榆中縣近42年降水突變及周期變化分析

潘舟艷，閆麗娟，李廣,3，聶志剛

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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榆中縣近42年降水突變及周期變化分析

潘舟艷1，閆麗娟2，李廣1,3，聶志剛4

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

【目的】 掌握黃土丘陵區(qū)降水特征、趨勢變化和周期演變規(guī)律.【方法】 利用榆中1971-2012年的日降水量資料，采用Mann-Kendall法和小波分析等方法，對榆中42 a來的降水變化和突變現(xiàn)象進(jìn)行了研究.【結(jié)果】 近42 a來區(qū)域年降水量變化在231.1～555.5 mm，整體呈現(xiàn)減少趨勢，氣候傾向率為-3.68 mm/10a，1971-1979年屬于降水最多的年代，榆中年降水量的突變不太明顯.四季降水量變化呈現(xiàn)不同的趨勢，其中春季和冬季降水量呈現(xiàn)增多的趨勢，夏季和秋季降水量呈現(xiàn)減少的趨勢.四季降水突變情況有所差異.夏季降水從2009年開始發(fā)生了由多到少的突變.秋季降水在20世紀(jì)80年代初發(fā)生了突變.春季和冬季降水量沒有發(fā)生突變.區(qū)域年降水量存在21a的最強(qiáng)顯著周期和28 a、8 a的尺度變化周期，且8 a尺度是榆中最穩(wěn)定的變化周期.【結(jié)論】 黃土高原丘陵區(qū)降水呈下降變化趨勢，具有一定的周期和規(guī)律變化.

降水突變；變化周期；榆中縣

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，全球地表持續(xù)升溫[1].在氣候變暖背景下，全球和區(qū)域的降水趨勢發(fā)生了顯著變化[2]，導(dǎo)致區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)水循環(huán)發(fā)生變異，洪澇、干旱、臺(tái)風(fēng)等水文氣象極端事件頻發(fā)，給人類社會(huì)及生態(tài)造成極大影響[3].

干旱是黃土高原最主要且影響最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[4]，而降水是引起干旱最為活躍的因子，極為不足的降水，不僅是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要自然資源，也是人民生活和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基本條件和制約因素[5].在氣候變暖背景下，不同的區(qū)域由于地理位置、大氣環(huán)流背景和區(qū)域特征等因素的差異，對全球變暖響應(yīng)的時(shí)頻、幅度和周期等也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，進(jìn)而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活環(huán)境等造成極大影響.王風(fēng)等[5]研究表明甘肅黃土高原干旱半干旱區(qū)4～10月降水具有明顯的空間差異.王麒麟等[6]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)降水變化具有明顯空間分異，近50 a的年降水量和侵蝕性降水量總體呈顯著(接近顯著)減少趨勢.但是它們的年暴雨量卻未顯著減少.徐利崗等[7]分析了西北干旱區(qū)1951-2008年的降水時(shí)空變化，得出該區(qū)整體出現(xiàn)增溫變暖、降水增加的趨勢，且各地區(qū)增溫或降水增加幅度不同.郭江勇等[8]選擇典型多雨和少雨年，對美國NCEP/NCAR髙空流、地氣系統(tǒng)射出的長波輻射(OLR)場、赤道北太平洋海溫(SST)與西北夏季降水的關(guān)系進(jìn)行對比分析，表明西北地區(qū)夏季降水具有明顯的空間差異.可見，目前對中國西北黃土高原干旱區(qū)降水變化特征的研究成果較多，但這些研究以整體分析為主，其范圍過于廣闊，不能很好地反映出區(qū)域的降水變化情況，對于區(qū)域的降水變化規(guī)律及其變化趨勢的定量研究方面還相對薄弱.本研究以降水氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析榆中縣1971-2012年近42 a來的氣候變化態(tài)勢與特征，有助于了解區(qū)域未來的氣候變化規(guī)律，對評(píng)估區(qū)域氣候特征及改進(jìn)降雨預(yù)測預(yù)報(bào)能力具有重要作用.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆中縣地處N 35°34′～36°26′，E 103°50′～104°34′，海拔1 430～3 670 m，位于蘭州市東郊，地勢南高北低，中部凹，呈馬鞍形.南部為石質(zhì)高寒山區(qū)，北部為黃土丘陵區(qū)，南北兩山之間是川塬丘陵溝壑區(qū)，地形由西南、東南和東北三面向西北傾斜，屬于黃土高原區(qū).每年年均氣溫6.7 ℃，降水量400 mm.極端最高溫度為36.4 ℃(2010-7-30)，極端最低溫度為-27.2 ℃(1975-12-13)；最高年降水量555.5 mm(2007年)，最低年降水量231.1 mm(1997年)，是溫帶半干旱大陸性氣候，即干旱少雨，冬冷夏熱，氣溫的日較差和年較差較大，降水集中，年降水量較少.

1.2 研究方法

本試驗(yàn)根據(jù)榆中縣氣象站1971-2012年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，對榆中縣降水量的季節(jié)、年和年代際變化進(jìn)行了研究，主要采用一元線性趨勢分析和累積距平分析對資料序列進(jìn)行變化趨勢分析；采用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法對氣候要素序列進(jìn)行氣候突變檢測，判斷突變年份與氣候要素變化趨勢；采用Morlet小波分析方法提取氣候要素序列周期，在小波分析中采用Matlab小波工具箱中的信號(hào)延伸(SignalExtension)功能，對數(shù)據(jù)兩端進(jìn)行對稱性延伸來消除邊界效應(yīng).

1.2.1 突變檢測 Mann-Kendall方法[9-10](以下簡稱M-K方法)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,此方法優(yōu)點(diǎn)在于檢測范圍寬,人為干擾少,定量化程度高.M-K方法是在氣候序列平穩(wěn)的前提下,定義一統(tǒng)計(jì)量：

式中，m表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)值.在原序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下,對dk標(biāo)準(zhǔn)化后為U(dk)，給定一顯著性水平α0,當(dāng)a1

1.2.2 小波分析 Morlet小波變換具體原理可參見文獻(xiàn)[11-12].在進(jìn)行小波變換時(shí),為了減弱“頭部影響”在序列兩端產(chǎn)生的誤差,用對稱外延法[11]將時(shí)間序列進(jìn)行擴(kuò)展.所謂對稱外延法(也稱對稱延伸法),即分別以邊界線為對稱軸,將原序列以對稱軸為鏡而復(fù)制.如果原序列是：

f(k)k=1,2,…,n

則以n為對稱軸的對稱延伸序列為：

f(k)=f(2n-k)k=n+1,n+2,…,2n

當(dāng)子波變換完成后,去掉兩端延伸的子波變換值,只保留原有資料所對應(yīng)的變換值.

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量的年際變化

1971-2012年榆中年降水量變化在231.1～555.5 mm，年降水量有下降的趨勢，氣候傾向率為-3.68 mm/10a(圖1)，與中國年降水量略有減少的變化相同[13].近42 a榆中季節(jié)降水量表現(xiàn)不同的變化趨勢和變化強(qiáng)度.春季降水量和冬季降水量呈現(xiàn)增多的趨勢，春季降水增強(qiáng)幅度最大，為0.28mm/10a，冬季降水為0.06 mm/10a；夏季降水和秋季降水呈現(xiàn)減少的趨勢，夏季降水減少的幅度最大，為-1.50 mm/10a，秋季降水為-0.67 mm/10a(圖1).

圖1 榆中降水量的年、季節(jié)變化Fig.1 Variation of the annual and seasonal precipitation in Yuzhong

2.2 降水量的年代際變化

榆中降水量年代際變化趨勢不明顯，整體上呈現(xiàn)出減少的趨勢，其中1980-1989年和2010-2012年屬于降水偏少的年份，1971-1979年屬于降水最多的年代，表明近42 a來榆中年代際降水量呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，榆中經(jīng)歷了偏多轉(zhuǎn)為偏少的變化階段.各年代際降水季節(jié)變化有明顯的特征，春季，降水在20世紀(jì)70年代、80年代和21世紀(jì)初減少；夏季降水70年代呈增加趨勢，80年代降水減少，直到90年代降水出現(xiàn)了近42 a來最大降水正距平7.39，之后21世紀(jì)降水一直減少，并出現(xiàn)了最大降水負(fù)距平-17.26；秋季降水80年代和90年代減少，其余年代增加；冬季降水70年代和90年代減少，其余年份增加，這與年降水量的趨勢是相反的(表1).

表1 榆中年、季節(jié)降水量距平年代際變化Tab.1 The decade change of annual,seasonal precipitation anomaly in Yuzhong mm

2.3 降水量的突變檢測

年降水量的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果顯示(圖2)，UF線僅在1972年和2011-2012年小于零，1971年和1982-1983年等于零，說明這些年降水有減少的趨勢；其他年份UF線均大于零，并在1979年UF線超過了α=0.05的顯著性水平，說明這些年降水量有增加的趨勢；UF線在置信區(qū)間內(nèi)與UB線有2個(gè)交點(diǎn)(1972-1973年，2008-2009年).累積距平(圖3)分析表明，1971-1972年降水量呈現(xiàn)下降趨勢，低于多年平均降水量，1972年下降到最低值，1972-1979年降雨量逐漸增加，1979年上升到最大值，1979-1982年降水量下降明顯，1983-2008年降水量在波動(dòng)中緩慢上升，2008-2012年降水量呈現(xiàn)減少趨勢，由此推斷1972年，1979年和2008年可能是降水發(fā)生突變的年份.結(jié)合兩種方法的分析結(jié)果，判斷榆中年降水突變不太明顯，在1972-1973年間可能發(fā)生了由少到多的突變.

圖2 榆中年降水量Mann-Kendall突變判別曲線Fig.2 Mann-Kendall test of annual precipitation in Yuzhong

圖3 榆中年降水量累積距平值Fig.3 Accumulated annual precipitation anomaly in Yuzhong

從榆中季節(jié)降水量Mann-Kendall突變圖(圖4)可以看出，春季降水量的UF線在0值上下波動(dòng)，春季降水變化趨勢不明顯，UF線與UB線在1971年到2012年間在±1.96信度線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，但是沒有通過信度線，說明春季降水沒有發(fā)生突變.夏季降水量的UF線從1971年到2009年一直大于0值，并在1979年超過了0.05的顯著性水平，UF線和UB線的交點(diǎn)出現(xiàn)在2009年.秋季降水量的UF線和UB線相交于±1.96信度線之間，交點(diǎn)為1971、1973、1977、1979、2006、2008、2010年，1970-1980年初期，UF線在0值上下波動(dòng)，秋季降水變化趨勢不明顯；1980中期-后期以來UF線逐漸減小，秋季降水有減少的趨勢，并且UF線在1999年超過了顯著水平0.05臨界線，表明秋季降水量在1979年發(fā)生了突變.冬季降水量的UF線與UB線在置信區(qū)間內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，但都沒有超過信度線，說明冬季降水沒有發(fā)生突變.夏季降水對榆中年降水量貢獻(xiàn)大，且夏季與秋季的突變，對年降水突變情況有一定影響.

圖4 榆中季節(jié)降水量Mann-Kendall突變判別曲線Fig.4 Mann-Kendall test of seasonal precipitation in Yuzhong

2.4 降水量周期變化分析

圖5a為年降水量的Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，正值區(qū)表示降水偏多，負(fù)值區(qū)表示降水偏少.年降水量小波系數(shù)等值線在7-8 a，20-22 a，27-29 a時(shí)間尺度上較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化.年降水量的小波方差圖(圖5b)顯示小波方差在8 a，21 a和28 a存在極值.由此可推斷榆中年降水量存在21 a的強(qiáng)顯著周期和28 a、8 a的尺度變化周期.其中優(yōu)勢周期為8 a的尺度變化周期，共經(jīng)歷了15次干濕變化.

通過對比圖5a和圖5b還可以看出，在32 a尺度內(nèi)榆中年降水量變化的主周期約為21 a.提取該尺度的小波系數(shù)作圖，得到主周期下年降水量變化的小波系數(shù)圖(圖5c).從圖5c上可以看出，榆中年降水量相對偏多的階段為：1971-1978年、1985-1992年、1999-2006年；年降水量相對偏少的階段為：1979-1984年、1993-1998年、2007-2012年.從圖中還可以看出，榆中年降水量的突變年份為：1978年、1985年、1992年、1999年、2006年.結(jié)合累積距平分析和突變檢測的結(jié)果，榆中年降水量突變的年份為1972年.

同時(shí)，對榆中的季節(jié)降水變化做了分析.由圖6(a)-(d)發(fā)現(xiàn)：各個(gè)季節(jié)降水周期差異比較顯著，干濕交替現(xiàn)象明顯.春季中心周期分別為：25 a、11 a、6 a；其中以25 a年際時(shí)間尺度周期變化最為明顯，共經(jīng)歷了5次干濕交替.夏季中心周期分別為22 a、12 a、8 a；其中以22 a時(shí)間尺度的周期變化最為顯著，共經(jīng)歷了6次干濕交替.秋季中心周期分別為：21 a、12 a、6 a的降水周期，其中以12 a和21 a年際時(shí)間尺度周期變化最為顯著，分別經(jīng)歷了10次、6次的干濕交替.冬季中心周期分別為：22 a、10 a；分別經(jīng)歷了6次、13次干濕交替.

圖5 年降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線圖、小波方差圖、主周期小波系數(shù)圖Fig.5 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients,wavelet variance and the wavelet coefficient curves in the principal period scales of the annual precipitation

3 討論與結(jié)論

榆中降水量變化總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，由年代際距平可知：1971-1979年為降水量最多的年代，20世紀(jì)80年代以后至21世紀(jì)，降水量一直處于減少的趨勢.主要因?yàn)樵谌蜃兣拇蟓h(huán)境下，也影響著區(qū)域氣溫的升高，同時(shí)人口增多，人類活動(dòng)導(dǎo)致對森林植被的破壞，荒漠化現(xiàn)象惡化，在一定程度上影響了降水的變化趨勢.這與林紓等[14]研究近40 a來甘肅省降水的變化特征所得結(jié)果一樣.同時(shí)，王銀花等[15]、景懷璽等[16]指出靖遠(yuǎn)、白銀、會(huì)寧的年降水量呈減少趨勢.李葆春[17]等研究表明定西地區(qū)年均降水量總體呈減少狀態(tài).黎浩許等[18]指出20世紀(jì)80年代是氣候變化明顯的時(shí)期，西北大部分地區(qū)都有體現(xiàn).由此看出研究結(jié)果與其他學(xué)者保持一致.其主要原因?yàn)楦咴撅L(fēng)對中國西部大多數(shù)區(qū)域雨季的影響.研究表明，甘肅處于高原季風(fēng)東北部的東南風(fēng)和東亞季風(fēng)的西南風(fēng)的輻散區(qū)中，下沉氣流不利于降水[19].另外，榆中地處甘肅省中部，屬于亞洲大陸遠(yuǎn)離海洋水汽源的地理位置，也限制了為空中補(bǔ)充本地水汽，從而降低降水增加率.則榆中未來年降水量變化呈下降趨勢.

榆中季節(jié)降水量的不同變化趨勢，與榆中的感熱輸送及上空的環(huán)流配置相關(guān).原因是若感熱輸送增強(qiáng)，有利于上升氣流增強(qiáng)，則有利于降水偏多.反之感熱輸送減弱，會(huì)使上空下沉氣流加強(qiáng)，這不利于降水增多，也會(huì)引起干旱的發(fā)生.周連童等[20]研究表明，我國西北干旱、半干旱區(qū)春、夏季感熱輸送出現(xiàn)相反的變化特征，春季感熱輸送從20世紀(jì)70年代中期開始增強(qiáng)，而夏季感熱輸送減少.而榆中屬于黃土高原半干旱區(qū)，該結(jié)果正與本研究春季降水量增多和夏季降水量減少的研究結(jié)果相一致.

榆中年降水量突變不太明顯，季節(jié)降水突變情況有所差異.夏季降水從1971年開始到2009年，一直處于增加狀態(tài)，2009年開始發(fā)生了由多到少的突變.秋季降水在20世紀(jì)80年代初發(fā)生了突變.并且各季節(jié)的降水周期變化及干濕交替也比較顯著.馬柱國等[21]、楊建平等[22]等研究顯示，中緯度西風(fēng)強(qiáng)度在1964年開始加強(qiáng)，1969年以后明顯勢力增強(qiáng)，榆中降水突變情況與之較吻合.且年降水量具有21 a強(qiáng)顯著周期，但取8 a變化周期為榆中穩(wěn)定性最好的變化周期，即優(yōu)勢變化周期，這與西北地區(qū)近50 a降水周期相一致，王澄海等[23]研究發(fā)現(xiàn)，各個(gè)周期的穩(wěn)定性變化差別較大,各個(gè)地區(qū)的顯著性周期并不一定是該地區(qū)穩(wěn)定性最好的周期；各地區(qū)所有周期成分的穩(wěn)定性和顯著性都隨時(shí)間發(fā)生變化.最后，姚玉璧[24]指出ENSO暖事件與隴中干年呈顯著相關(guān)，這一結(jié)論為旱災(zāi)氣候預(yù)測提供了重要依據(jù).

圖6 季節(jié)降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線圖Fig.6 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients curves in the principal period scales of the seasonal precipitation

本研究以1971-2012年榆中氣象站的逐日降水資料為基礎(chǔ)，采用Morlet小波法，線性趨勢分析及Mann-Kendall突變法，對榆中42 a降水量進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1) 榆中降水量變化整體呈現(xiàn)減少趨勢，氣候傾向率為-3.68 mm/10a，1971-1979年為降水量最多的年代.春季降水和冬季降水呈現(xiàn)增多的趨勢，夏季降水和秋季降水呈現(xiàn)減少的趨勢.并且干、濕變化有差異.榆中經(jīng)歷了降水偏多-降水偏少的變化階段，目前正處在干旱少雨階段，以后可能繼續(xù)處于少雨階段.

2) 榆中年降水量突變不太明顯，季節(jié)降水突變情況有所差異.榆中年降水量突變發(fā)生在1972-1973年間.夏季降水從2009年開始發(fā)生了由多到少的突變.秋季降水在20世紀(jì)80年代初發(fā)生了突變.春季和冬季降水量沒有發(fā)生突變.

3) 榆中降水具有明顯的周期變化.榆中年降水量存在21 a的強(qiáng)顯著周期和28 a、8 a的尺度變化周期.其中8 a變化周期為榆中穩(wěn)定性最好的變化周期.各個(gè)季節(jié)降水周期差異比較顯著，干濕交替現(xiàn)象明顯.

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(責(zé)任編輯 趙曉倩)

Abrupt and periodic variation of precipitation in Yuzhong County in recent 42 years

PAN Zhou-yan1,YAN Li-juan2,LI Guang1,3,NIE Zhi-gang4

(1.College of Resources and Environment,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；2.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；3.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；4.College of Information Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 To know the precipitation characteristics,trend change and periodic evolution in the loess hilly region.【Method】 The change and abrupt variance of precipitation in Yuzhong was analyzed using the linear regression method,cumulative anomaly method,Mann-Kendall test method and Morlet wavelets analysis method based on daily precipitation data observed at Yuzhong meteorological station from 1971 to 2012.【Result】 The annual precipitation varied from 231.1 mm to 555.5 mm,appearing a decreasing tendency in recent 42 years,and the climatic trend rate was 3.68 mm/10a,showing that the precipitation in 1970s was more than in the other years,and the abrupt change in precipitation is not obvious.The seasonal precipitation showed different trends,the spring and winter precipitation showed increasing trend,and the summer and autumn precipitation appearing decreasing trend.The abrupt variance in precipitation differed among four seasons.Summer precipitation occurred abrupt change since 2009 from high to low.Autumn precipitation abrupt variance happened in the early 1980s.There was no abrupt change in spring and winter precipitation.The annual precipitation fluctuated with significant 21-year period and 28-year and 8-year scale change period.And 8-year scale was the most stable changing period in Yuzhong.【Conclusion】 Precipitation show a downward trend in hilly region of loess plateau,with a certain period and the regular variation.

abrupt precipitation change；variation period；Yuzhong County

潘舟艷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué).E-mail:panzy13@163.com

閆麗娟，女，副教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài).E-mail:yanlj@gsau.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(31560378，31560343)；甘肅省科技支撐計(jì)劃(144NKCA038)；甘肅省高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目；甘肅省自然科學(xué)基金(1308RJZA272)；干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(GSCS-2010-11)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2014A-058).

2015-12-22；

2016-04-14

S 161.6

A

1003-4315(2016)06-0102-08