1964-2017年秦嶺山地降水時(shí)空變化特征及其南北差異

劉 荷, 鄧晨暉, 邵景安,2, 郭 躍,2

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331; 2.重慶師范大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331; 3.咸陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告中指出[1]，近60年全球地表溫度每10 a升高0.12℃(0.08～0.14℃)，該報(bào)告也指出當(dāng)今世界正處于相關(guān)經(jīng)濟(jì)體爭(zhēng)相復(fù)蘇的關(guān)鍵時(shí)期，未來CO2排放量還將會(huì)持續(xù)不斷上升[2]；全球變暖對(duì)大氣降水格局影響也格外顯著，使得降水的空間分布產(chǎn)生了相應(yīng)地改變，進(jìn)而導(dǎo)致干旱、極端降水等自然災(zāi)害頻發(fā)、降水分布更加不均衡[3]，降水不均勻的空間分布和時(shí)間變化上的不穩(wěn)定是導(dǎo)致旱澇災(zāi)害最直接的原因[4]。降水區(qū)域的時(shí)空分布特征規(guī)律直接影響著區(qū)域水資源演化過程，因而局部地區(qū)降水時(shí)空變化的研究也成為近年來學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，國(guó)內(nèi)對(duì)降水研究區(qū)域集中在東北[5]、西藏[6]、東疆[4]、青藏高原[7]、秦嶺等地[8]。

山地作為氣候變化的前哨對(duì)氣候變化具有高度敏感性[9]，山地降水的時(shí)空變化也因此引起了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的高度關(guān)注。有學(xué)者研究表明近60 a太行山區(qū)年降水量和徑流量均呈下降趨勢(shì)，且年際變化劇烈不利于水資源開發(fā)利用[10]。李沁汶等[11]預(yù)測(cè)橫斷山未來50 a年平均降水量總體呈減少趨勢(shì)，極端降水總體降水量變化波動(dòng)較大可能增加地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。秦嶺作為橫跨我國(guó)中部的東西走向山脈，中部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱敏感區(qū)，全球氣候變暖導(dǎo)致秦嶺南北坡幾乎同時(shí)趨于干旱趨勢(shì)[12]，秦嶺以南地區(qū)年降水量呈明顯減少趨勢(shì)[13]，同時(shí)南水北調(diào)工程、城市化進(jìn)程的差異加劇了秦嶺南北兩側(cè)氣溫變化的非均勻性[14]。目前有關(guān)秦嶺山地氣候變化的研究主要集中于單一季節(jié)或坡向的降水時(shí)空變化以及對(duì)極端氣候的響應(yīng)研究，而對(duì)于春夏秋冬四季秦嶺山地降水變化特征及其南北坡差異性的研究為數(shù)不多，本文將針對(duì)氣溫與降水的相關(guān)性進(jìn)行分析研究。

基于此，利用秦嶺地區(qū)1964—2017年32個(gè)氣象站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)資料，并采用AUSPLIN插值法將站點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為區(qū)域面上數(shù)據(jù)，結(jié)合小波分析、趨勢(shì)分析等方法，探究秦嶺山地降水在不同時(shí)間尺度上的空間變化規(guī)律。試圖回答：氣候變化背景下，近54 a來秦嶺山地降水變化呈現(xiàn)怎樣的特征？氣溫突變前后降水變化有何差異？秦嶺南北坡的降水又有何不同?以期為應(yīng)對(duì)秦嶺南北日益增加的氣候風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)，為秦嶺山地生態(tài)環(huán)境保護(hù)及旱澇災(zāi)害預(yù)防具有重要作用。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置及地形特征

秦嶺地處陜西南部(32°40′—34°35′N，105°30′—110°05′E)，約占陜西總面積30%，總面積6.19萬(wàn)km2，位于漢江以北渭河以南(圖1)。秦嶺山勢(shì)雄偉，山體高大，地形破碎，地表高差懸殊，海拔約2 000 m，高峰都為2 000～3 000 m。秦嶺山脈入隴南境內(nèi)后，為西北—東南走向，叢山之間形成一些小的盆地。秦嶺北坡地形陡峭，南坡坡勢(shì)較緩。

圖1 研究區(qū)范圍及氣象站位置

1.2 氣候特征

秦嶺山體高大因而對(duì)氣流運(yùn)。行有明顯阻滯作用。夏季濕潤(rùn)的海洋氣流不易深入西北，使北方氣候干燥;冬季阻滯寒潮南侵，使?jié)h中盆地、四川盆地少受冷空氣侵襲，因此以秦嶺—淮河為界，以南為亞熱帶，以北為暖溫帶[15]，也是濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的分界線，長(zhǎng)江流域與黃河流域的分水嶺[16]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所采用的1964—2017年32個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站的逐月、逐年的降水量、平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，其來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)科學(xué)共享服務(wù)網(wǎng)(www.geodata.cn)和陜西省氣象信息中心。DEM數(shù)據(jù)分辨率為250 m×250 m，數(shù)據(jù)來源于陜西省測(cè)繪地理信息局。

薄盤光滑樣條函數(shù)法TPS(thin plate smoothing splines)，對(duì)一些限定的點(diǎn)值，利用特征節(jié)點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合的方法來產(chǎn)生平滑的插值曲線[17]。薄盤光滑樣條函數(shù)的插值結(jié)果精度最優(yōu)，特別是降水和氣溫的效果尤其的明顯[18]。亦有學(xué)者指出，ANUSPLIN法更適宜用于復(fù)雜山地環(huán)境下氣候要素的空間插值[19]。因此，本研究選用AUSPLIN法進(jìn)行空間插值。同時(shí)，為保證山地氣象要素插值結(jié)果的準(zhǔn)確性，在插值過程中將DEM作為協(xié)變量，從而獲得秦嶺山地近54 a降水柵格數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為250 m×250 m。

根據(jù)本研究數(shù)據(jù)的特點(diǎn)(時(shí)間序列較短僅54 a)，假設(shè)研究區(qū)間內(nèi)只有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。中國(guó)氣溫突變時(shí)間的研究得到一致的轉(zhuǎn)折時(shí)間發(fā)生于1984年[20-21]，且秦嶺地區(qū)及其南北坡的氣溫突變時(shí)間均發(fā)生于1984年、1985年氣溫開始呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)溫度發(fā)生[22]。本研究則以1985年作為秦嶺氣溫突變點(diǎn)。

2.2 研究方法

2.2.1 空間趨勢(shì)分析 一元線性回歸趨勢(shì)分析法，是運(yùn)用最小二乘法逐像元擬合變量(氣候因子)的斜率，可以模擬變量在每個(gè)柵格的變化率，分析區(qū)域變量的時(shí)空演變趨勢(shì)[23]，其公式：

(1)

式中:n為時(shí)間長(zhǎng)度;i為年序號(hào);xi為第i年的x值(氣候因子);當(dāng)slope>0,表明x值在n年間的變化趨勢(shì)是增加;當(dāng)slope<0,變化趨勢(shì)則為減少。采用t檢驗(yàn)確定變化趨勢(shì)的顯著性，并將結(jié)果劃分為極顯著(p≤0.01)、顯著(0.010.1)變化4個(gè)等級(jí)。

2.2.2 小波分析 本研究對(duì)1964—2017年各時(shí)間序列數(shù)據(jù)選用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換在Matlab中進(jìn)行小波變換處理，再運(yùn)用suffer 8.0繪制小波系數(shù)的實(shí)部等值線。小波方差則反映能量在時(shí)間尺度的分布情況，顯示時(shí)間序列中該尺度周期波動(dòng)的強(qiáng)度，其中峰值處對(duì)應(yīng)的時(shí)間表示為該序列的主要時(shí)間尺度，反映了其主要周期[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水變化的周期性

3.1.1 1964—2017年降水變化的周期性 秦嶺山地54 a降水量小波分析結(jié)果見圖2。秦嶺山地在54 a間降水量存在著多時(shí)間尺度規(guī)律，在不同尺度上均出現(xiàn)了“枯—豐”交替的周期，圖中反映出3個(gè)明顯的峰值，分別對(duì)應(yīng)27，15，8 a的時(shí)間尺度。其中，27 a的時(shí)間尺度為最大峰值，為第一主周期，其降水的周期震蕩最強(qiáng)；第二主周期對(duì)應(yīng)著第二峰值的15 a時(shí)間尺度，從15 a和27 a大尺度的周期規(guī)律預(yù)測(cè)出，未來秦嶺山地降水整體有逐漸增加的趨勢(shì)；第三峰值對(duì)應(yīng)著8 a的時(shí)間尺度，8 a時(shí)間尺度上降水周期震蕩一直存在，但能量小。

圖2 1964-2017年 秦嶺地區(qū)年均降水量變化的小波變換及方差

3.1.2 降水變化周期性的南北差異 對(duì)秦嶺南北坡降水量分別進(jìn)行小波分析的結(jié)果如圖3所示。南北坡降水量與整個(gè)秦嶺山地一致存在3個(gè)時(shí)間尺度規(guī)律，3個(gè)明顯的峰值分別對(duì)應(yīng)8，15，27 a的時(shí)間尺度，表現(xiàn)出枯豐交替的周期性。但對(duì)南北坡小波變換圖進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，南坡降水周期性較北坡更穩(wěn)定，尤其在2000年后北坡在27 a大尺度上的降水周期震蕩較不穩(wěn)定。

3.2 年降水變化及其南北差異

通過空間插值得到秦嶺山地1964—2017年降水的柵格數(shù)據(jù)集，利用ArcGIS軟件計(jì)算1964—2017年秦嶺山地54 a平均年降水量、傾向率及其顯著性的空間分布(圖4)。

由圖4可知，54 a間秦嶺山地的年降水量范圍為470.95～1 127 mm，地區(qū)降水分布不均衡，以中南部地區(qū)的降水較多；全區(qū)整體年降水的平均速率為-11.95 mm/10 a，最快減少速率可達(dá)-41.40 mm/10 a；降水呈明顯的減少趨勢(shì)，其中以不顯著減少為主(86.34%)，而顯著減少(2.28%)、弱顯著減少(4.32%)和不顯著增加(6.95%)的區(qū)域相對(duì)較少。

圖3 秦嶺南北坡年均降水量變化的小波及方差

圖4 1964-2017年年均降水量及其傾斜率與顯著性的空間分布

就南北坡而言，北坡降水量范圍為487.94～112.46 mm，平均降水729.44 mm，而南坡降水范圍為613.35～1 171.82 mm，54 a平均降水量為845.08 mm，南坡平均降水量比北坡多115.64 mm。由傾斜率來看，北坡年降水平均速率為-13.58 mm/10 a，南坡為-11.54 mm/10 a，表明54 a間秦嶺山地降水北坡減少速率較南坡快。從顯著性變化來看，北坡和南坡均以不顯著減少趨勢(shì)為主，分別占全區(qū)17.04%，69.2%，北坡顯著減少(1.14%)和弱顯著減少(1.18%)區(qū)域較少；而南坡5.76%地區(qū)呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)，顯著減少和弱顯著減少占1.156%，2.98%。由此可以得出結(jié)論，1964—2017年北坡降水明顯少于南坡降水，北坡較南坡干旱趨勢(shì)更明顯。

3.3 氣溫突變前后降水時(shí)空變化

(1) 氣溫突變前降水變化。秦嶺山地氣溫突變前(1985年前)多年平均年降水量及其傾斜率與顯著性的空間分布見圖5。由圖5A可知，氣溫突變前，秦嶺山地的年降水量為496.12～1 259.25 mm，平均降水量為865.22 mm。由圖5B統(tǒng)計(jì)知，秦嶺山地全區(qū)年降水平均速率為26.40 mm/10 a，最大增加速率可達(dá)200.64 mm/10 a，由此可分析出氣溫突變前(1964—1985年)近20 a時(shí)間尺度上看，秦嶺山地降水量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。圖5C的t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，氣溫突變前，秦嶺山地呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中50.94%的區(qū)域以不顯著增加為主，12.17%的區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)，5.61%的區(qū)域呈弱顯著增加趨勢(shì)；不顯著減少區(qū)域僅占31.27%。

就南北坡而言，氣溫突變前秦嶺北坡降水量范圍為496.12～1 222.82 mm，平均年降水量為777.06 mm，南坡年均降水量為888.55 mm，可以看出南坡降水量明顯較北坡多。北坡平均速率為-7.1%，南坡平均速率達(dá)到35.1%，說明氣溫突變前，北坡降水呈減少趨勢(shì)，南坡則表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)。從顯著性來看，北坡11.36%區(qū)域表現(xiàn)為不顯著減少，9.43%區(qū)域呈不顯著增加；南坡總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中不顯著增長(zhǎng)(51.42%)為主，弱顯著增長(zhǎng)(1.35%)和顯著增長(zhǎng)(3.28%)次之，還存在少部分地區(qū)呈現(xiàn)不顯著減少(23.06%)。

(2) 氣溫突變后降水變化。秦嶺山地氣溫突變后(1985年后)多年平均年降水量及其傾斜率與顯著性的空間分布如圖6所示。氣溫突變后，秦嶺山地的年降水量為476.12～1 114.07 mm；氣溫突變后全區(qū)降水呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均增長(zhǎng)速率為27.09 mm/10 a；t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，降水以增加趨勢(shì)為主，其中以不顯著增加為主(82.1%)，以及部分弱顯著減少(0.11%)和不顯著減少(7.30%)區(qū)域。就南北坡而言，氣溫突變后北坡年均降水量為696.17 mm，南坡年均降水量為815.82 mm，可以看出氣溫突變后南坡降水量多于北坡，南坡平均降水在氣溫突變后秦嶺山地的降水時(shí)空變化并不明顯，仍以中南部和低海拔區(qū)降水居多，北坡降水明顯少于南坡，且北坡增長(zhǎng)速率明顯較南坡快。氣溫突變后，秦嶺北坡幾乎整體呈增加趨勢(shì)，分別表現(xiàn)為不顯著增加(12.23%)、弱顯著增加(5.03%)和顯著增加(3.53%)；南坡也以增加趨勢(shì)為主，其中不顯著增加(69.84%)和弱顯著增加(1.87%)區(qū)域?yàn)橹?，以及部分弱顯著減少(0.11%)和不顯著減少(7.30%)區(qū)域?？梢?，秦嶺山地降水變化在氣溫突變前后存在明顯差異，氣溫突變前，以減少趨勢(shì)為主，82.21%區(qū)域達(dá)顯著性水平；突變后，以增加趨勢(shì)為主，占65.60%的區(qū)域。且南北差異明顯，突變前，北坡降水呈不明顯減少趨勢(shì)而南坡以增加趨勢(shì)為主；突變后，南北坡均以增加為主，北坡全區(qū)均呈增加趨勢(shì)。

圖5 1964-1985年年均降水量及其傾斜率與顯著性的空間分布

圖6 1985-2017年年均降水量及其傾斜率與顯著性的空間分布

3.4 季降水變化及其南北差異

3.4.1 季降水的空間分布 秦嶺山地1964—2017年四季平均降水量空間分布見圖7。由圖7可知，春季降水范圍為39.96～85.99 mm，年均降水量58.50 mm；夏季降水量最大范圍為76.41～185.96 mm，年均降水量為129.18 mm；秋季降水量范圍為57.90～117.95 mm，年均降水量為79.35 mm；冬季降水量最少為3.84～20.63 mm，年均降水量為9.55 mm，四季均以中南部降水居多。表明，54 a間降水量存在著顯著的季節(jié)差異，以夏季降水量最為豐富，春季和秋季次之，冬季降水量極少。

就南北坡而言，春季北坡年均降水量為55.20 mm，南坡為59.38 mm，說明春季南北坡降水量差異不明顯；夏季北坡年均降水量為110.15 mm，而南坡達(dá)到134.21 mm，夏季降水量南坡明顯較北坡多；秋季北坡年均降水量為73.76 mm，而南坡為80.82 mm，秋季降水量同樣較豐富且南坡較北坡多；冬季的南北坡降水量均極少，北坡年均降水量只有9.27 mm，而南坡的也僅有9.63 mm。

由此可知，秦嶺地區(qū)夏季為豐水期，南坡降水量顯著多于北坡；秦嶺山地春秋季降水較多，且南北坡差異不明顯；冬季為枯水期，南北坡降水量均很少。綜合來看，54 a來秦嶺山地降水在季節(jié)上存在著明顯的差異，夏冬兩季容易導(dǎo)致干旱、極端降水等自然災(zāi)害，進(jìn)而對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，應(yīng)增強(qiáng)旱澇災(zāi)害的預(yù)防。

3.4.2 季降水的變化趨勢(shì) 秦嶺山地1964—2017年四季平均季降水量?jī)A斜率見圖8。近54 a來，秦嶺山地54 a四季降水的速率總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，春季平均速率為-2.96 mm/10 a，秋季為-1.91 mm/10 a；夏季和冬季則表現(xiàn)出不明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均速率分別為1.44，0.05 mm/10 a。由圖8可知，春季降水速率存在顯著海拔差異，由低海拔到高海拔逐漸減少；冬季降水速率表現(xiàn)出明顯東西差異，由東向西逐漸增加。

就南北坡而言，季度間降水變化率存在著明顯差異。春季秦嶺山地北坡平均速率為-3.3 mm/10 a，南坡則為-2.87 mm/10 a，春季南北坡均呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，且北坡減少速率更快；夏季北坡平均速率為1.87 mm/10 a，南坡則為1.32 mm/10 a；夏季南北坡均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，然而夏季北坡增長(zhǎng)速率較南坡快；秋季秦嶺山地又整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，北坡平均速率為-2.39 mm/10 a，南坡則為-1.79 mm/10 a，；秦嶺山地冬季北坡平均速率為0.084 mm/10 a，南坡速率則為0.04 mm/10 a，由此看出冬季南北坡呈現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖7 1964-2017年季均降水量的空間分布

圖8 1964-2017年季均降水量?jī)A斜率的空間分布

3.4.3 季降水的趨勢(shì)顯著性 秦嶺山地1964—2017年四季平均降水量顯著性的空間分布見圖9。由t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，54 a間秦嶺山地季度間降水顯著性存在著差異，春季和秋季則呈減少趨勢(shì)，春季秦嶺山地100%的區(qū)域呈減少趨勢(shì)，其中顯著減少和弱顯著減少的區(qū)域?yàn)橹?，分別占37.41%和30%，極顯著減少(13.57%)和不顯著減少(20%)所占區(qū)域較少；秋季秦嶺山地95.4%區(qū)域降水量表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，其中幾乎全部為不顯著減少(95.3%)，僅4.59%區(qū)域呈不顯著增加趨勢(shì)。夏季秦嶺山地82.6%地區(qū)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，其中不顯著增加為主占全區(qū)79%，弱顯著增加較少，只占3.6%，僅17.31%地區(qū)呈不顯著減少趨勢(shì)。冬季秦嶺山地呈減少趨勢(shì)和增加趨勢(shì)的地區(qū)較均衡，減少地區(qū)占50.45%，增加地區(qū)占45.55%。

季度間降水顯著性存在著明顯南北差異，春季北坡以極顯著減少(6.89%)、顯著減少(6.49%)和弱顯著減少(5.57%)為主，不顯著減少(2.32%)次之，南坡則以顯著減少(31.69%)、弱顯著減少(25.03%)和不顯著減少(17.02%)的區(qū)域所占比重較大，少部分區(qū)域?yàn)闃O顯著減少(7.08%)。夏季北坡以不顯著增加(6.89%)為主，弱顯著增加(2.48%)次之，存在較少不顯著減少(2.50%)區(qū)域；南坡主要地區(qū)呈現(xiàn)不顯著增加(63.19%)和弱顯著增加(1.12%)，部分地區(qū)呈現(xiàn)不顯著減少(14.8%)。秋季北坡全區(qū)呈現(xiàn)不顯著減少(20.79%)，南坡主要為不顯著減少(74.44%)，弱顯著減少(0.1%)占比較少，但南坡存在不顯著增加(4.57%)區(qū)域。冬季北坡以增加趨勢(shì)，其中不顯著增加(14.99%)為主，弱顯著增加占比極少，有5.76%地區(qū)呈不顯著減少；南坡地區(qū)不顯著減少(44.58%)占比較大，其余地區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中不顯著增加(31.91%)為主，弱顯著增加(2.16%)和顯著增加(0.45%)次之。

得出結(jié)論，1964—2017年季度降水時(shí)空變化明顯且存在南北差異，春秋季基本整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，春季呈明顯海拔差異，隨海拔升高，降水顯著性減少；秋季以不顯著減少為主；而夏季和冬季則表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，夏季增長(zhǎng)趨勢(shì)更為顯著，南坡增長(zhǎng)趨勢(shì)較北坡更明顯。

4 結(jié) 論

(1) 54 a來，秦嶺山地全區(qū)降水呈減少趨勢(shì)，周期性特征明顯。年降水的平均速率達(dá)到-11.95 mm/10 a呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)，北坡為-13.58 mm/10 a，南坡為-11.54 mm/10 a，即北坡減少速率較南坡快；1964—2017年來秦嶺山地降水以不顯著減少為主，且北坡較南坡干旱趨勢(shì)更明顯。

(2) 54 a來，季度降水量未見顯著趨勢(shì)性變化，南北坡降水量差異也并不明顯，只有夏季南坡降水量顯著多于北坡；但季度間降水存在明顯差異，降水主要集中在夏季和秋季，冬季為枯水期，需增強(qiáng)夏冬兩季旱澇災(zāi)害的預(yù)防。受秦嶺山地復(fù)雜地形影響，春季呈明顯海拔差異，隨海拔升高，降水顯著性減少。

(3) 氣溫突變對(duì)降水趨勢(shì)變化產(chǎn)生顯著影響，氣溫突變前，南坡降水量明顯較北坡多，北坡降水呈不明顯的減少趨勢(shì)，南坡則表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)；氣溫突變后，仍以中南部和低海拔區(qū)降水居多，南北坡降水均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，尤其北坡幾乎呈整體增加趨勢(shì)，南坡降水以不顯著增加為主。