山西省年降水分區(qū)及趨勢特征

馮存峨，任建成*，盧曉寧

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.濱州市氣象局，山東 濱州 256612；3.成都信息工程大學，四川 成都 610225)

0 引言

【研究意義】氣候是某一地區(qū)多年時段大氣的一般狀態(tài)，是該時段各種天氣過程的綜合表現(xiàn)。氣象要素的各種統(tǒng)計量是表述氣候的基本依據。隨著全球變暖，氣候變化日益成為學術界的熱點問題[1-4]。降水是氣候最重要的要素之一。山西省地處華北西部的黃土高原東翼，地貌從總體看是被黃土廣泛覆蓋的山地高原，省內降水分布受地形影響較大。因此，從整體上對山西省的降水進行研究難以把握，故對不同區(qū)域分別進行研究具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】對于各地降水特征已有大量研究并取得大量成果。吳金華等[5]探究我國東北地區(qū)近60年氣溫和降水的時空變化特征發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)年均溫呈顯著上升趨勢，而除大興安嶺北部外的絕大多數區(qū)域的降水量均呈下降趨勢。董旭光等[6]研究山東省近50年來降水事件變化特征發(fā)現(xiàn)，其年降水日數和強度存在明顯的年代際振蕩，降水日數總體呈極顯著減少趨勢。趙靜怡等[7]對武漢市降水變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，武漢市年降水量呈緩慢增大趨勢，20世紀80年代的年降水量可能存在突變。對于山西省降水，李芬等[8]研究山西1958—2013年降水的變化特征發(fā)現(xiàn)，山西省年降水量下降幅度顯著高于全國水平。苗愛梅等[9]對山西不同歷時強降水的統(tǒng)計特征及趨勢變化進行分析發(fā)現(xiàn)，山西省降水極值空間分布具有山區(qū)大于盆地、南部大于北部，時效越短，極值分布的局地性越強等特點。旋轉經驗正交函數分解(Rotated Empirical Orthogonal Function，簡稱REOF)是常用的氣候分區(qū)方法之一[10]。近年來，國內外學者應用REOF方法在氣候分區(qū)領域取得豐碩成果[11-16]。李國文等[11]采用REOF分析江西主汛期降水趨勢的區(qū)域特征；蔡元剛等[12]研究四川省高溫熱浪時空分布特征；劉曉瓊等[13]采用REOF-EEMD研究西南地區(qū)氣候變化區(qū)域分異特征；趙峰等[14]研究黃河中下游地區(qū)旱澇空間分布特征。【研究切入點】目前已有研究主要集中于對山西省降水整體趨勢、過程及極值等方面的分析，鮮見對山西省降水特點進行分區(qū)的研究。【擬解決的關鍵問題】采用REOF方法對山西省年降水進行分區(qū)，并對不同分區(qū)的降水趨勢特征進行分析研究，以期為當地農業(yè)生產及氣候預測提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省(34°34′～40°44′N，110°14′～114°33′E)位于華北地區(qū)，境內是較為典型的黃土覆蓋的山地高原，地勢大致呈由東北向西南傾斜的平行四邊形。高原內有平原、丘陵和山地等多種地貌，山區(qū)面積占總面積的80%以上。山西省是內陸省份，地處中緯度，受溫帶季風氣候和溫帶大陸性氣候的共同影響，氣候南北差異較大，同時具有雨熱同期和四季分明的特點。山西省年平均氣溫總體上由北向南逐漸升高，由盆地向山地逐漸升高；全省各地年降水量季節(jié)分布不均，降水主要集中于夏季，約占全年降水量的1/2以上，且地形是影響山西省降水的主要因素。

1.2 降水數據

1981—2020年山西省18個國家基準、基本地面氣象觀測站逐月的降水數據，來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)。

1.3 研究方法

REOF(Rotated Empirical Orthogonal Function，即旋轉經驗正交函數分解)方法是一種很好的且常用的區(qū)域氣候類型分區(qū)方法，其在對時空向量場進行EOF(Empirical Orthogonal Function，簡稱EOF)分解的基礎上，對原矩陣進行極大方差旋轉，使同一空間模態(tài)下高載荷向量場(≥0.6)均集中在部分區(qū)域的少數變量中，其余地區(qū)則均接近于0。經旋轉之后的特征場在時間上更為穩(wěn)定，空間分布結構更為清晰，能突出氣候要素的局域分布特征。研究先將1981—2020年的逐月降水數據按1年12個月的降水量值累加得到年降水量數據，為了更加直觀地表現(xiàn)降水的時空變化特征，對年降水數據進行距平計算，把距平值按氣象站×年份組成矩陣序列，然后參照文獻[7-9]對該矩陣進行REOF分區(qū)分解，并進行空間模態(tài)的顯著性檢驗。再依次運用Arcgis對統(tǒng)計量進行克里金(Kriging)插值分析揭示統(tǒng)計量的空間分布特征，運用線性趨勢分析揭示統(tǒng)計量的趨勢特征，運行Manner-Kendall(下稱M-K)突變檢驗法[17-18]檢驗統(tǒng)計量的突變特征(α=0.05)；最后運用Morlet小波分析[11]研究統(tǒng)計量的周期性趨勢特征。

2 結果與分析

2.1 山西省年降水量的空間分布特征

從封三圖Ⅰ看出，1981—2020年山西省各地年均降水量為386～700 mm，各地降水分布很不均勻，大致上從東南部及東部偏北的五臺山地區(qū)向西向北呈逐漸減少趨勢。受山地氣候影響，五臺山地區(qū)為山西省年降水最豐富的地區(qū)，而大同地區(qū)由于處在五臺山的背風坡，位置偏北，受遠離海洋暖濕氣流的影響，因此，年降水量最少，是山西省年降水量最少的地區(qū)。

2.2 山西省年降水場的客觀分區(qū)

從表1看出，山西省年降水場進行EOF分解后前3個模態(tài)通過North顯著性檢驗，累計方差貢獻率達69%，可以較好地表征山西省年降水場的空間分布特征。對原降水距平矩陣進行極大方差旋轉，旋轉后各模態(tài)的方差貢獻率存在一定差別但差異較小，其中模態(tài)1的方差貢獻率下降18百分點，模態(tài)2和模態(tài)3的方差貢獻率分別上升5百分點和14百分點，可以根據旋轉后高載荷向量場分布特征，將山西省年降水場分為3個區(qū)(封三圖Ⅱ)。Ⅰ區(qū)，位于山西省南部(下稱南區(qū))，該區(qū)受南方暖濕氣流的影響最大，是山西省年降水量最豐富的地區(qū)，屬于半濕潤區(qū)和溫帶季風氣候。Ⅱ區(qū)，位于山西省北部(下稱北區(qū))，該區(qū)位于五臺山、恒山山脈的背風坡，南方暖濕氣流難以到達，是山西省年降水量最少的地區(qū)，屬于半干旱區(qū)和溫帶大陸性氣候。Ⅲ區(qū)，位山西省中部(下稱中區(qū))，該區(qū)受南方暖濕氣流和山地地形的共同影響，是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的過渡地帶。

表1 山西省年降水場EOF及REOF分解前3個模態(tài)的方差貢獻率

2.3 山西省年降水分區(qū)的變化特征

2.3.1 線性趨勢及突變 從圖1看出1981—2020年山西省3個降水分區(qū)年均降水量的變化特征。

圖1 山西省各降水分區(qū)降水線性趨勢及M-K突變分析

1)南區(qū)。年均降水量為523 mm，2003年和1997年分別為降水最多(835 mm)和最少(305 mm)年份。線性趨勢表現(xiàn)出該區(qū)年降水量呈不顯著減少趨勢，趨勢率為2.472 mm/10a。UF(K)線和UB(K)線的交點較多，說明該區(qū)年降水量可能存在多個突變點，最近一次突變出現(xiàn)在2016年。

2)北區(qū)。平均年降水量為433 mm，2013年和1993年分別為降水最多(559 mm)和最少(306 mm)年份。線性趨勢表現(xiàn)出該區(qū)年降水量呈顯著增加趨勢，趨勢率為19.658 mm/10a。突變發(fā)生在2011年，且UF(K)線在2018年以后通過臨界值(uα=1.96)，說明該區(qū)年降水量在2018年以后增加趨勢更加明顯。

3)中區(qū)。平均年降水量為517 mm，1988年和1997年分別為降水最多(681 mm)和最少(293 mm)年份。線性趨勢表現(xiàn)出該區(qū)年降水量呈不顯著上升趨勢，趨勢率為11.295 mm/10a。UF(K)線和UB(K)線交點較多，說明該區(qū)年降水量可能存在多個突變點，最近一次突變出現(xiàn)在2019年。

2.3.2 周期性特征 從封三圖Ⅲ看出，1981—2020年山西省3個區(qū)年降水量均存在多尺度周期變化特征。

1)南區(qū)。年降水量存在7～10年、11～14年、21～24年和27～29年的周期信號，主周期分別為28年、22年、8年和13年，在28年和22年主周期上，目前正處在偏干期，而在8年和13年的時間尺度上，目前正處在偏濕期，預測南區(qū)短期內以降水偏多為主，而長期則呈降水持續(xù)偏少趨勢。

2)北區(qū)。年降水存在5～7年、17～20年和27～29年的周期信號，主周期分別為28年、18年和6年，在28年主周期上，目前正處在偏干末期，而在6年時間尺度上，目前正處在偏濕期，預測北區(qū)短期內以降水偏多為主，而長期則呈由偏少轉向偏多趨勢。

3)中區(qū)。年降水主要存在5～8年和27～31年的周期信號，其中主周期為28年和6年，在28年時間尺度上，目前正處在偏干的末期，在6年的時間尺度上，正處在偏干期，預測未來短期內降水以偏少為主，而長期則呈由偏少轉向偏多趨勢。

3 討論

對山西省年降水場進行EOF分解，前3個模態(tài)可以通過North顯著性檢驗，EOF特征向量空間分布與李芬等[8]的研究基本一致，但研究使用了較新的氣象數據，對山西省年降水場進行分區(qū)，揭示了山西省年降水場的地域特點。本研究對山西省各降水分區(qū)降水量的趨勢及周期性特點的分析結論，目前尚查閱不到相關的研究資料，這是對前人研究成果的補充。

另外，山西省地形較為復雜，限于氣象站點數量，氣候分區(qū)存在一定的局限性；Morlet小波的結果一般存在多重時間尺度上的復雜嵌套結構，且在不同的尺度周期中表現(xiàn)出不同的振蕩規(guī)律。該研究使用的降水數據序列時間尺度較短，故周期性變化的時間尺度也相對較小。因此，未來有必要通過更加精細的網格數據，進一步驗證降水分區(qū)及趨勢結論。

4 結論

山西省年降水量為386～700 mm，空間分布不均勻，從東南部及東部偏北的五臺山地區(qū)向西向北呈逐漸減少趨勢。其年降水場可分為3個區(qū)：Ⅰ區(qū)，位于山西省南部，年均降水量為523 mm，是山西省年降水量最為豐富的地區(qū)，屬于半濕潤區(qū)和溫帶季風氣候；該區(qū)年降水量呈不顯著減少趨勢，趨勢率為2.472 mm/10a，且降水可能存在多個突變，最近一次突變出現(xiàn)在2016年。Ⅱ區(qū)，位于山西省北部五臺山和恒山的背風坡，年均降水量為433 mm，是山西省降水最少的地區(qū)，屬于半干旱區(qū)和溫帶大陸性氣候；該區(qū)年降水量呈顯著上升趨勢，趨勢率為19.658 mm/10a；降水突變發(fā)生在2011年，且年降水量在2018年后上升趨勢更加明顯。Ⅲ區(qū)，位于山西省中部，年均降水量為517 mm，是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的過渡地帶，該區(qū)降水呈不顯著上升趨勢，趨勢率為11.295 mm/10a；降水存在多個突變，最近一次突變出現(xiàn)在2019年。

山西省3個區(qū)域年降水量均存在多尺度周期變化特征，其中Ⅰ區(qū)主周期為28年、22年、8年和13年；Ⅱ區(qū)主周期為28年、18年和6年；Ⅲ區(qū)主周期為28年和6年。