黃土高原近50年降水量時空變化特征分析

王利娜，朱清科，仝小林，王　瑜，陳文思，盧紀元

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室， 北京 100083；2.延安市退耕還林工程管理辦公室， 延安 716000)

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黃土高原近50年降水量時空變化特征分析

王利娜1，朱清科1，仝小林2，王瑜1，陳文思1，盧紀元1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室， 北京 100083；2.延安市退耕還林工程管理辦公室， 延安 716000)

摘要：為了揭示黃土高原近年來降水量的時間變化和空間分布特征，以黃土高原區(qū)域及周邊72個氣象基準站1961—2012年52 a逐日降水資料為基礎(chǔ)，通過泰森多邊形法將各雨量站的降水量展布到整個區(qū)域，采用M-K趨勢檢驗法分析年降水的年際、年內(nèi)時空變化特征。結(jié)果顯示：(1) 黃土高原年降水量時間變化呈緩慢下降趨勢，UFK曲線小于0且沒有超出置信線。空間上整體呈下降趨勢，出現(xiàn)陽泉、榆社站兩個顯著減少中心，β值分別為-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1。(2) 黃土高原春季多年平均降水量整體呈不明顯下降趨勢，1961—1963年與1966—1987年降水量呈減少趨勢，1963—1966年與1987—2012年呈增加趨勢?？臻g上西部、北部地區(qū)大部分呈增加趨勢，五臺山增加幅度最大，β值為2 mm·10a-1。(3) 夏季多年平均降水量呈明顯下降趨勢，2008年左右為突變點，2008年以后降水量下降顯著?？臻g上整體呈下降趨勢，較明顯的減少中心有環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值分別為-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。(4) 秋季多年平均降水下降趨勢顯著，空間變化與夏季類似，減少中心依然是環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值均為-0.8 mm·10a-1。(5) 冬季多年平均降水量整體呈明顯上升趨勢，空間上降水變化呈緩慢上升趨勢，最大上升中心華山，β值僅為0.95 mm·10a-1。

關(guān)鍵詞：降水量；時空變化；M-K檢驗法；黃土高原

黃土高原是中國乃至世界水土流失最為嚴重的地區(qū)之一[1]，大氣降水既是黃土高原地區(qū)水分的主要補給來源，又是產(chǎn)生土壤侵蝕的重要因素，降水量與降水強度的變化決定水土流失發(fā)生的強度和影響范圍。近年來，在全球氣候變暖的背景下，水循環(huán)速度加快，使得水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，干旱、暴雨等極值天氣過程呈現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢，給我國自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)帶來了多層次的負面影響[2]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對此展開一系列研究[3-7]，據(jù)相關(guān)資料顯示，20世紀黃土高原降水在時間序列上經(jīng)歷了由少許的增加轉(zhuǎn)向減少的過程[8-11]。黃土高原年降水量在空間上由東南向西北遞減，且200、400、600 mm降水量等值線不斷南移[12]。掌握變化環(huán)境下降水量的時空變化趨勢，可以為防治水土流失起到指導(dǎo)作用。

本文以黃土高原為研究對象，采用M-K法對黃土高原區(qū)域及周邊72個氣象站點年降水量進行趨勢檢測，揭示黃土高原近50年年降水的年際、年內(nèi)時空變化趨勢，以期為黃土高原區(qū)域防治水土流失災(zāi)害的預(yù)測與應(yīng)對提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

黃土高原的范圍至今尚無定論[13]，本文采用黃土高原地區(qū)綜合科學(xué)考察隊界定的范圍：地處100°52′～114°33′E，33°41′～41°16′N之間，即秦嶺山脈以北，陰山山脈以南，太行山脈以西，青藏高原東緣以東，總面積約62.38萬km2。黃土高原地區(qū)地勢西北高、東南低，海拔1 000～2 000 m，區(qū)域地理位置及地形分布如圖1所示。鄭寶明等[14]根據(jù)黃土高原地區(qū)的地形、地貌等自然條件將黃土高原分為黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)、黃土階地區(qū)、沖積平原區(qū)、高地草原區(qū)、干旱草原區(qū)、土石山區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和林區(qū)九大類型區(qū)。黃土高原地區(qū)涉及5省(自治區(qū))的34個地(市)191個縣(旗)，研究區(qū)基本情況見表1。

黃土高原的氣候既受經(jīng)、緯度的影響，又受地形的制約，屬于典型大陸季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤，雨熱同步。年平均溫度9℃～12℃，最冷月平均溫度-6℃～-2℃，最熱月平均溫度22℃～26℃；全年日照時數(shù)為2 000～3 000 h。黃土高原除六盤山、呂梁山、太行山等高大山體附近氣候冷涼外(≥10℃積溫小于2 500℃，無霜期120 d)，大部分地區(qū)屬暖溫、中溫帶，≥10℃積溫為2 500℃～4 500℃，無霜期150～250 d。年降水量為200～600 mm，其中東南部地區(qū)年降水量為650～700 mm，是區(qū)內(nèi)降水最豐沛的地區(qū)。黃土高原降水量年內(nèi)分布極不均勻，多集中于夏季，占全年降水量的56.7%，秋、春、冬季各占全年降水量的26.7%、4.5%、2.1%。降水量年際變化率大，豐水年可達695 mm，干旱年只有200 mm，500～550 mm降水量保障率只有17.7%。

2數(shù)據(jù)及研究方法

2.1數(shù)據(jù)選取

綜合考慮各站點資料的可靠性和完整性以及在黃土高原區(qū)域的代表性，選取由氣候中心提供的黃土高原區(qū)域內(nèi)及附近72個常規(guī)氣象站1961—2012年52 a系列地面氣象逐日降水觀測資料。資料較完整，所選站點空間分布尺度較均勻，遍布整個黃土高原及周邊區(qū)域。就統(tǒng)計學(xué)角度而言，通過分析這些長系列資料所獲取的趨勢分析結(jié)果較可信。

2.2方法分析

2.2.1泰森多邊形泰森多邊形是通過離散雨量站點的降雨量來計算整個區(qū)域平均降雨量的計算方法。具體步驟：首先將相鄰的任意兩個離散雨量站點相連形成若干個三角形，再對各三角形的三邊分別做垂線，垂線相交可形成若干個不規(guī)則多邊形，即泰森多邊形。每個泰森多邊形中都存在唯一一個雨量觀測站點，這個站點所觀測的降雨數(shù)據(jù)代表整個泰森多邊形范圍內(nèi)的降雨量。這一過程可通過ArcGIS繪制完成，結(jié)果見圖2。

圖2泰森多邊形網(wǎng)

Fig.2The Tyson polygon network

2.2.2M-K檢驗法M-K法是由世界氣象組織推薦，廣泛應(yīng)用于水文氣象要素時間序列趨勢分析的一種方法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，既不需要樣本遵從一定分布又不受少數(shù)異常值干擾，因此更適合非正態(tài)分布或刪減后的時間序列分析[15-16]。此外，M-K法還可以對時間序列進行突變檢驗，確定發(fā)生突變的位置，分析不同階段序列的變化趨勢。假定時間序列隨機獨立，得出以下統(tǒng)計量：

(1)

D(dk)=K(K-1)(2K+5)/72

(2)

式中，ri為第i個樣本Xi的累計數(shù)，Xj

另外，其Kendall傾向度β值可衡量趨勢的大小，β值為正表示上升趨勢，為負表示下降趨勢，絕對值越大表示趨勢上升或下降越顯著。計算公式如下：

(3)

式中，1≤j

3結(jié)果與討論

3.1降水時間變化特征分析

統(tǒng)計分析黃土高原1961—2012年降水量年際、年內(nèi)變化趨勢，并采用M-K秩次相關(guān)檢驗法對研究區(qū)降水因子變化趨勢進行顯著性檢驗分析，本文在置信度α=0.05的水平上檢驗變化趨勢與突變點，如圖3所示。

從圖3(A)可知，黃土高原年降水量整體變化不顯著。近50 a降水量在310～693 mm之間變化，最低值和最高值分別出現(xiàn)在1965年、1964年，多年平均降水量為470 mm。從UFK曲線可以看出，除1964、1967、1985、1990年為正值外，其余時間序列均小于0，表明年降水量總體呈下降趨勢。因UFK值沒有超出置信線，則表明近50 a年降水量變化不顯著。

圖3黃土高原1961—2012年降水量年際(五年滑動平均)、年內(nèi)變化趨勢及M-K曲線

Fig.3The variation tendency of annual precipitation (five-years moving average)

during 1961—2012 and M-K curve in Loess Plateau

從圖3(B)可知，黃土高原春季多年平均降水量占全年的15.67%，整體呈不明顯下降趨勢，近50 a降水量中只有17 a高于多年平均降水量。1971—1982年連續(xù)12 a出現(xiàn)少雨現(xiàn)象。從UFK曲線可以看出，1963年、1966年和1987年將春季降水量時間序列分成四個階段，1961—1963年與1966—1987年降水量呈減少趨勢，1963—1966年與1987—2012年呈增加趨勢。又因UFK值沒有超出置信線，則表明近50a春季降水量變化不顯著。

從圖3(C)可知，黃土高原夏季多年平均降水量占全年的54.72%，多年平均降水量為257 mm，整體呈明顯下降趨勢。近50 a夏季降水量極大值343 mm亦出現(xiàn)在1964年，表明年降水量極大值出現(xiàn)在這年，夏季降水量占很大比例。從UFK曲線可以看出，整個時間序列均小于0，表明夏季降水量呈下降趨勢。因2008年以前沒有超出置信線，表明1961—2008年夏季降水量變化不顯著，2008年以后，UFK曲線超出置信線，表明2008—2012年夏季降水量下降顯著，而2008年是突變點，表明降水量變化趨勢發(fā)生突變。

從圖3(D)可知，黃土高原秋季多年平均降水量占全年的27.36%，整體呈明顯下降趨勢，近50 a降水量只有12 a高于多年平均降水量。1986—2002年連續(xù)17 a出現(xiàn)少雨現(xiàn)象。從UFK曲線可以看出，整個時間序列均小于0，表明秋季降水量呈下降趨勢。1991—2006年UFK值超出置信線，表明這段期間秋季降水量下降顯著。1991年和2006年是突變點，表明降水量變化趨勢發(fā)生突變。

從圖3(E)可知，黃土高原冬季多年平均降水量占全年的2.25%，整體呈明顯上升趨勢。多年平均降水量10.57 mm，最高值27.23 mm出現(xiàn)在1989年，最低值0.08 mm出現(xiàn)在1976年。1961—1980年連續(xù)20 a出現(xiàn)少雨現(xiàn)象。從UFK曲線可以看出，1978年以前，UFK值有正有負，且在0附近波動，表明冬季降水量變化不大。1978年以后，UFK值大于0，表明冬季降水量呈增加趨勢，且在1981年以后超出置信線，表明1981—2012年冬季降水量增加趨勢顯著，1981年為突變點，降水量變化趨勢發(fā)生突變。

3.2降水空間變化特征分析

3.2.1多年降水空間變化特征計算黃土高原區(qū)域及附近72個氣象基準站52 a年降水量的Kendall傾斜度，再用GIS空間分析生成等值線(圖4)。從圖中可以看出，整個區(qū)域降水傾斜度β值負值居多，說明整體呈下降趨勢，且負值絕對值大于正數(shù)，則下降幅度比上升幅度大。在陽泉站和榆社站存在兩個顯著的減少中心，β值分別為-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1，是整個區(qū)域降水減少幅度最大的站點。區(qū)域的西部地區(qū)和北部地區(qū)降水傾斜度均為正值，降水呈緩慢上升趨勢，最大值出現(xiàn)在西部地區(qū)邊界線附近，僅為1.8 mm·10a-1。

圖4黃土高原年降水Kendall傾斜度等值線

Fig.4The isoline of Kendall gradient of annual

precipitation in the Loess Plateau

3.2.2年內(nèi)降水空間變化特征同樣應(yīng)用上述方法對黃土高原年內(nèi)各季降水空間分布特征進行研究，如圖5所示。春季(圖5A)黃土高原降水大部分呈增加趨勢，主要分布在西部地區(qū)和北部地區(qū)，其中增加幅度最大的站點是五臺山，β值為2 mm·10a-1，其次是華家?guī)X、五寨和右玉，β值均為0.7 mm·10a-1。β值為負值的站點集中在區(qū)域的西南地區(qū)，主要有同心、固原、平?jīng)觥㈤L武和武功等，β值分別為-0.2、-0.3、-0.1、-0.4 mm·10a-1和-1.1 mm·10a-1。

夏季(圖5B)黃土高原降水除五臺山(2.2 mm·10a-1)和五寨(0.7 mm·10a-1)兩個上升趨勢明顯的站點外，其它均呈下降趨勢，從西南向東北，下降幅度變化先變大再變小。其中5個較明顯的減少中心出現(xiàn)在環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值分別為-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。

秋季(圖5C)黃土高原降水空間變化趨勢與夏季類似，除五臺山(2.2 mm·10a-1)和五寨(0.6 mm·10a-1)兩個明顯的上升中心外，其它各站均不同程度地呈下降趨勢，下降幅度比夏季略小，減少中心沒有變，依然是環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值均為-0.8 mm·10a-1。整體下降幅度變化亦是從西南向東北逐漸先變大后變小。

冬季(圖5D)黃土高原降水均呈上升趨勢，上升趨勢不顯著，從西北向東南上升幅度逐漸變大，但最大的上升中心華山，β值也僅為0.95 mm·10a-1。其次是長武、洛川和陽城，β值均為0.6 mm·10a-1。區(qū)域內(nèi)存在三個基本無變化的點有吳旗、離石和西安，β值趨于零。

圖5黃土高原年內(nèi)降水量Kendall傾斜度等值線

Fig.5The isolihe of the Kendall gradient of seasonal precipitation in the Loess Plateau

4結(jié)論

本文以黃土高原區(qū)域為研究對象，獲取區(qū)域內(nèi)及周邊72個氣象基準站逐日降水資料，年序列為1961—2012年共52 a。通過泰森多邊形法將各雨量站的降水量展布到整個區(qū)域，再采用M-K趨勢檢驗法分析年降水的年際、年內(nèi)時空變化特征，初步得到下列結(jié)論：

(1) 黃土高原年降水量時間變化整體呈緩慢下降趨勢，UFK曲線在近50 a時間序列均小于0且沒有超出置信線；空間上，年降水量呈下降趨勢，陽泉、榆社站出現(xiàn)兩個顯著減少中心，β值分別為-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1，區(qū)域的西部地區(qū)和北部地區(qū)降水呈緩慢上升趨勢。

(2) 黃土高原春季多年平均降水量整體呈不明顯下降趨勢，1961—1963年與1966—1987年降水量呈減少趨勢，1963—1966年與1987—2012年呈增加趨勢，UFK值沒有超出置信線，沒有突變點?？臻g上，區(qū)域的西部地區(qū)和北部地區(qū)大部分呈增加趨勢，五臺山增加幅度最大，β值為2 mm·10a-1，區(qū)域的西南地區(qū)β值為負值的站點較集中。

(3) 夏季多年平均降水量呈明顯下降趨勢，UFK曲線在整個時間序列均小于0，2008年左右為突變點，2008年以后降水量下降顯著。空間上，大部分站點降水呈下降趨勢，下降幅度變化由西南向東北先變大再變小，較明顯的減少中心有環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值分別為-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。

(4) 秋季多年平均降水下降趨勢顯著，整個時間序列UFK曲線均小于0，1991年和2006年是突變點，1991—2006年降水量下降趨勢發(fā)生突變。空間變化與夏季類似，減少中心依然是環(huán)縣、延安、西峰鎮(zhèn)、平?jīng)龊团R汾，β值均為-0.8 mm·10a-1。

(5) 冬季多年平均降水量整體呈明顯上升趨勢，1981年以后UFK值超出置信線，降水量變化趨勢發(fā)生突變?？臻g上降水變化呈緩慢上升趨勢，由西北向東南上升幅度逐漸變大。最大上升中心華山，β值僅為0.95 mm·10a-1。

參 考 文 獻：

[1]李勉，姚文藝，李占斌.黃土高原草本植被水土保持作用研究進展[J].地球科學(xué)進展，2005，20(1)：74-20.

[2]IPCC. Climate Change 2007: Synthesis Report[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[3]張建興，馬孝義，趙文舉，等.黃土高原地區(qū)干旱長期變化趨勢及預(yù)測[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008,26(3):1-6.

[4]Loukas A, Vasiliades L. Probabilistic analysis of drought spationtemporal characteristics in Thessaly region, Greece[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2004,(4):719-731.

[5]王位泰，張?zhí)旆澹τ癖?，?黃土高原夏半年降水氣候變化特征對作物產(chǎn)量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008,26(1):154-158.

[6]閔山山，錢永甫.中國極端降水事件的區(qū)域性和持續(xù)性研究[J].水科學(xué)進展，2008，19(6)：763-771.

[7]方紅遠，甘升偉，余瑩瑩.區(qū)域供水系統(tǒng)干旱歷時特性綜合分析[J].水科學(xué)進展，2007，18(1)：95-101.

[8]劉引鴿.陜北黃土高原降水的變化趨勢分析[J].干旱區(qū)研究，2007，24(1)：49-55.

[9]段建軍，王小利，高照良，等.黃土高原地區(qū)50年降水時空動態(tài)與趨勢分析[J].水土保持學(xué)報，2009，23(5)：143-146.

[10]王萬忠，焦菊英，郝小品.黃土高原暴雨空間分布的不均勻性及點面關(guān)系[J].水科學(xué)進展，1999，10(2)：165-169.

[11]殷水清，謝云.黃土高原地區(qū)中小流域日降雨空間分布特征[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，41(1)：89-91.

[12]李志，鄭粉莉，劉文兆.1961—2007年黃土高原極端降水事件的時空變化分析[J].自然資源學(xué)報，2010，25(2)：291-299.

[13]朱清科，張巖，趙磊磊，等.陜北黃土高原植被恢復(fù)及近自然造林[M].北京:科學(xué)出版社，2012.

[14]鄭寶明，田承志，王煜，等.黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)小流域壩系建設(shè)理論與實踐[M].鄭州：黃河出版社，2004:4-6.

[15]王金星，張建云，李巖，等.近50年來中國六大流域徑流年內(nèi)分配變化趨勢[J].水科學(xué)進展，2008，19(5)：656-660.

[16]夏軍，王渺林.長江上游流域徑流變化與分布式水文模擬[J].資源科學(xué)，2008，30(7)：962-967.

Characteristic analysis of temporal and spatial variation of precipitation during recent 50 years in Loess Plateau

WANG Li-na, ZHU Qing-ke, TONG Xiao-lin, WANG yu, CHEN Wen-si, LU Ji-yuan

(1.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombat,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,China,Beijing, 100083;2.ManagementofficeofreturningfarmlandtoforestprojectoftheYananCity,Yanan, 716000)

Keywords:precipitation; temporal and spatial variation; M-K test method; Loess Plateau

Abstract：In ording to reveal the characteristic of time variation and spatial distribution of precipitation during recent years in Loess Plateau, based on the 52 years daily precipitation data from 1961 to 2012 in the Loess Plateau Region and surrounding 72 meteorological stations, the Tyson polygon method was applied to distribute the precipitation in each rainfall station to whole region.The M-K trend test method was adopted to analyze the characteristics of yearly precipitation temporal and spatial variation. The results showed that: (1) The annual rainfall in Loess Plateau has showed a trend of slow decline with time, UFK curve was less than zero and not exceeded the confidence line. In space whole showed a decline trend and appeared two significant reduction centers as Yangquan and Yushe Stations, theβvalue was -3.3 mm·10a-1and -2.1 mm·10a-1, respectively. (2) The multi-year average rainfall in Spring of the Loess Plateau has showed no obvious decline trend on the whole. The precipitation from 1966 to 1987 and 1961 to 1963 has showed a decrease trend; but from 1963 to 1966 and 1987 to 2012 has showed an increase trend. In space most of the west and north region has showed an increase trend. The Wutai Mountain was the maximal increase range, theβvalue was 2 mm·10a-1. (3) The multi-year average rainfall in Summer has showed an obvious downward trend, around 2008 was the mutation point, after 2008 the precipitation has notablely decreased. In space has showed a decline trend on the whole, rather obvious decrease centers were Huanxian, Yan'an, Xifeng, Pingliang and Linfen, theβvalue was -0.9,-0.9,-0.8,-0.8 mm·10a-1and -0.8 mm·10a-1, respectively. (4) The multi-year average precipitatio in Autumn has showed a notable decrease trend, the space change was similar with Summer, the decrease centers still was the Huanxian, Yan'an, Xifeng, Pingliang and Linfen. Theβvalue total was -0.8 mm·10a-1. (5) The multi-year average rainfall in Winter was showed an obvious rising trend on the whole, the changes slowed a slowly rising trend on the space, the largest rise center was Huashan, theβvalue was only 0.95 mm·10a-1.

文章編號：1000-7601(2016)03-0206-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.33

收稿日期：2015-05-22

基金項目：國家林業(yè)公益課題“黃土丘陵嚴重侵蝕區(qū)植被恢復(fù)和重建技術(shù)研究(201104002-2)

作者簡介：王利娜(1985—)，女，河北承德人，博士，研究方向為水土保持與荒漠化防治。 E-mail:lina8509@163.com。 通信作者：朱清科(1956—)，男，博士(后)，講師，主要從事水土保持與荒漠化防治。 E-mail:zhuqingke@sohu.com。

中圖分類號：S161.6

文獻標志碼：A