1956—2016年中國年降水量及其年內(nèi)分配演變特征

杜軍凱，仇亞琴，李云玲，盧 瓊，郝春灃，劉海瀅

(1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報(bào)告[1]指出，人類影響造成的氣候變暖速率前所未有，全球極端天氣與極端氣候事件發(fā)生頻率不斷增強(qiáng)，全球尺度的降水結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[2]，較大程度上影響了區(qū)域水安全和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展[3]。水循環(huán)是聯(lián)系地球系統(tǒng)大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶。降水是水循環(huán)過程的總輸入，研究中國降水的時(shí)空分布與演變格局可為洪澇災(zāi)害應(yīng)對、水資源情勢分析及水生態(tài)修復(fù)等工作提供科技支撐，具有重要的意義。

在降水時(shí)空分布與演變規(guī)律方面，已有較多學(xué)者開展了相關(guān)研究。如在降水年際變化趨勢分析方面，王英等[4]基于730個(gè)氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值法和趨勢分析，結(jié)果表明中國降水量從20世紀(jì)60年代到90年代呈明顯下降趨勢；施雅風(fēng)等[5]總結(jié)了西北地區(qū)氣候變化特征，指出西北地區(qū)氣候向暖濕轉(zhuǎn)型可能是世紀(jì)性的；張強(qiáng)等[6]分析了西北地區(qū)氣候濕化趨勢，指出西北地區(qū)西部和東部從21世紀(jì)開始同時(shí)進(jìn)入增濕期；王米雪等[7]研究了1960—2013年東南沿海地區(qū)年降水量變化特征，指出2000年后東南沿海地區(qū)形成“重旱-重澇并重”的格局。在降水序列突變研究方面，丁一匯等[8]對青藏高原年平均氣溫和降水量序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，研究指出氣候要素突變方向、突變時(shí)間存在較大時(shí)空差異；賈路等[9]認(rèn)為西北地區(qū)降水集中度指數(shù)均值序列存在顯著的突變點(diǎn)；張阿龍等[10]認(rèn)為錫林河和巴拉格爾河流域氣候突變發(fā)生在20世紀(jì)90年代至2010年；Zuo等[11]研究表明，海河流域年降水量系列在1979年發(fā)生突變。在降水年內(nèi)變化研究方面，劉向培等[12]從“信息熵”角度分析了厄爾尼諾與南方濤動(dòng)、太平洋年代際濤動(dòng)對中國降水集中程度的影響；Zhang等[13]定義了降水年內(nèi)集中度和年內(nèi)集中期指數(shù)概念和計(jì)算方法，該方法被廣泛用于區(qū)域年內(nèi)多尺度降水不均勻性和集中程度，以及年際變化規(guī)律等研究中。此外，另有學(xué)者關(guān)注降水分區(qū)區(qū)劃、降水變化的周期性、雨日數(shù)與雨強(qiáng)演變特征、季節(jié)降水結(jié)構(gòu)演變與平穩(wěn)性、城市化對降水的影響，以及極端降水時(shí)空變化特征等[14-19]。

盡管當(dāng)前研究取得了豐碩成果，但在以下幾個(gè)方面仍有待提升。首先，受測站數(shù)量、密度、數(shù)據(jù)系列長度等條件制約，當(dāng)前針對全國范圍的研究較少；其次，中國幅員遼闊，地形、地貌復(fù)雜多變，降水時(shí)空演化具有很強(qiáng)的地帶性特征，相關(guān)規(guī)律亟需總結(jié)；再者，針對降水年內(nèi)豐枯變化的相關(guān)研究有待補(bǔ)充，尤其是汛期降水在長時(shí)間尺度上的演變及其徑流效應(yīng)。鑒于此，本文對氣象站和水文站實(shí)測降水量進(jìn)行月尺度融合，以提升監(jiān)測資料的時(shí)空完整性，系統(tǒng)分析了多項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)空分布格局、地帶性變化特征及其水文效應(yīng)，為揭示中國降水時(shí)空演變規(guī)律提供科技支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文所用的降水量數(shù)據(jù)來源如下：一是國家基本氣象站的逐日數(shù)據(jù)，來源于國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)；二是水文部門上報(bào)的逐月降水量觀測數(shù)據(jù)，來源于全國第三次水資源調(diào)查評價(jià)上報(bào)的降水量數(shù)據(jù)集，時(shí)間序列為1956—2016年；另有水文部門提供典型站點(diǎn)的日尺度觀測信息。對國家基本氣象站和水文-雨量站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，處理原則如下：① 刪除重復(fù)站點(diǎn)，如水文-雨量站與基本氣象站的空間位置相同，則優(yōu)先使用國家基本氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)；② 舍棄監(jiān)測不全的站點(diǎn)，如某站點(diǎn)在設(shè)站年份的監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失1個(gè)月以上，則放棄；③ 時(shí)間尺度統(tǒng)一，將日觀測成果轉(zhuǎn)換到月。按上述原則處理后，共得到4 177個(gè)融合站點(diǎn)(圖1)。本文所用降水量等值線圖來自文獻(xiàn)[20]。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖1 氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Location of the meteorological stations and the terrain landform of China

1.2 分析方法

(1) 趨勢與突變檢驗(yàn)

分別使用Mann-Kendall(后文簡稱MK)趨勢檢驗(yàn)法和PETTITT突變分析法進(jìn)行趨勢和突變檢驗(yàn)。MK趨勢檢驗(yàn)法[21-22]是一種典型的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)方法在氣象和水文領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。PETTITT檢驗(yàn)[23]是一種非參數(shù)的突變檢驗(yàn)方法，構(gòu)造一個(gè)Mann-Whitney 統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)序列的突變點(diǎn)分析。

(2) 集中程度分析

采用降水年內(nèi)分配的集中度(Precipitation Concentration Degree，PCD)指數(shù)和集中期(Precipitation Concentration Period，PCP)指數(shù)來表征降水分布的集中性特點(diǎn)，計(jì)算方法見式(1)和式(2)。PCD指數(shù)取值介于0～1，值越大表示降水年內(nèi)分配越不均勻；PCP指數(shù)以角度為單位，將0°～360°分配到全年12個(gè)月，取值越大表明降水峰值越靠后。

(1)

(2)

式中：DPC,i和PPC,i分別為測站第i年的降水年內(nèi)分配PCD指數(shù)和PCP指數(shù)；rij為第i年第j月的降水量，mm；Ri為第i年的年降水量，mm；θj為第j月中對應(yīng)的角度，角度與1—12月份的對應(yīng)關(guān)系參見文獻(xiàn)[12]。

使用年內(nèi)最大4個(gè)月累積降水量占全年的比例(PEC)指數(shù)來表示站點(diǎn)汛期降水的分布特征，計(jì)算方法見式(3)：

(3)

2 降水量時(shí)空分布

2.1 年降水量分布格局

中國幅員遼闊，東部屬季風(fēng)氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候，降水空間分布不均勻，總體呈“東南高、西北低”的特征。融合后站點(diǎn)降水量與多年平均降水量等值線[20]分布見圖2。多年平均年降水量200 mm等值線為中國干旱區(qū)與半干旱區(qū)的分界線，該線北起內(nèi)蒙古高原中部，大致沿陰山-賀蘭山-六盤山-祁連山-柴達(dá)木盆地-昆侖山一線；多年平均年降水量400 mm等值線沿東北—西南方向斜貫中國全境，系半干旱區(qū)與半濕潤區(qū)分界線，北起大興安嶺，沿燕山-太行山-黃土高原北緣-祁連山東段分布；多年平均年降水量800 mm等值線沿東西方向橫貫全境，系濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)的分界線；多年平均年降水量在800～1 600 mm的區(qū)域主要分布在“秦淮線”以南，包括淮河中下游、長江中下游、四川盆地、云貴高原和廣西大部等地；多年平均年降水量超過1 600 mm的區(qū)域主要分布在東南沿海、湘贛山區(qū)、西南(云南、四川、西藏)部分山區(qū)，其中，海南島部分區(qū)域、臺灣島[20]大部分地區(qū)降水量超過2 000 mm。

2.2 年內(nèi)分配特征

根據(jù)式(1)和式(2)，分別計(jì)算了所有站點(diǎn)逐年月降水量的PCD指數(shù)、PCP指數(shù)和最大4個(gè)月降水量占全年比例，各站點(diǎn)多年平均月降水量的年內(nèi)集中度空間分布見圖3，集中期空間分布見圖4。

(1) 月降水量的年內(nèi)集中度。由圖3可見，各站點(diǎn)PCD指數(shù)為0.077～0.768，大體呈現(xiàn)北高南低的分布格局。0.077≤DPC<0.200的站點(diǎn)主要分布在長江以南，即長江流域、珠江流域、東南諸河區(qū)和西南諸河區(qū)的大部分區(qū)域，另有黃河河源區(qū)、渭河南山支流、伊洛河等流域，以及位于天山北支與中支之間的伊犁河流域。0.200≤DPC<0.320的站點(diǎn)集中分布在遼河區(qū)南部、海河區(qū)東部、淮河區(qū)大部和黃河中游部分區(qū)域，以及阿爾泰山南麓的額爾齊斯河流域。0.320≤DPC<0.520的站點(diǎn)主要分布在西北諸河區(qū)，包括塔里木盆地、柴達(dá)木盆地及黑河上游等內(nèi)陸河流域。0.520≤DPC≤0.768的站點(diǎn)大多散亂分布在400 mm降水等值線兩側(cè)，包括松花江區(qū)西部、遼河區(qū)北部、太行山區(qū)，以及黃河上游大通河與湟水等流域。綜上所見，中國干旱區(qū)域PCD指數(shù)值大，年降水量年內(nèi)分配不均勻性強(qiáng)于降水量豐沛的區(qū)域。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖3 測站月降水量的PCD指數(shù)Fig.3 PCD indexes of monthly precipitation at the meteorological stations

(2) 月降水量的年內(nèi)集中期。由圖4可見，各測站月降水量PCP指數(shù)為116.9°～234.0°，自東南至西北總體呈低—高—低的分布特征，兩邊PCP指數(shù)低、中部高。116.9°≤PPC<150.0°(即集中期在6月中旬以前)的站點(diǎn)集中分布在長江中下游、東南諸河與珠江中下游地區(qū)，這與梅雨氣候有關(guān)。150.0°≤PPC<175.0°(集中期6月中旬至7月中旬)的站點(diǎn)分布在長江中游江北地區(qū)、長三角、珠江中游南嶺南麓區(qū)域、武夷山以東的沿海地帶，以及天山山區(qū)。175.0°≤PPC<190.0°(集中期7月中下旬)的站點(diǎn)分布最廣，沿東北—西南方向斜貫全國，包括東北大部、華北地區(qū)中部、青藏高原東部、四川盆地大部以及云貴高原東緣。190.0°≤PPC≤234.0°(集中期8月上旬至9月中旬)的站點(diǎn)主要分布在黃河流域大部、山東半島和遼東半島沿海地帶、太行山區(qū)大部、金沙江上游、西南諸河以及海南島等區(qū)域。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖4 測站月降水量的PCP指數(shù)分布Fig.4 Distribution of PCP indexes of monthly precipitation at the meteorological stations

(3) 最大4個(gè)月累積降水占比。由圖5可見，各測站PEC指數(shù)介于53.7%～97.8%，空間分布與PCP指數(shù)類似，總體呈西北高、東南低的格局。53.7%≤CPE<65.0%的站點(diǎn)絕大多數(shù)分布在長江中下游和東南諸河區(qū)，少部分位于南嶺以南的柳江、西江流域，以及地處西北的天山山區(qū)。65.0%≤CPE<75.0%的站點(diǎn)在上一分級(53.7%～<65.0%)的外層，東北地區(qū)主要分布在長白山以東，中部集中在祁連山東側(cè)-秦嶺-淮河沿線，以及西南的四川盆地、云貴高原大部，華南的珠江流域大部等區(qū)域。75.0%≤CPE<85.0%的站點(diǎn)分布在東北平原、華北平原、黃土高原大部，以及西南的金沙江流域等。85.0%≤CPE≤97.8%的站點(diǎn)分布在大興安嶺山區(qū)、河套平原、柴達(dá)木盆地西部和塔里木盆地，以及青藏高原西南部等廣袤地區(qū)。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖5 測站PEC指數(shù)分布Fig.5 Distribution of proportion indexes of the maximum accumulated precipitation in 4 months to annual precipitation

3 降水量時(shí)空演變

3.1 年降水量序列的趨勢性

采用MK檢驗(yàn)法對年降水量序列進(jìn)行趨勢分析，共有337個(gè)站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)(顯著性水平α=0.05，詳見圖6)。通過顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)中，呈顯著增加趨勢的站點(diǎn)共142個(gè)，各站點(diǎn)年降水量的年際變化梯度為2.9～8.5 mm/a；呈顯著減少趨勢的站點(diǎn)共195個(gè)，變化梯度為-11.7～-2.0 mm/a。在空間分布上，各站點(diǎn)年降水量的變化趨勢的規(guī)律性較強(qiáng)，自東南到西北明顯呈“增—減—增”的3個(gè)條帶。

據(jù)圖6可知，站點(diǎn)年降水量顯著減少的條帶位于中部，從中國東北地區(qū)向西南綿延至邊境區(qū)域。站點(diǎn)年降水量顯著增加的條帶有2個(gè)，分別位于西北和東南地區(qū)：西北地區(qū)各站點(diǎn)變化趨勢在空間上比較一致，基本呈增加態(tài)勢；東南地區(qū)以增加為主，但空間變異性更強(qiáng)，沿海少數(shù)站點(diǎn)呈減少趨勢。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖6 測站年降水量序列的MK趨勢檢驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Mann-Kendall trends of annual precipitation series at the meteorological stations

3.2 年降水量序列的突變性

采用PETTITT檢驗(yàn)法對年降水量序列進(jìn)行突變分析，共有282個(gè)站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)(顯著性水平α=0.05，詳見圖7)。各站點(diǎn)突變年份介于1965—2005年，具體如下：1965—1969年的站點(diǎn)共2個(gè)；1970—1979年的站點(diǎn)共70個(gè)；1980—1989年的站點(diǎn)共128個(gè)；1990—1999年的站點(diǎn)共58個(gè)；2000—2005年的站點(diǎn)共24個(gè)。對比圖6和圖7可知，在空間分布上，發(fā)生突變的站點(diǎn)與趨勢變化顯著的站點(diǎn)比較一致。這意味著站點(diǎn)年降水序列的趨勢性變化大多與突變相伴。

3.3 最大4個(gè)月累積降水量占比變化

針對序列超過50 a的2 575個(gè)測站，計(jì)算各站點(diǎn)1960—1969年、2007—2016年平均PEC指數(shù)及其相對變幅。以1960—1969年為基準(zhǔn)，2007—2016年平均PEC指數(shù)相對變幅超出±10%的站點(diǎn)共有123個(gè)，空間分布見圖8。其中，共106個(gè)站點(diǎn)的PEC指數(shù)下降超過10%，共17個(gè)站點(diǎn)的PEC指數(shù)增加10%。PEC指數(shù)變幅超出±10%的站點(diǎn)空間分布同樣具有較強(qiáng)的地帶性特征。減幅超過10%的站點(diǎn)大多數(shù)位于北方地區(qū)，少部分位于南方地區(qū)；這些站點(diǎn)空間分布與200 mm和400 mm年降水量等值線走勢基本一致，集中分布在2條等值線兩側(cè)，如海河流域與黃河流域過渡地帶、三江源地區(qū)，以及天山西段、阿爾泰山之間的廣大區(qū)域。增幅超過10%的站點(diǎn)集中分布在南方地區(qū)，大多數(shù)位于800 mm等值線之南。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖7 測站年降水量序列的PETTITT突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of PETTITT abrupt detections of annual precipitation series at the meteorological stations

200 mm、400 mm多年平均年降水量等值線分別是中國半干旱與干旱區(qū)、半濕潤與半干旱區(qū)的分界線，PEC指數(shù)從月尺度上反映了汛期降水的集中性。上述分析結(jié)果表明，在中國北方較為干旱的區(qū)域，站點(diǎn)年降水量的年內(nèi)分配呈現(xiàn)一定程度的“平均化”傾向，汛期降水占比下降，非汛期降水占比增加。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2022)4307號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖8 測站2007—2016年平均PEC指數(shù)較1960—1969年均值的變化Fig.8 Relative change of the mean PEC index from 2007 to 2016 compared with that from 1960 to 1969

4 討 論

4.1 合理性分析

(1) PCP指數(shù)和PCD指數(shù)分析結(jié)果的合理性。降水PCD指數(shù)和PCP指數(shù)分布與氣候類型密切相關(guān)，中國的降水主要受夏季風(fēng)控制，具有雨熱同季特點(diǎn)。習(xí)慣上，中國將大興安嶺-陰山山脈-賀蘭山-烏鞘嶺-巴顏喀拉山-唐古拉山-岡底斯山系作為季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)的分界線[24](圖4)。春季，中國大部分地區(qū)冷空氣較強(qiáng)，來自海洋的暖濕氣流在華南、東南一帶與之交鋒，這些區(qū)域進(jìn)入降水集中的第1個(gè)時(shí)段，即春雨期；隨時(shí)間推移，季風(fēng)強(qiáng)度不斷加大，暖濕氣流在初夏時(shí)節(jié)運(yùn)動(dòng)到江淮地區(qū)，產(chǎn)生梅雨鋒面系統(tǒng)，形成1條降水豐富的鋒面雨帶；暖濕氣流在夏、秋季節(jié)到達(dá)東北、華北和西北部分地區(qū)時(shí)，集中產(chǎn)生夏雨和秋雨；之后，夏季風(fēng)強(qiáng)度不斷減弱，雨帶重回東南、西南和華南等地。總體而言，降水年內(nèi)分配過程存在多峰的地區(qū)，集中度較低、集中期較早，反之則集中度較高，集中期相對延后。

據(jù)圖4可知，中國季風(fēng)區(qū)降水體現(xiàn)出時(shí)空上的高度集中性[25]，東北、華北和西南等地區(qū)月降水的PCP指數(shù)值大多高于非季風(fēng)區(qū)。月降水量PCP指數(shù)空間分布與季風(fēng)活動(dòng)密切相關(guān)，如梅雨氣候控制的江南、江淮和長江中下游地區(qū)(見《梅雨監(jiān)測指標(biāo)：GB/T 33671—2017》)集中期明顯提前至6—7月。海南島雨源主要有鋒面雨、熱雷雨和臺風(fēng)雨等類型，每年5—10月為多雨期，其中臺風(fēng)多發(fā)生在8—10月[26]。受臺風(fēng)調(diào)節(jié)，海南島月降水量集中期相對偏后。自東南向西北跨過分界線后，非季風(fēng)區(qū)月降水集中期有所提前。如北疆的天山和阿爾泰山地區(qū)，其降水受盛行西風(fēng)控制，月降水PCP指數(shù)明顯低于東北和華北等地。

與已有成果進(jìn)行對比，劉向培等[12]指出40°N附近是中國年降水集中度分布的高值區(qū)，35°N以南是其分布的低值區(qū)；張?zhí)煊畹萚27]指出華北地區(qū)年內(nèi)各候降水PCD指數(shù)為0.19～0.58，PCP指數(shù)多集中在7月；張運(yùn)福等[28]指出東北地區(qū)年內(nèi)各旬降水量PCD指數(shù)為0.59～0.79，PCP指數(shù)集中在7月中到8月上；張錄軍等[29]的研究結(jié)果表明，長江流域年內(nèi)各旬降水量的PCD指數(shù)為0.35～0.51，PCD指數(shù)集中在4—7月；楊金虎等[30]指出西北五省(區(qū))絕大部分地區(qū)年內(nèi)各月降水量的PCD指數(shù)為0.16～0.76，PCP指數(shù)集中在6—7月。本文有關(guān)PCP指數(shù)計(jì)算結(jié)果與已有成果一致，PCD指數(shù)計(jì)算結(jié)果比部分文獻(xiàn)偏低。究其原因，PCD指數(shù)計(jì)算結(jié)果受時(shí)段長短的影響，時(shí)間尺度越大(如侯—月—年)，其取值則越低。為提升監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)空完整性，本文據(jù)月尺度降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，故PCD指數(shù)計(jì)算結(jié)果偏低。

(2) 年降水量系列趨勢分析結(jié)果的合理性。與年降水量系列趨勢分析相關(guān)成果進(jìn)行對比，王米雪等[7]的研究表明，中國東南沿海地區(qū)降水呈波動(dòng)上升趨勢，年際增速約為1.91 mm/a；徐東坡等[15]的研究表明，中國西北地區(qū)和西藏等區(qū)域年降水系列存在顯著增加趨勢，華北和東北部分地區(qū)降水量呈減少趨勢，上述成果與3.1節(jié)的趨勢分析結(jié)果一致。本文得出全國降水年際變化在空間分布上呈“增—減—增”條帶狀分布的結(jié)論，與《中國氣候變化藍(lán)皮書2021》[31]有關(guān)中國年降水量變化速率分布圖是一致的。為進(jìn)一步分析趨勢檢驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，本文將北京、鄭州和廣州3個(gè)氣象站的監(jiān)測資料延長到2020年，對比1956—2016年序列與1956—2020年序列的異同，結(jié)果見表1。據(jù)表1可知，同一測站不同序列降水量的年際變化梯度值有所差別，但其序列增/減趨勢及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果是一致的。需要說明的是，降水演變過程和機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，針對1956—2016年序列的分析結(jié)果在未來是否能持續(xù)，仍有待開展進(jìn)一步的研究。

表1 典型站點(diǎn)不同序列趨勢分析結(jié)果

(3) 降水變化與季風(fēng)強(qiáng)度變化的關(guān)系。中國降水的趨勢性與突變性變化與季風(fēng)氣候的變化密切相關(guān)。東亞夏季風(fēng)在1961—2020年間總體呈減弱趨勢[31]，在20世紀(jì)60年代初至70年代后期偏強(qiáng)，在70年代末期至21世紀(jì)初偏弱，之后轉(zhuǎn)強(qiáng)。中國東北地區(qū)、華北地區(qū)和西南地區(qū)降水量與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[32]，西風(fēng)帶的水汽輸送為中國西北大部分地區(qū)提供了基本的水汽來源[33]，熱帶氣旋降水量是中國東南沿海地區(qū)降水的重要組成部分。從地域分布分析，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱是年降水量減少條帶呈“東北—西南”分布(圖6)的重要原因。類似地，郝立生等[34]認(rèn)為東亞夏季風(fēng)減弱使得從南邊界進(jìn)入的水汽通量大量減少，進(jìn)而導(dǎo)致了華北地區(qū)降水量減少；Zhang等[35]的研究表明，中國西北地區(qū)的西風(fēng)環(huán)流和垂直方向的上升氣流呈增強(qiáng)趨勢，給西北地區(qū)輸送了更多的水汽，導(dǎo)致區(qū)域降水量偏多。青藏高原的水汽來源[36]包括海源、陸源和再循環(huán)水汽三大部分，關(guān)于高原降水量增加的原因，眾多學(xué)者認(rèn)識不一：如Zhang等[37]認(rèn)為大尺度環(huán)流變化導(dǎo)致的水汽輸送增加是主因；湯秋鴻等[38]認(rèn)為西南季風(fēng)控制區(qū)和高原區(qū)本地水汽貢獻(xiàn)增加是主因；黃偉[39]研究指出中國東南沿海地區(qū)熱帶氣旋降水強(qiáng)度顯著增加，這可能是該區(qū)域降水偏多的重要原因。

已有研究表明，西北地區(qū)年降水量系列突變點(diǎn)多發(fā)生在20世紀(jì)80年代和90年代，東北地區(qū)年降水系列突變點(diǎn)多發(fā)生在1980—1988年[15，40]；長江流域8個(gè)降水變化敏感區(qū)年降水量系列的突變點(diǎn)發(fā)生在1977—1998年；黃河流域上、中、下游年降水量系列突變點(diǎn)發(fā)生年份波動(dòng)較大，變化范圍介于1965—1995年[41-42]。本文成果與上述文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果總體一致，20世紀(jì)80年代是測站年降水系列突變較集中的一個(gè)時(shí)期，這與季風(fēng)強(qiáng)度年代際轉(zhuǎn)換有關(guān)。李明聰?shù)萚43]的研究結(jié)果表明，東亞夏季風(fēng)關(guān)系在20世紀(jì)70年代末發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)變，南亞季風(fēng)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)生了“強(qiáng)—弱”轉(zhuǎn)換。此外，由于數(shù)據(jù)來源、系列長度、突變分析方法存在差異，不同文獻(xiàn)的分析結(jié)果有所不同。

4.2 汛期降水變化的尺度效應(yīng)

2000年以來，中國極端天氣現(xiàn)象頻現(xiàn)，出現(xiàn)諸如北京 “7·21”特大暴雨、鄭州“7·20”特大暴雨和廣州“5·22”特大暴雨等多個(gè)極端降水事件。為進(jìn)一步探究汛期降水變化的尺度效應(yīng)，本文選取分別位于北京市(A站)、鄭州市(B站)和廣州市(C站)的3個(gè)典型氣象站，以1960—2021年逐日降水量序列為基礎(chǔ)，分析年內(nèi)連續(xù)3 d、連續(xù)5 d和連續(xù)7 d最大降水量的代際變化特征，各年段相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值見表2。

典型測站年內(nèi)連續(xù)3、5、7 d最大降水量在代際間呈波動(dòng)變化，但近期(2010—2021年均值)均處于全序列(1960—2021年)高值區(qū)。其中，A站和B站歷史最大暴雨事件恰好發(fā)生在此時(shí)段內(nèi)，拉高了近期平均水平；C站自1970年以后，日尺度降水集中度出現(xiàn)較穩(wěn)定增長。年內(nèi)連續(xù)3、5、7 d最大降水量指標(biāo)的空間異質(zhì)性較強(qiáng)。A站連續(xù)3 d降水量在代際間呈先減后增特點(diǎn)，從60年代的136.2 mm減至2000—2009年的年均82.0 mm，再增長到2010—2021年的年均142.9 mm；B站則不同，連續(xù)3 d降水量在代際間基本呈增長趨勢；C站位于濕潤區(qū)，代際間波動(dòng)性小于A站和B站。

表2 典型站點(diǎn)連續(xù)3—7 d降水量最大值統(tǒng)計(jì)

典型測站的分析結(jié)果與前文“106個(gè)站點(diǎn)月尺度降水呈現(xiàn)一定程度的均化傾向”并不沖突。二者相結(jié)合，恰好說明汛期降水演變復(fù)雜的時(shí)間尺度效應(yīng)：在月尺度上，汛期降水減少，非汛期降水增加；在日尺度上，汛期降水量和波動(dòng)幅度加大，天氣事件的極端性增強(qiáng)。

4.3 降水與徑流變化的同步性

降水是水循環(huán)的總輸入，經(jīng)截留、入滲、蒸發(fā)、產(chǎn)流和匯流等過程后轉(zhuǎn)化為徑流，這決定了徑流變化過程往往與降水同步，且波動(dòng)性更強(qiáng)。鑒于此，本文選擇跨多個(gè)水資源一級區(qū)的12個(gè)水文站(站點(diǎn)空間分布見圖1)，使用MK趨勢檢驗(yàn)法分析了徑流演變特征，進(jìn)一步驗(yàn)證降水趨勢分析成果(見章節(jié)3.1)。各水文站1956—2016年還原徑流序列時(shí)程變化見圖9，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖9 典型水文站還原年徑流量的年際變化Fig.9 Interannual changes of the naturalized annual runoff series at the 12 hydrological stations

圖6結(jié)果顯示，1956—2016年降水量顯著減少的195個(gè)站點(diǎn)沿“東北—西南”方向斜貫全國，呈現(xiàn)出1個(gè)降水減少條帶，其兩側(cè)各有1個(gè)降水增加條帶，分別位于中國的東南與西部地區(qū)。結(jié)合水文站點(diǎn)位置(圖1)和徑流變化特征(表3)可知，位于訥謨爾河的德都站、遼河西段的烏敦套海站、潮白河的張家墳站、滹沱河的黃壁莊水庫站、漳河的觀臺站、涇河的張家山站、黃河干流的頭道拐站、白龍江的廣元站和岷江的高場站等共9個(gè)站點(diǎn)集中分布在此“降水減少”條帶上。該9個(gè)站還原徑流量序列的年際變化梯度值為-2.35億～-0.09億m3/a，相應(yīng)Z統(tǒng)計(jì)量為-5.55～-2.21，均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中7個(gè)站通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。與之相反的是，富屯溪(閩江支流)的七里街站、賀江(西江支流)的平樂站、疏勒河的昌馬堡站(突變年份1991年)等分別位于中國東南和西北的“降水增加”條帶上，該3個(gè)站還原徑流量系列的年際變化梯度值為0.10億～3.21億m3/a，相應(yīng)Z統(tǒng)計(jì)量為2.09～5.87，均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中2個(gè)站通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

表3 代表水文站還原年徑流量的年際變化

綜合前文分析成果，降水量年際間顯著減少條帶(圖6)、PEC指數(shù)減少超過10%條帶(圖8)相重疊的地帶，大多位于中國北方的遼河、海河與黃河流域等非濕潤區(qū)。由于這些區(qū)域以超滲產(chǎn)流機(jī)制為主，汛期降水量占比的下降，勢必影響到流域產(chǎn)流量。所用12個(gè)水文站的空間分布、還原徑流量序列變化趨勢、顯著性檢驗(yàn)結(jié)果與降水高度一致，這從側(cè)面反映了本文成果的合理性。同時(shí)需要指出的是，徑流變化受氣候、地形、地質(zhì)、地表覆被和地下水動(dòng)態(tài)變化等下墊面因素以及經(jīng)濟(jì)社會取、用水的多維綜合影響。以昌馬堡站為例，李洪源等[44]研究表明，氣溫升高、降水偏多是該站徑流增加的主要原因，且冰川融水對徑流增加的貢獻(xiàn)占比為48%，非冰川區(qū)降水增加的貢獻(xiàn)率為52%。受資料和研究深度限制，本文定性分析了典型站點(diǎn)降水和徑流變化的同步性，下一步擬結(jié)合分布式水文模型進(jìn)行徑流演變的定量歸因。

5 結(jié) 論

本文采用趨勢分析、突變檢驗(yàn)和年內(nèi)分配向量法等方法，基于融合后的4 177個(gè)降水測站長系列逐月降水量觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了1956—2016年中國年降水量及其年內(nèi)分配演變特征，主要結(jié)論如下：

(1) 中國降水時(shí)空分布不均，自東南到西北，年降水量總體遞減，降水年內(nèi)分布集中度遞增。站點(diǎn)年降水量序列的變化趨勢呈現(xiàn)較強(qiáng)的地帶性，自東南到西北呈“增—減—增”的3個(gè)條帶。顯著增加的條帶分別位于東南和西部地區(qū)，顯著減少的條帶位于中部，從東北地區(qū)向西南綿延至邊境。年降水序列的趨勢性變化大多伴隨著突變，發(fā)生在20世紀(jì)80年代的站點(diǎn)最多。

(2) 沿200 mm和400 mm年降水量等值線，中國北方出現(xiàn)1個(gè)“汛期降水減少”條帶，但其時(shí)間尺度效應(yīng)較強(qiáng)。在月尺度上，站點(diǎn)汛期降水占比下降，非汛期降水占比增加；而在日尺度上則相反，連續(xù)3—7 d累積降水量的波幅加大，表明降水事件的極端程度在增強(qiáng)。

(3) 降水序列變化與徑流的同步性較好，中國西北和東南地區(qū)年降水量呈增加趨勢，典型水文站的還原徑流量同步增加。年降水量顯著減少、且最大4個(gè)月累積降水量占比指數(shù)減少超過10%的區(qū)域集中在北方的遼河、海河與黃河流域等非濕潤區(qū)，相應(yīng)水文斷面的還原徑流量顯著減少。

致謝：本文撰寫過程中得到了氣象共享數(shù)據(jù)網(wǎng)和全國第三次水資源調(diào)查評價(jià)全國技術(shù)組的數(shù)據(jù)支持，在此致謝!