)變化，并在1978年達到最低值-204.36 mm，1989年以后以正距平為主，在1999年達到最大值183.5 mm；由圖2 b可知，相對于長江中下游地區(qū)的增加幅度，黃河中下游地區(qū)減少趨勢較為緩和，1980年以前以正距平為主，在1964年達到最大值123.52 mm，1980年以后以負距平為主，在1997年達到最低值-149.28 mm。1980—1989年，對兩地區(qū)來說，都是降水量距平的轉(zhuǎn)折期，但變化方向剛好相反，長江中下游地區(qū)由負距平轉(zhuǎn)為正距平，黃河中下游地區(qū)由正距平轉(zhuǎn)為負距平，正是東亞夏季風強弱不同導致我國出現(xiàn)南旱北澇或南澇北旱格局的反映。

2.2　夏季平均降水量的年代際變化特征

進一步對長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水進行比較，分別計算出1960—2010年長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水距平的年代際變化(表1)。

圖2　長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)夏季平均降水距平變化

表1　黃河中下游地區(qū)和長江中下游地區(qū)夏季平均降水量距平的年代際變化　　　　mm

由表1可見，20世紀60年代和70年代，長江中下游地區(qū)的降水距平值為負，說明期間降水較少，而黃河中下游地區(qū)的降水距平值為正，說明期間降水較多，兩個地區(qū)的降水變化表明了我國夏季風較強，雨帶偏北，長江中下游地區(qū)出現(xiàn)伏旱時間長，形成了南旱北澇的變化特征；80年代，兩個地區(qū)的降水距平值均為負值，說明期間降水都較少，但長江中下游地區(qū)降水量距平從70年代的-44.33 mm上升到80年代的-5.43 mm，說明降水明顯較70年代增多，而黃河中下游地區(qū)降水量距平從70年代的9.75 mm減少到80年代的-7.35 mm，夏季風有減弱趨勢；90年代和21世紀初，長江中下游地區(qū)的降水距平值為正，說明期間降水增加，而黃河中下游地區(qū)的降水距平值為負，說明期間降水減少，兩個地區(qū)的降水變化表明了我國夏季風較弱，雨帶范圍小，形成了南澇北旱的變化特征；在年代際變化中，長江中下游地區(qū)60—70年代為干旱期，80—90年代為多雨期[10-12]，而90年代是長江中下游地區(qū)近百年來降水最多的10 a[13]；黃河中下游地區(qū)60—70年代為多雨期，之后一直處于干旱期；90年代，兩個地區(qū)形成了明顯的南澇北旱格局。21世紀初，仍表現(xiàn)為南澇北旱，但與20世紀90年代相比，長江中下游地區(qū)降水有所減少，黃河中下游地區(qū)降水有所增加，說明夏季風雖然還較弱，但已有逐漸增強的趨勢。從研究結果來看，未來中國有可能出現(xiàn)夏季風增強趨勢，而轉(zhuǎn)變?yōu)槟虾当睗车淖兓窬帧?/p>

2.3　夏季平均降水量變化特征的突變性檢驗

對兩個地區(qū)的夏季平均降水量的變化特征進行突變性檢驗，由UF曲線(圖3a)可見，自20世紀80年代以來，長江中下游地區(qū)夏季平均降水量有一明顯的增加趨勢，90年代中期這種增加趨勢大大超過顯著性水平0.05的臨界線，甚至超過0.001顯著性水平，表明長江中下游的夏季降水量增加趨勢是十分明顯的。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定長江中下游地區(qū)的夏季降水量在80年代增加是一突變現(xiàn)象，具體是從1986年開始，在90年代中后期達到最大。由UF曲線(圖3b)可見，20世紀60年代中期，黃河中下游地區(qū)夏季平均降水量有一明顯的增加趨勢，之后一直呈減少趨勢，根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，1967年為降水減少的一轉(zhuǎn)折點，但未超過顯著性水平0.05的臨界值，即未達到突變水平。

圖3　長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)夏季降水序列的Mann-Kendall檢驗結果

2.4　夏季降水時序變化的小波分析

為較清晰地比較長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水量的變化關系，采用小波分析法進行對比。小波變換系數(shù)實部正負值在時間序列上的變化，低頻部分，等值線相對稀疏，對應較長尺度周期的振蕩；高頻部分，等值線相對密集，對應較短尺度周期的振蕩，小波變化系數(shù)實部在平面等值線上的正負值在時間序列上表現(xiàn)為降水量的豐、枯變化，等值線中心對應的尺度為降水序列變化的主周期[14]。圖4 a是長江中下游地區(qū)夏季降水距平小波變換系數(shù)實部等值線圖，可以看出，在8～12 a較大時間尺度上，夏季降水經(jīng)歷了：少→多→少→多→少→多→少→多8個循環(huán)交替，在16～18 a尺度上，夏季降水經(jīng)歷了：少→多→少→多→少5個循環(huán)交替，在等值線的底部則有多個相對多雨期和少雨期的循環(huán)交替，進一步分析可以看出51 a的夏季降水存在周期性位相變化，在10 a尺度上顯示出了強周期位相結構，1963—1969年、1972—1980年、1986—1994年、2000—2004年時間段均為負相位，表明這些時間段內(nèi)降水偏少，而1969—1972年、1980—1986年、1995—2000年時間段均為正位相，表明這些時間段內(nèi)降水偏多；從圖4 b可以看出，黃河中下游地區(qū)在10～16 a較長的尺度上，夏季降水經(jīng)歷了：多→少→多→少→多→少→多7個循環(huán)交替，在等值線底部較小尺度上則存在多個相對多雨期和少雨期的循環(huán)交替，進一步分析可以看出51 a的夏季降水存在周期性位相變化，在12 a尺度上顯示出了強周期位相結構，1960—1967年、1874—1983年、1991—1997年時間段均為正相位，表明這些時間段內(nèi)降水偏多，而1967—1974年、1983—1991年、1997—2004年時間段均為負相位，表明這些時間段內(nèi)降水偏少。兩個地區(qū)降水變化主周期都約為10～12 a，但正負相位時段相反。表現(xiàn)出兩個地區(qū)受夏季風強弱影響，夏季降水反相的特征。

a 長江中下游地區(qū)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b 黃河中下游地區(qū)

圖4長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)夏季降水小波變換

3討 論

長江中下游和黃河中下游地區(qū)地處東亞季風區(qū)，東部地區(qū)雨帶的進退、雨季的長短起訖和旱澇變化，都與東亞夏季風的進退過程及其變化有關。當夏季風增強時，主要雨帶位置易偏北；反之當夏季風減弱時，主要雨帶位置易偏南[15]。當東亞夏季風偏強時，副高位置偏北，副高強度偏強，夏季風的前沿到達黃河中下游地區(qū)時間較早，在此地區(qū)維持時間長，黃河中下游地區(qū)容易偏澇，長江中下游地區(qū)容易偏旱，形成南旱北澇降水格局。如東亞夏季風最強的1962—1963年是“63·8”河北特大暴雨年[16]；東亞夏季風偏弱時，夏季風的前沿到達黃河中下游地區(qū)，在長江中下游地區(qū)停滯時間較長，夏季風的位置偏南，副高位置偏南及強度偏強，東亞夏季風偏弱，黃河中下游地區(qū)容易偏旱，長江中下游地區(qū)容易偏澇，形成南澇北旱降水格局。如東亞夏季風最弱的1998—1999年對應長江流域洪澇[15]。

本文研究結果表明，20世紀60年代和70年代，中國長江中下游地區(qū)為少雨期，黃河中下游地區(qū)為多雨期，雨帶偏北，長江中下游地區(qū)出現(xiàn)伏旱時間長，形成了南旱北澇的變化特征，表明當時為夏季風較強的時期；80年代，長江中下游地區(qū)降水量較70年代增多，而黃河中下游地區(qū)降水量從正距平變化為負距平，降水量減少，夏季風有減弱趨勢；90年代和21世紀初，長江中下游地區(qū)的降水明顯增加，90年代成為長江中下游地區(qū)近百年來降水最多的10 a，而黃河中下游地區(qū)的降水持續(xù)減少，兩個地區(qū)的降水變化表明了中國夏季風減弱，雨帶范圍小，形成了南澇北旱的變化特征，在長江流域多發(fā)洪水。21世紀初，仍表現(xiàn)為南澇北旱，但與20世紀90年代相比，長江中下游地區(qū)降水有所減少，黃河中下游地區(qū)降水有所增加，說明夏季風雖然還較弱，但已有逐漸增強的趨勢。

夏季降水時序變化的小波分析表明，兩個地區(qū)降水變化主周期都約為10～12 a，但正負相位時段相反。表現(xiàn)出兩個地區(qū)受夏季風強弱影響，夏季降水反相的特征。綜合以上研究來看，在未來的10～12 a內(nèi)，東亞夏季風有增強趨勢，需要注意中國夏季降水可能出現(xiàn)的南旱北澇變化格局。

4結 論

本文利用長江中下游48個站點和黃河中下游地區(qū)45個站點1960—2010年51 a的夏季逐月降水資料，對兩個地區(qū)的夏季降水變化特征進行了詳細對比分析，揭示了兩個地區(qū)的夏季降水變化趨勢、降水突變特征和降水變化周期。

(1) 1960—2010年，從整體上看，兩個地區(qū)的夏季降水年際變化中，長江中下游地區(qū)呈增加趨勢，降水的傾向率為24.949 mm/10 a，黃河中下游地區(qū)呈減少趨勢，降水的傾向率為5.697 mm/10 a，長江中下游地區(qū)的降水變化率比黃河中下游地區(qū)的變化率更為劇烈。

(2) 從年代際角度分析，20世紀60年代和70年代，我國長江中下游地區(qū)為少雨期，黃河中下游地區(qū)為多雨期；80年代，長江中下游地區(qū)降水量較70年代增多，而黃河中下游地區(qū)降水量從正距平變化為負距平，降水量減少；90年代和21世紀初，長江中下游地區(qū)的降水明顯增加，90年代成為長江中下游地區(qū)近百年來降水最多的10 a，而黃河中下游地區(qū)的降水持續(xù)減少。21世紀初，仍表現(xiàn)為南澇北旱，但與20世紀90年代相比，長江中下游地區(qū)降水有所減少，黃河中下游地區(qū)降水有所增加。2個地區(qū)的旱澇變化顯示了夏季風的強弱變化。

(3) 對2個地區(qū)的夏季降水特征的突變性分析表明，自20世紀80年代以來，長江中下游地區(qū)夏季平均降水量有一明顯的增加趨勢，90年代中期這種增加趨勢更加顯著，長江中下游地區(qū)的夏季降水量在80年代增加是一突變現(xiàn)象，具體是從1986年開始，到90年代中后期達到高峰；20世紀60年代中期，黃河中下游地區(qū)夏季平均降水量有一明顯的增加趨勢，之后一直呈減少趨勢，1967年是減少的轉(zhuǎn)折點，但未達到突變水平，減少趨勢不顯著。

(4) 根據(jù)兩個地區(qū)的小波變換圖，長江中下游地區(qū)在8～12 a較大時間尺度上，夏季降水經(jīng)歷了：少→多→少→多→少→多→少→多8個循環(huán)交替，在16～18 a尺度上，夏季降水經(jīng)歷了少→多→少→多→少5個循環(huán)交替，在10 a尺度上顯示出了強周期位相結構；黃河中下游地區(qū)在10～16 a較長的尺度上，夏季降水經(jīng)歷了：多→少→多→少→多→少→多7個循環(huán)交替，在12 a尺度上顯示出了強周期位相結構。兩個地區(qū)降水變化主周期都約為10～12 a，但正負相位時段相反。表現(xiàn)出兩個地區(qū)受夏季風強弱影響，夏季降水反相的特征。

(5) 對長江中下游地區(qū)和黃河中下游地區(qū)的夏季降水量的變化趨勢和分布格局的差異及其原因進行初步分析，結果表明，東亞夏季風的強弱是造成這種降水格局的主要原因，在未來的10～12 a內(nèi)，東亞夏季風有增強趨勢，需要注意中國夏季降水可能出現(xiàn)的南旱北澇變化格局。導致這種變化的機制還有待進一步研究。

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Comparison of Summer Precipitation Change in Mid-lower Reaches of Yangtze River and Yellow River During 1960-2010

YIN Fangyuan, YIN Shuyan

(CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] To investigate the change characteristics of summer precipitation in mid-lower reaches of Yangtze River and Yellow River.[Methods] Based on the summer monthly precipitation data from 1960 to 2010 of 48 stations in the mid-lower reaches of the Yangtze River and 45 stations in the mid-lower reaches of the Yellow River, the decadal change, the periodic oscillation of precipitation variation and the points of abrupt change, and the reasons of the change were comparatively analyzed by Mann—Kendall test and the Morlet wavelet method.[Results] The summer precipitation showed an increase trend in the mid-lower reaches of the Yangtze River and a decrease trend in the mid-lower reaches of the Yellow River during 1960—2010. On the whole, the summer precipitation showed the pattern of southern flood and northern drought. From the decadal perspective, it was drought period in the mid-lower reaches of the Yangtze River and flood period in the mid-lower reaches of the Yellow River during 1960s and 1970s. Summer precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze River in 1980s was more than that in 1970s, while precipitation in the mid-lower reaches of the Yellow River was less than that in 1970s. Summer precipitation was obviously in positive departure in the mid-lower reaches of the Yangtze River and it was negative departure in the mid-lower reaches of the Yellow River in 1990s. Summer precipitation was in negative departure in the mid-lower reaches of the Yangtze River and it was slightly positive departure in the mid-lower reaches of the Yellow River in 2000s. Based on the Morlet wavelet method, it was showed that the main cycle of precipitation was about 10 to 12 years in the mid-lower reaches of the Yangtze River and in the mid-lower reaches of the Yellow River, but the time of the phase cycle was opposite. The change of summer precipitation pattern in both regions showed the strength of the East Asian summer monsoon. The strength of the East Asian summer monsoon was mainly contributed to this precipitation pattern.[Conclusion] The East Asian summer monsoon would be stronger and it should to pay attention to the summer precipitation pattern of southern drought and northern flood in the next 10~12 years.

Keywords:summer precipitation; the mid-lower reaches of the Yangtze Rive; the mid-lower reaches of the Yellow River

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0317-06

中圖分類號：P468.0+24

通信作者：殷淑燕(1970—),女(漢族),黑龍江省木蘭縣人,博士,教授,博士生導師,主要從事環(huán)境變化與自然災害研究。E-mail:yinshy@snnu.edu.cn。

收稿日期：2014-02-09修回日期：2014-03-10

資助項目：國家社會科學基金重點項目“歷史時期漢江上游極端性氣候水文事件及其社會影響研究”(11AZS009); 國家自然科學基金面上項目“黃河晉陜峽谷全新世古洪水事件及其與季風氣候變化關系研究”(41471071，41271108，41371029)； 教育部博士點基金優(yōu)先發(fā)展領域項目(20110202130002); 中央高校基本科研業(yè)務費創(chuàng)新團隊項目(GK201301003)

第一作者：殷方圓(1989—),女(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,研究方向為環(huán)境變化與自然災害。E-mail:1312039718@qq.com。