基于日降水量數(shù)據(jù)的毛烏素沙地降水特征的一致性分析

馬 嵐，劉登峰*，白 冰，任夢(mèng)之，黃 強(qiáng)，林 木

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048;2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué) 統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院，北京 100081)

近年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，水文循環(huán)的物理機(jī)制以及循環(huán)過程均在一定程度上發(fā)生了顯著的變化，水文序列也呈現(xiàn)出非一致性的特點(diǎn)[1-2]。《中國氣候變化海洋藍(lán)皮書(2020)》明確指出，1961—2019年中國的極端強(qiáng)降水事件明顯加劇[3]。水資源在時(shí)間和空間上的重新分配，使得降水時(shí)空分布及其特征的研究受到了更為廣泛的關(guān)注[2-3]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域的降水特征變化進(jìn)行了分析，其中，曹永強(qiáng)等[4]針對(duì)遼寧省夏季降水量和極端降水日數(shù)的變化進(jìn)行了研究，采用線性斜率、滑動(dòng)平均、小波分析等不同方法，對(duì)降水時(shí)空分布特征和變化做以分析；張雪琴等[5]基于毛烏素沙區(qū)10個(gè)氣象站1961—2016年觀測(cè)資料分析了降水的特征變化；宋云民等[6]通過統(tǒng)計(jì)分析和遙感分析，探究了毛烏素沙地腹地1981—2003年間的降水和蒸散分布格局特征。然而，以往的研究對(duì)于降水量的特征及空間分布的研究較為全面，但少有基于日降水?dāng)?shù)據(jù)的其他統(tǒng)計(jì)特征值的變化分析。對(duì)于較小區(qū)域的降水特征的變化分析能夠更好為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)和農(nóng)業(yè)發(fā)展工作提供一定的指導(dǎo)。

由于地形、地理位置、下墊面特征等各種差異，導(dǎo)致了降水量空間上有著不同程度的變異性[7]，而區(qū)域的降水量多少及其時(shí)空分布特征在很大程度上可以表征該地區(qū)的干濕程度[8]。毛烏素沙地作為中國為數(shù)不多的能源資源富集區(qū)，擁有復(fù)雜而又獨(dú)特的地形地貌，較為干燥的氣候條件，以及分布不均勻的水資源。水資源的匱乏在很大程度上限制了能源的開發(fā)與利用。且毛烏素沙地地處西北旱區(qū)，降水量的年際變化大，且大多以暴雨的形式呈現(xiàn)，較為集中地降水降低了其可利用率。因此，分析該地區(qū)降水特征值序列的變化將有助于提高對(duì)北方典型沙地的氣候變化的認(rèn)識(shí)，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)等提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

毛烏素沙地位于陜西榆林的長城一線以北，其范圍涵蓋內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的南部、陜西榆林市榆陽區(qū)的風(fēng)沙區(qū)以及寧夏鹽池縣東北部，是中國四大沙地之一[9]，也是擁有獨(dú)特地理環(huán)境的生態(tài)過渡區(qū)，因此，其生態(tài)環(huán)境敏感性和脆弱性表現(xiàn)得極為顯著[10]。該地區(qū)的氣候類型為中溫帶向暖溫帶過渡，海拔高度1 200～1 800 m，地形自西北向東南傾斜，東部和中部的典型草原以及西部的荒漠草原構(gòu)成了毛烏素沙地主要的植被類型[11]。多年平均降水量為250～440 mm，降水季節(jié)性較強(qiáng)，主要集中于7—9月，其降水量比例達(dá)到了全年的60%～75%[12]。

本研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)。所選取的原始數(shù)據(jù)均已進(jìn)行了全面地檢查以及質(zhì)量控制。研究選用毛烏素沙地地區(qū)的鄂托克旗、東勝、榆林、鹽池、定邊、吳旗、橫山、綏德、環(huán)縣、延安等10個(gè)氣象站1957—2019年逐日降水量序列，站點(diǎn)位置見圖1。經(jīng)過分析處理提取出年降水量、年最大日降水量、年最長連續(xù)降水量(即年內(nèi)最長連續(xù)日降水事件的總降水量)以及年最長連續(xù)降水日數(shù)(即年內(nèi)最長連續(xù)日降水事件的日數(shù))等特征值序列進(jìn)行研究。

圖1 研究區(qū)的站點(diǎn)位置

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法作為非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法之一，鑒于較為簡(jiǎn)單且應(yīng)用效果較好而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用，其對(duì)于水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的分析有著更好的適用性。具體介紹可參考章誕武等[13]、蔡濤[14]的研究。本文在利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)時(shí)，信度為0.1，即在置信水平0.1上，當(dāng)U的絕對(duì)值大于1.645時(shí)，表明其通過了信度0.1的顯著性雙邊檢驗(yàn)。

2.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)法

對(duì)于已知的樣本序列χ1,χ2,…,χn，分別選擇它之前的連續(xù)n1年的值，以及之后的連續(xù)n2年的值，計(jì)算其統(tǒng)計(jì)量T值[15]，見式(3)。

(1)

式中χ1、s1——前n1年的均值和方差；χ2、s2——后n2年的均值和方差。當(dāng)|T|>1.64時(shí)，證明序列出現(xiàn)突變值，即為其極值點(diǎn)。

2.3 用于分析周期性的小波分析方法

小波分析的窗口大小是不變的，形狀是可以改變的?；诟道锶~變換，結(jié)合了窗口函數(shù)(即小波函數(shù))，因而得到了時(shí)間變化以及頻率貢獻(xiàn)[16]，這種方法可以基于變化的時(shí)間尺度研究序列的周期變化規(guī)律。對(duì)于解釋氣候變化的多尺度構(gòu)型和主周期[17]及探究不同的尺度結(jié)構(gòu)[18]有較好的表現(xiàn)，已是目前氣候變化特征中普遍應(yīng)用的方法[19-21]。根據(jù)小波分析結(jié)果可得到小波方差圖，進(jìn)一步得到序列的多級(jí)主周期，同時(shí)可得到與各級(jí)主周期分別對(duì)應(yīng)的小波實(shí)部過程線，而根據(jù)小波實(shí)部過程線可得到各級(jí)主周期對(duì)應(yīng)的周期大小。在小波分析中，小波基函數(shù)的選擇極其關(guān)鍵，而在水文分析中應(yīng)用最廣泛的為Morlet小波[22]。

3 結(jié)果分析

3.1 趨勢(shì)性分析

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)研究區(qū)10個(gè)站點(diǎn)的降水特征值(年降水量、年最大日降水量、年最長連續(xù)降水量、年最長連續(xù)降水日數(shù))進(jìn)行趨勢(shì)分析。具體結(jié)果見表1。

表1 降水特征值的趨勢(shì)分析

由表1可知，該研究區(qū)年降水量序列在鄂托克旗、榆林、定邊3個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其余站點(diǎn)均表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢(shì)；對(duì)于年最大日降水量序列，除榆林、定邊、環(huán)縣、延安之外其余6個(gè)站點(diǎn)均呈減少趨勢(shì)，定邊的變化趨勢(shì)顯著；年最長連續(xù)降水量在鄂托克旗、橫山、環(huán)縣呈不顯著的下降趨勢(shì)，在吳旗呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，其余站點(diǎn)呈不顯著的增加趨勢(shì)；年最長連續(xù)降水日數(shù)在所有站點(diǎn)都存在顯著的減少趨勢(shì)。

研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)各站點(diǎn)1957—2019年的降水特征值序列的變化趨勢(shì)基本一致，大多呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。上述研究顯示降水特征值存在不斷減少的趨勢(shì)，由此可見該區(qū)域干旱發(fā)生可能性會(huì)增加。極端降水事件的變化具有很強(qiáng)的區(qū)域性特征，因此，對(duì)于區(qū)域氣候變化影響評(píng)估的也顯得尤為重要[23]。

3.2 突變分析

由于研究區(qū)的降水特征值序列趨勢(shì)存在一定的變化，因此，進(jìn)一步研究了該研究區(qū)各站點(diǎn)降水特征值序列的突變性，突變性分析的結(jié)果見表2。

表2 降水特征值突變分析

對(duì)于各站點(diǎn)年降水量序列，除了東勝站和延安站，其他站都存在突變，其中有5個(gè)突變點(diǎn)出現(xiàn)在2000年以后，有3個(gè)突變點(diǎn)出現(xiàn)在1964—1978年；對(duì)于年最大日降水量，東勝站、榆林站、定邊站、橫山站、環(huán)縣站等5個(gè)站點(diǎn)存在突變，其中榆林站的突變點(diǎn)出現(xiàn)在2015年，其余4站的突變發(fā)生在1994年以前；對(duì)于年最長連續(xù)降水量，除了東勝站、鹽池站和環(huán)縣站外其他站點(diǎn)存在突變點(diǎn)，其中5個(gè)站點(diǎn)的突變發(fā)生在2006年以后，2個(gè)站點(diǎn)的突變發(fā)生在1985年；對(duì)于年最長連續(xù)降水日數(shù)，除東勝站和環(huán)縣站外其他站都發(fā)生了變異，其中3個(gè)站點(diǎn)突變發(fā)生在1985年以前，5個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)在2006以后。

研究發(fā)現(xiàn)，降水特征值的突變點(diǎn)主要集中在1970—1990年以及2000年以后。20世紀(jì)70—90年代陜北的沙地和黃土高原地區(qū)興建壩庫、梯田等生態(tài)治理工程[24]，而2000年以來，大量退耕還林還草工程不斷實(shí)施，榆林的大部分地區(qū)植被指數(shù)顯著增加[25]。榆林市2000年平均NDVI(normalized difference vegetation index，即歸一化植被指數(shù))為0.271，2017年平均NDVI達(dá)到0.511，增長88.56%，除了沙漠以及用于城鎮(zhèn)建設(shè)的區(qū)域之外，大多數(shù)地區(qū)植被對(duì)降水都表現(xiàn)出較為積極的響應(yīng)[26]。

3.3 周期分析

本文采用連續(xù)小波變化分析降水特征值的周期性規(guī)律，以研究區(qū)中部的鄂托克旗站為例進(jìn)行研究，具體見圖2—5。小波系數(shù)圖中大于0的為正位相，小于0的為負(fù)位相，而等于0的則表示對(duì)應(yīng)降水特征值變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。小波分析能夠展現(xiàn)小波變換系數(shù)的實(shí)部的波動(dòng)變化，表現(xiàn)出研究區(qū)域降水量多少交替變化的特征。

小波變化等值線圖中，較長時(shí)間尺度周期的振蕩，其等值線相對(duì)于較短尺度的更為稀疏。由圖2a可知，鄂托克旗站年降水量存在36 a左右的主周期，8 a以及20 a左右的次周期；由圖2b可以明顯看出這3個(gè)尺度下年降水量存在周期變化；而小波方差圖2c極值點(diǎn)的出現(xiàn)也印證了上述周期變化的結(jié)果。由圖3a可知，鄂托克旗站年最大日降水量存在34 a左右的主周期，8 a以及12 a左右的次周期；由圖3b和圖3c也可以看出，這3個(gè)尺度下年最大日降水量的周期較為顯著。由圖4a可知，鄂托克旗站年最長連續(xù)降水日數(shù)存在35 a左右的主周期，4 a以及8 a左右的次周期；由圖4b、4c也可以看出，這3個(gè)尺度下年最長連續(xù)降水日數(shù)的周期較為顯著。由圖5a可知，鄂托克旗站年最長連續(xù)降水量存在36 a左右的主周期，2、8 a以及12 a左右的次周期；由圖5b、5c也可以看出，這4個(gè)尺度下年最長連續(xù)降水量的周期較為顯著。

a)小波變化等值線

a)小波變化等值線

a)小波變化等值線

a)小波變化等值線

鄂托克旗站不同降水特征值的周期具有一定的相似性，其主周期是35 a左右，次周期大多在2～12 a。對(duì)于該站不同降水特征值的主周期，大致存在相似的規(guī)律，且在1970年及2010年左右的周期性尤為顯著。周期變化特征可能與東亞夏季風(fēng)、厄爾尼諾事件、太陽黑子以及月亮潮汐等的影響有關(guān)[27]。

4 結(jié)語

本文基于毛烏素沙地的10個(gè)氣象站1957—2019年的日降水量，分別選取了年降水量、年最大日降水量、年最長連續(xù)降水量、年最長連續(xù)降水日數(shù)等4個(gè)降水相關(guān)的特征序列進(jìn)行了一致性分析。采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法以及連續(xù)小波分析進(jìn)行趨勢(shì)性、突變性和周期性分析，結(jié)果如下。

a)降水特征值序列大部分呈減少趨勢(shì)，年降水量的變化不顯著，年最長連續(xù)降水日數(shù)有顯著的減少趨勢(shì)。毛烏素沙地是農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型生態(tài)脆弱區(qū)，這種變化趨勢(shì)可能會(huì)引起該地區(qū)氣候條件變化，影響該地區(qū)農(nóng)作物的生長，引起生態(tài)水文條件的變化。

b)各站點(diǎn)降水特征值的顯著突變點(diǎn)主要出現(xiàn)在1970—1990年以及2000年之后。

c)鄂托克旗站的降水特征值周期性相對(duì)較為穩(wěn)定。各特征值序列的主周期大致在35 a左右，次周期大多在2～12 a。

綜上所述，該地區(qū)降水特征值序列的一致性不再滿足，這與當(dāng)?shù)貧夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)都有著重要關(guān)系。本研究可為認(rèn)識(shí)毛烏素沙地的降水變化規(guī)律提供一定的參考，服務(wù)于該地區(qū)生態(tài)保護(hù)、生態(tài)工程建設(shè)和應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的干旱事件。本研究只是對(duì)于降水特征值的變化做了基本分析，氣候變化和人類活動(dòng)如何影響降水變化還需深入的研究。