甘肅省1961―2018年降水量時(shí)空分布與變化研究

郭嘉兵，李金文，馬金珠，俞巧

甘肅省1961―2018年降水量時(shí)空分布與變化研究

郭嘉兵，李金文，馬金珠*，俞巧

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

【】研究甘肅省降水量時(shí)空分布與變化，獲得在暖濕趨勢(shì)下甘肅省降水量變化特征。選取甘肅省1961―2018年59個(gè)氣象站降水量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用指數(shù)、小波分析、M-K檢驗(yàn)等方法對(duì)甘肅省降水時(shí)空分布特征、降水周期、突變年份及趨勢(shì)變化進(jìn)行分析。甘肅省年降水量在空間上自東向西呈現(xiàn)逐漸減少的規(guī)律，降水量年內(nèi)分配不均勻程度逐漸增加；在時(shí)間上，甘肅省存在28、22、12、5 a降水變化周期，其中以28 a周期震蕩最強(qiáng)；降水量突變主要發(fā)生在20世紀(jì)60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。甘肅省西部地區(qū)的降水量整體呈增加趨勢(shì)，增加率為0.45 mm/a，中部、南部、東部地區(qū)呈下降趨勢(shì)，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a。甘肅省近60 a降水量的長(zhǎng)時(shí)間尺度周期顯著，突變年份與極端降水及干旱事件相對(duì)應(yīng)，西部與中東部地區(qū)降水量變化趨勢(shì)存在較大差異，20世紀(jì)90年代后，甘肅省降水量顯著增加。

甘肅??；降水量；時(shí)空分布；趨勢(shì)分析

0 引言

【研究意義】降水是水循環(huán)中最重要的氣象因子之一。降水時(shí)空變化能夠反映地區(qū)氣候與生態(tài)環(huán)境的變動(dòng)，對(duì)人類(lèi)的生活生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。近年來(lái)，氣候異常導(dǎo)致我國(guó)降水量發(fā)生變化，并引起了人們的廣泛關(guān)注。

【研究進(jìn)展】有研究表明，1979―2018年我國(guó)年均降水量顯著增長(zhǎng)，且有進(jìn)一步增長(zhǎng)的趨勢(shì)[3]。氣候異常變化和人類(lèi)活動(dòng)加劇，造成我國(guó)北方地區(qū)降水時(shí)空分布也發(fā)生了變化[4]。20世紀(jì)60年代以來(lái)，西北地區(qū)的年降水量呈微弱上升趨勢(shì)，平均每年上升0.17 mm；具有向暖濕變化的傾向，但西北地區(qū)東部（如陜西西部，寧夏及甘肅東部）降水量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)[5-6]。王燕等[7]研究了1965―2001年甘肅省降水特征，甘肅省降水自西北向東南呈增加趨勢(shì)，降水量主要集中在夏季，并指出甘肅省降水量在33 a尺度上呈減少趨勢(shì)，4 a周期比較顯著。王紅桃等[8]提出甘肅省西北地區(qū)氣候向暖濕轉(zhuǎn)變，而東南部則向暖干轉(zhuǎn)變，在1967―2008年間，西北部降水量有略微的增加，東南部明顯減少。李棟梁等[9]針對(duì)甘肅河?xùn)|地區(qū)降水量周期變化進(jìn)行研究，認(rèn)為甘肅河?xùn)|年降水量存在顯著的3 a和9 a周期。

【切入點(diǎn)】上述研究成果主要集中在甘肅省降水量的分布趨勢(shì)和周期研究，然而近些年西北地區(qū)降水增多趨勢(shì)的降水序列略微不足，此外，關(guān)于甘肅省降水量整體周期分布時(shí)間不明確，對(duì)于降水量的變化趨勢(shì)描述的時(shí)間尺度較大，且沒(méi)有詳細(xì)分析降水量減少地區(qū)的差異性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，針對(duì)以上問(wèn)題，本文以氣候類(lèi)豐富的甘肅省為研究區(qū)，對(duì)比不同氣候類(lèi)型區(qū)降水量變化的異同點(diǎn)。擬選取甘肅省1961―2018年59個(gè)氣象站降水量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用指數(shù)、小波分析、M-K檢驗(yàn)等方法對(duì)1961―2018年甘肅省降水時(shí)空變化進(jìn)行研究，這對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境以及災(zāi)害預(yù)報(bào)具有重要意義，以期為今后本地區(qū)氣象、生態(tài)及水文等方面研究提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省地處我國(guó)中部偏西，東西蜿蜒1 600多km，氣候類(lèi)型多樣，從南向北包括了亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性氣候和高原高寒氣候等氣候類(lèi)型[10-11]。秦大河[12]指出甘肅省是青藏高原、黃土高原以及蒙古高原三大地形的匯集區(qū)，不僅是我國(guó)大陸的地理中心，還是西北干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)、青藏高原高寒氣候區(qū)三大氣候帶交匯地，進(jìn)而甘肅省具有氣候變化敏感、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)。

擬采用甘肅省59個(gè)氣象站1961―2018年的降水資料（數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://data.cma.cn）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合氣候分區(qū)及年降水量，將甘肅省分為4個(gè)分區(qū)（Ⅰ：西部干旱地區(qū)、Ⅱ：中部半干旱區(qū)、Ⅲ：南部半濕潤(rùn)區(qū)、Ⅳ：東部半濕潤(rùn)區(qū)）[13]，進(jìn)而分析其降水量的時(shí)空分布與變化。

圖1 甘肅省氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

采用降水集中指數(shù)[14]（，Precipitation Concentration Index）、M-K檢驗(yàn)[18-20]、小波分析[15]研究降水的分布和變化特征。采用滑動(dòng)檢驗(yàn)[21]研究降水量的突變。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量空間分布及年內(nèi)分配特征

通過(guò)計(jì)算甘肅省降水量各項(xiàng)指數(shù)，并利用ArcGIS技術(shù)繪制了等值線圖（圖2）。從圖2（a）可以看出，甘肅省年均降水量在空間上呈現(xiàn)自東向西逐漸減少的規(guī)律，在敦煌、瓜州地區(qū)形成了降水的極低值，敦煌地區(qū)地處干旱區(qū)，年平均降水量?jī)H為41.31 mm；南部、東部等地區(qū)（如康縣、徽縣、正寧等地）屬于半濕潤(rùn)區(qū)，年均降水量均大于700 mm，其中康縣達(dá)到了773.82 mm，為全省最大值，東西兩地區(qū)降水量相差近20倍，降水量變化的一個(gè)重要因素是受到西風(fēng)勢(shì)力影響[21]。中部地區(qū)自蘭州、烏鞘嶺向西到張掖的降水量東西變化較小，南北變化大，靠近南部沿祁連山一帶降水量較多。

根據(jù)指數(shù)等值線圖（圖2（b））和v值（變異系數(shù)）等值線圖（圖2（c））可分析甘肅省各地降水年內(nèi)分布的均勻性。各地區(qū)值與v值自東向西逐漸增加，年內(nèi)分配不均勻程度增加。值大于20的地區(qū)占全省的22%，主要分布在敦煌、瓜州、玉門(mén)鎮(zhèn)等地，該地區(qū)由于地處干旱區(qū)，降水年內(nèi)分布極其不均勻；其余地區(qū)的指數(shù)介于10~20之間，降雨均呈季節(jié)性分配，符合北方地區(qū)降水特征[22]。

西部地區(qū)夏季（6―8月）降水量占全年的58%，秋冬季節(jié)（9月―次年2月）僅占全年降水的23%；甘肅南部半濕潤(rùn)區(qū)夏季降水占全年的48%，秋、冬季占全年的28%。相較于西部干旱區(qū)，東、南部地區(qū)降水年內(nèi)分布較均勻（表1）。

圖2 降水指標(biāo)空間分布圖

表1 各分區(qū)降水年內(nèi)分布

2.2 降水周期分析

采用小波分析判斷甘肅省4個(gè)地區(qū)的降水量周期的周期變化，通過(guò)Matlab命令窗口實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而繪制小波變換系數(shù)實(shí)部變化圖（圖3）。甘肅省降水量在研究期內(nèi)存在28、22、12、5 a的周期變化。

甘肅省西部地區(qū)年降水量有10~32、20~32、12~7 a尺度的周期變化，中部地區(qū)有17~32、8~15、3~7 a時(shí)間尺度的周期變化。東部與南部地區(qū)具有相似的周期變化，有18~32、9~17 a時(shí)間尺度。結(jié)合小波系數(shù)的模值分析，西部地區(qū)10~32 a時(shí)間尺度模值最大，該時(shí)間尺度能量最強(qiáng)、周期最顯著，但分布具有局部性（在2005年之后）；20~32 a時(shí)間尺度能量較弱，主要分布在20世紀(jì)60年代，12~17 a時(shí)間尺度周期性不顯著。中部地區(qū)17~32 a周期性最顯著，主要分布在20世紀(jì)60、70年代，以及2010年以后；8~15 a時(shí)間尺度能量相對(duì)較弱。南部、東部地區(qū)周期分布相似，18~32 a周期能量最強(qiáng)，周期性最明顯，主要分布在20世紀(jì)60―80年代以及2005年以后。甘肅省中、南、東部地區(qū)降水量具有相近的周期變化，而西部由于降水量的分布特性與東部差異較大，周期性有一定偏差。

圖3 甘肅省小波變換系數(shù)實(shí)部變化

甘肅各地區(qū)小波方差圖存在4個(gè)明顯峰值（圖4），其中西部地區(qū)：28、21、14、7 a；中部地區(qū)：28、22、12、5 a；南部地區(qū)：28、22（不顯著）、12、4 a，東部地區(qū)：28、22、12、4 a。各個(gè)地區(qū)小波方差圖的最大峰值都對(duì)應(yīng)28 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明在28 a周期震蕩最強(qiáng)，是降水量變化的第一主周期，同時(shí)還存在第二、第三、第四主周期。

2.3 降水突變及趨勢(shì)分析

2.3.1 突變檢驗(yàn)

采用M-K檢驗(yàn)法對(duì)甘肅省降水量突變年份進(jìn)行趨勢(shì)檢測(cè)，表2結(jié)果顯示M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果中與統(tǒng)計(jì)量的交點(diǎn)比較集中，均通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。西部地區(qū)突變年份為2001、2003、2004年，中部、南部地區(qū)突變年份主要集中在1963、1965、1969、1970年左右，東部主要突變?cè)?962、1963、1965年和1968年。中部、南部與東部地區(qū)的突變年份有一定的相似性，主要是這些地區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)，受到相同季風(fēng)的影響，而與西部地區(qū)主要受到西風(fēng)環(huán)流的控制，所以西部與東南部地區(qū)的突變年份有所差異。

圖4 小波方差

表2 M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果分析，檢驗(yàn)結(jié)果不夠全面，西部地區(qū)集中在21世紀(jì)以后，中部南部地區(qū)主要集中在20世紀(jì)60年代到70年代，故采用滑動(dòng)檢驗(yàn)方式進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)突變點(diǎn)（表3）。中部、南部、東部地區(qū)比較接近，中部主要突變年份有1972、1982、1985、1993、1997年等，西部地區(qū)與東南地區(qū)略有差異。通過(guò)滑動(dòng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與M-K檢驗(yàn)有所差距，滑動(dòng)檢驗(yàn)檢測(cè)出的突變年份比M-K突變更為廣泛、全面，具有一定代表性。

表3 滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果

注 *表示未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。

2.3.2 趨勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)得到的甘肅各地區(qū)值及年降水變化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甘肅省西北干旱區(qū)的降水量整體呈增加趨勢(shì)，增加率為0.45 mm/a，且通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)（表4，圖5）；中部、南部和東部地區(qū)的降水量呈下降趨勢(shì)，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a，其中南部和東部地區(qū)結(jié)果未通過(guò)置信度檢驗(yàn)。

表4 趨勢(shì)分析結(jié)果

圖5 甘肅省各地區(qū)年降水量變化

在20世紀(jì)90年代，甘肅省降水量發(fā)生了較大的變化（圖5），20世紀(jì)90年代以前，中部、南部、東部地區(qū)降水量呈下降趨勢(shì)，其中南部、東部在20世紀(jì)90年代達(dá)到最低值，西部地區(qū)除外。在20世紀(jì)90年代后，各地區(qū)降水量均呈上升趨勢(shì)，其中東部地區(qū)上升趨勢(shì)最為明顯，上升速率為3.74 mm/a。

3 討論

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)西北干旱區(qū)降水量在1961―2013年呈增濕趨勢(shì)[23-24]。本研究也發(fā)現(xiàn)甘肅省降水量整體呈上升趨勢(shì)，且升速率較大。甘肅西部屬于非季風(fēng)區(qū)，受到西風(fēng)氣流的控制，徐利崗等[4]研究表明在20世紀(jì)80年代以后，北方地區(qū)的水平風(fēng)場(chǎng)發(fā)生變化，自貝加爾湖南下的氣流以及從東西伯利亞來(lái)的東北風(fēng)增強(qiáng)，導(dǎo)致了北方荒漠區(qū)降水發(fā)生了變化。還有研究成果認(rèn)為降水增加還有一部分因素是受到厄爾尼諾現(xiàn)象的影響[25]。上述分析中表明烏鞘嶺至張掖一帶，降水量東西變化小，南北變化大，是因?yàn)樵搮^(qū)域北部祁連山脈，阻隔了來(lái)自西南地區(qū)的水汽，此外，由于北部巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠的存在，降水量由南向北呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[26]。

姚俊強(qiáng)等[24]研究發(fā)現(xiàn)在甘肅祁連山、河西走廊等西部干旱區(qū)，降水量存在較強(qiáng)的是12 a與22 a尺度周期。林紓等[27]在研究中得到甘肅省東南部存在有準(zhǔn)20 a的周期，王紅桃等[8]基于1967―2008年甘肅省氣溫和降水時(shí)空變化結(jié)果，得出甘肅西北部存在12、7、4 a的周期，東南部存在14、7、4 a的周期，這些研究成果與此次研究結(jié)果基本一致，這說(shuō)明此次研究成果較為可靠。但是上述研究成果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)28 a震蕩最強(qiáng)烈的周期，可能是由于研究數(shù)據(jù)序列較短，長(zhǎng)時(shí)間尺度周期不顯著，此外，20世紀(jì)90年代后，氣候變化顯著，尤其是極端氣候事件頻發(fā)，進(jìn)而造成了整體的周期變化。甘肅省中部、南部、東部的降水量均在1993年發(fā)生突變，西部地區(qū)在1991年發(fā)生突變，同時(shí)，在20世紀(jì)90年代初期，降水量顯著減少，突變明顯，這與孔祥偉等[28]的研究結(jié)果基本一致。結(jié)合極端降水及干旱事件進(jìn)行驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)檢驗(yàn)所得突變年份更具有廣泛性，且與實(shí)際年份相接近[28]。本研究中所采用的M-K突變檢驗(yàn)，易受到數(shù)據(jù)序列影響，在進(jìn)行突變檢測(cè)時(shí)可能存在缺陷，需要進(jìn)一步完善分析方法。因此，為了更全面檢驗(yàn)和驗(yàn)證突變發(fā)生年份，在進(jìn)行突變檢驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮方法的適用性，采取多種方法進(jìn)行檢驗(yàn)以得到更準(zhǔn)確、廣泛的突變年份。

4 結(jié)論

1）甘肅省年降水量空間上自東向西呈現(xiàn)逐漸減少的規(guī)律，v值與值自東向西逐漸增加，降水量年內(nèi)分配不均勻程度隨之逐漸增加。

2）在甘肅省各地區(qū)，28 a時(shí)間尺度為周期震蕩最強(qiáng)，是降水變化的主周期，還存在有22、12、5 a的周期。甘肅省降水量突變主要發(fā)生在20世紀(jì)60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。

3）甘肅省西北干旱區(qū)的降水量整體呈增加趨勢(shì)，增加率為0.45 mm/a；中部、南部、東部地區(qū)也呈下降趨勢(shì)，下降率分別為-0.82、-0.81、-0.93 mm/a。相比較中部、南部地區(qū)，東部地區(qū)的降水量整體下降趨勢(shì)更大。

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Spatiotemporal Variation in Precipitation over Gansu Province from 1961 to 2018

GUO Jiabing, LI Jinwen, MA Jinzhu*, YU Qiao

(School of Resources and Environment, Lanzhou University/ Key Laboratory of Western Environment Ministry of Education, Lanzhou 730000, China)

【】Spatiotemporal variation in precipitation is the consequence of a combined impact of regional climate and ecological environment. Global climate change over the past few decades has resulted in a change in precipitation pattern in many regions including Gansu, a province in China characterized by co-existence of arid climate in the west, monsoon climate in the east and alpine climate in the Qinghai-Tibet plateau. This combination makes the ecological and environment systems in Gansu fragile and susceptible to climate change.【】The purpose of this work is to analyze the spatial change in precipitation over the province since 1961 as sell as the underlying mechanisms, especially the impact of global warming and anthropogenic activities.【】Precipitation measured from 59 meteorological stations from 1961 to 2018 across the province was analyzed using theindex, the wavelet analysis, MK test and other methods, from which we calculated its characteristics including period of precipitation, abnormal changes as well as trends in its spatiotemporal variation using the slidingtest.【】The annual precipitation decreased from the east to the west across the province. The intra-annual variation in the precipitation had increased from 1961 to 2018. We identified five periods in the precipitation: 28 years, 22 years, 12 years and 5 years, with the 28 year period most identifiable. Abrupt change in precipitation occurred in the middle 1960s, the early 1970s, the middle 1980s and the early 1990s. Precipitation in the west of the province had been increasing at 0.45 mm/a, while that in the central, south and east parts of the province had been in decline at 0.82 mm/a, 0.81 mm/a and 0.93 mm/a, respectively, until 1990s. But since the 1990s, the precipitation in all regions over the province has been in increase, especially in the east area where the precipitation has been increasing at 3.74 mm/a.【】The precipitation in Gansu province over the past 60 years showed periodic and had witnessed both extreme rainfalls and droughts. There is a distinguishable difference in temporal change in precipitation between the west and central-east. Since the 1990s, the precipitation in the province has increased significantly. Our results have important implications for improving ecosystem services and alleviating disasters induced by climate changes, apart from providing a baseline database for meteorological, ecohydrological researches in this region and beyond.

Gansu province; precipitation; spatiotemporal variation; trend analysis

P426

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020479

1672 - 3317（2021）03 - 0142 - 07

郭嘉兵, 李金文, 馬金珠, 等. 甘肅省1961―2018年降水量時(shí)空分布與變化研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(3): 142-148.

GUO Jiabing, LI Jinwen, MA Jinzhu, et al. Spatiotemporal Variation in Precipitation over Gansu Province from 1961 to 2018[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2021, 40(3): 142-148.

2020-08-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（lzujbky-2020-kb54）

郭嘉兵（1996-），男。碩士研究生，主要從事水文與水資源研究。E-mail: 479821643@qq.com

馬金珠（1968-），男。教授，主要從事同位素水文學(xué)與包氣帶水文學(xué)研究。E-mail: jzma@lzu.edu.cn

責(zé)任編輯：陸紅飛