秦嶺山地夏季降水的時空變化特征及其氣候歸因

孟清 彭曉邦 張善紅

摘 要：探究秦嶺山地夏季降水及其大氣歸因，是為了研究區(qū)域環(huán)境對全球氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。根據(jù)1959—2022年陜西省秦嶺山地32個氣象站點數(shù)據(jù)和15個大氣環(huán)流指數(shù)，運用一元線性回歸法和小波變換分析法（CWT），研究了秦嶺山地64年來夏季降水的時間變化特征和空間演變規(guī)律及其與大尺度環(huán)流指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，1959—2022年秦嶺山地夏季降水呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢，一元線性回歸法的變化速率為10.81 mm/10 a。其中，秦嶺山地南坡的商南站降水量變化率最大，為19.3 mm/10 a。秦嶺山地夏季平均降水量為344.34 mm。位于秦嶺山地南坡的紫陽縣降水量最大，約為469.35 mm。位于秦嶺山地北坡的華陰縣降水量最少，約為216.51 mm。秦嶺山地南坡夏季降水明顯多于北坡，降水量約為107.68 mm。南坡夏季平均降水量約為377.99 mm，北坡夏季平均降水量約為270.31 mm，均未通過顯著性檢驗。秦嶺山地64年來的夏季降水量與SOI、SAODI、SWACI均有較強的正相關(guān)關(guān)系，與EASMI、SCSMI、SASMI均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：夏季降水；大氣環(huán)流；秦嶺山地

中圖分類號：P426.614 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-0033（2024）02-0001-08

引用格式：孟清，彭曉邦，張善紅.秦嶺山地夏季降水的時空變化特征及其氣候歸因[J].商洛學(xué)院學(xué)報，2024，38（2）：1-8.

The Spatio-temporal Variation Characteristics and Climate Attributions of Summer Precipitation in the Qinling Mountains

MENG Qing， PENG Xiao-bang， ZHANG Shan-hong

（School of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering / Shangluo Carbon Neutralization Engineering Technology Research Center， Shangluo University， Shangluo? 726000， Shaanxi）

Abstract： Exploring the summer precipitation and its atmospheric attributions in the Qinling Mountains has research value and significance for studying the response of the regional environment to global climate change. Based on data from 32 meteorological stations and 15 atmospheric circulation indices in the Qinling Mountains of Shaanxi Province from 1959 to 2022， univariate linear regression method and wavelet transform analysis （CWT） are used to study the temporal and spatial evolution characteristics of summer precipitation in the Qinling Mountains over the past 64 years， as well as its relationship with large-scale circulation indices. The conclusions obtained are as follows： summer precipitation in the Qinling Mountains has shown an insignificant upward trend in the past 64 years from 1959 to 2022， and the change rates of the univariate linear regression method is 10.81 mm/10 a. It was found that the precipitation change rate at Shangnan Station on the southern slope of the Qinling Mountains is the highest， with a change rate of 19.3 mm/10 a. The average summer precipitation in the Qinling Mountains region has been 344.34 mm. Ziyang County， located on the southern slope of the Qinling Mountains， has the highest precipitation， approximately 469.35 mm. Huayin County， located on the northern slope of the Qinling Mountains， has the lowest precipitation， approximately 216.51 mm. The summer precipitation on the southern slope of the Qinling Mountains has been significantly higher than that on the northern slope， with a precipitation of approximately 107.68 mm. The average summer precipitation on the south slope is about 377.99 mm， and the average summer precipitation on the north slope is about 270.31 mm， both of which have not passed the significance test. The 64 year summer precipitation in the Qinling Mountains has a strong positive correlation with SOI， SAODI， and SWACI， while a negative correlation with EASMI， SCSMI and SASMI.

Key words： summer precipitation; atmospheric circulation; the Qinling Mountains

在全球變暖背景下，降水的變化呈現(xiàn)高緯度地區(qū)增加，副熱帶地區(qū)減少的總體趨勢[1]。降水作為最重要的氣候要素之一，也是水循環(huán)過程的一個重要環(huán)節(jié)，研究大氣降水對于理解全球氣候變化和研究水循環(huán)過程具有重要的理論意義。

秦嶺山地位于我國中部，是我國的南北分界線，也是氣候變化的過渡區(qū)域和敏感區(qū)域，具有重要的地理意義。受東亞季風(fēng)影響顯著，秦嶺山地降水多集中于夏季，年均降水量600～1 200 mm，汛期6～9月的降水量占全年的60%左右，降水變率大，季節(jié)分配不均勻[2]。降水在空間和時間上還具有高度的空間異質(zhì)性[3]。受大尺度環(huán)流因子的影響，夏季降水或者暴雨頻發(fā)，可能會導(dǎo)致洪澇災(zāi)害[4-6]，嚴(yán)重威脅人民的生命安全、生態(tài)環(huán)境和國家的資源能源保障儲備體系[7-8]。近年來，陜西省秦嶺地區(qū)由于極端天氣引起的自然災(zāi)害頻發(fā)，因為夏季極端降水事件導(dǎo)致的洪澇出現(xiàn)的頻率也在不斷增加[9]。如2022年洛南的“8.6”暴雨洪澇事件，更有甚者還引發(fā)了其他更為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，如1983年安康的 “7.13”特大洪水結(jié)束后出現(xiàn)的大面積蛇災(zāi)和泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)情不僅嚴(yán)重危害人民的身心健康及財產(chǎn)安全，還會在很大程度上阻礙本地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。因此，在全球氣候變化背景下研究秦嶺山地夏季降水的時空分布特征及其氣候歸因，對于防災(zāi)減災(zāi)意義重大。

有關(guān)研究表明，秦嶺山地呈現(xiàn)暖濕化特征，近60年來的降水也呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢[10-11]。此外，還有研究表明秦巴山地的極端降水會在夏季呈現(xiàn)增加趨勢，而在其他三個季節(jié)呈現(xiàn)下降趨勢[12]。通常，大尺度環(huán)流氣候因子會在不同程度上影響到中國各區(qū)域的氣候變化，尤其是夏季降水的變化[13-14]。作為氣候變化的敏感區(qū)域，研究秦嶺山地夏季降水的變化趨勢與大尺度氣候環(huán)流的關(guān)系至關(guān)重要。因此，解決這些科學(xué)問題對于理解全球氣候變化的區(qū)域環(huán)境響應(yīng)、研究極端降水事件及防洪減災(zāi)等方面具有理論指導(dǎo)意義。

1? 研究區(qū)概況

本文所選的研究區(qū)域為陜西秦嶺，東西以陜西省省界為界，北臨渭河，南面漢江，位于32°40′～34°35′N，105°30′～111°3′E，秦嶺是中國南北分界線，是1月0 ℃等溫線、800 mm等降水量線及北亞熱帶和暖溫帶的分界線，同時還是長江水系和黃河水系的分水嶺等[15]。秦嶺山地具有北仰南俯的特征，分布著海拔2 500 m以上的中山和3 000 m以上的高山[16]，最高海拔為太白山的拔仙臺，海拔3 771.2 m。其中高于1 500 m的山地面積為1.46 × 104 km2；高于2 000 m的面積為3 675.5 km2；高于3 000 m的面積為130.23 km2。秦嶺地區(qū)年均降水量600～1 200 mm，汛期6～9月的降水量占全年的60 %左右，降水變率大，季節(jié)分配不均勻[2]。秦嶺山體龐大，冬季能阻擋寒冷的西伯利亞寒流南下，使南方減少凍害；夏季又可以阻擋太平洋上濕潤的水汽北上，使得中國南北出現(xiàn)了不同的氣候類型和植被類型[17]。秦嶺北坡位于關(guān)中平原南部地區(qū)，主要包括寶雞、西安和渭南大部分縣區(qū)；秦嶺南坡位于秦巴山之間，跨越商洛、安康和漢中等地區(qū)[18]。

2? 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1氣象數(shù)據(jù)

本文所研究的降水?dāng)?shù)據(jù)來源于陜西氣象局1959—2022年每個月的數(shù)據(jù)，32個氣象站點信息如表1所示。

2.1.2大氣環(huán)流指數(shù)

本研究中使用的大規(guī)模氣候環(huán)流指數(shù)包括：從美國國家海洋和大氣管理局國家氣候數(shù)據(jù)中心獲得的大西洋濤動（Atlantic Oscillation，AO）（http：//www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/ao.php），從中國國家氣候中心獲得的太平洋十年振蕩指數(shù)（Pacific Decadal Oscillation，PDO）（http：//cmdp.ncc-cma.net/cn）、東亞夏季風(fēng)指數(shù)（the East Asian Summer Monsoon Index，EASMI）、南方濤動指數(shù)（Southern Oscillation Index，SOI）、南亞夏季風(fēng)指數(shù)（South Asian Summer Monsoon Index，SASMI）、南海夏季風(fēng)指數(shù)（South China Sea Summer Monsoon Index， SCSMI）、北大西洋振蕩（North Atlantic Oscillation，NAO）、大西洋數(shù)十年振蕩（Atlantic Multi-decadal Oscillation，AMO）、北美夏季季風(fēng)指數(shù)（North American Summer Monsoon Index，NASMI）、太平洋-北美模式（Pacific North American Pattern，PNA）、澳大利亞夏季季風(fēng)指數(shù)（Australian Summer Monsoon Index，AUSMI）、類似季風(fēng)的澳大利亞西南環(huán)流指數(shù)（Monsoon like Southwest Australian Circulation Index，SWACI）、南美夏季季風(fēng)指數(shù)（South American Summer Monsoon Index，SHAMI）、西非夏季季風(fēng)指數(shù)（West African Summer Monsoon Index，WASMI）和南大西洋偶極子指數(shù)（South Atlantic Ocean Dipole Index，SAODI）（http：//ljp.lasg.ac.cn/dct/page/.），共15個大氣環(huán)流指數(shù)。

2.2 研究方法

小波相干法（Wavelet coherence，CWT）是用于表明兩序列在時頻域相似程度的系數(shù)，找到兩序列共同變化的區(qū)域[19-20]。本文用小波相干法以確定降水與大型氣候異常之間的關(guān)系。小波相干法公式[21]：

式（1）中，X和Y兩個時間序列分別對應(yīng)于變換Wn X和Wn Y。作為平滑算子的S可以表示：

CWT使用帶有紅色噪聲的蒙特卡羅方法來確定相干的5%統(tǒng)計顯著性水平[19，22]。

3? 結(jié)果與分析

3.1 秦嶺山地夏季降水量的時間變化特征

運用一元線性回歸法對1959—2022年秦嶺山地夏季的降水量進行分析，結(jié)果如圖1。

由圖1可知，1959—2022年秦嶺山地夏季降水量呈不顯著上升趨勢，變化速率約為10.81 mm/10 a。64年來夏季平均降水量約為344.34 mm。秦嶺山地是我國的南北分界線，其南北坡的地理要素也呈現(xiàn)出明顯的南北分異特點。本研究分析了秦嶺山地南北坡64年來夏季降水的變化特征。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，1959—2022年秦嶺山地64年來南坡夏季降水明顯多于北坡，降水量約為107.68 mm。其中，南坡夏季平均降水量約為377.99 mm，北坡夏季平均降水量約為270.31 mm，均未通過顯著性檢驗。

3.2 秦嶺山地夏季降水與大氣環(huán)流因子的響應(yīng)關(guān)系

秦嶺山地位于中國季風(fēng)區(qū)，氣候變化尤其是降水變化容易受到全球大尺度氣候環(huán)流的影響。通過分析1959—2022年秦嶺山地32個站點的夏季降水與15個大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，如表2所示，表明了氣候指數(shù)對秦嶺山地 32個站點夏季降水的影響。由表2可知，1959—2022年秦嶺山地 64年來夏季降水量與SOI、SAODI和SWACI有較強的正相關(guān)關(guān)系，與EASMI、SCSMI和SASMI 存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3和圖4為小波變換相關(guān)圖，進一步表明了降水與氣候環(huán)流指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。由圖3可知，EASMI與夏季降水量存在最顯著的負(fù)相關(guān)且滯后關(guān)系，尤其是在1980—2008年；SOI在1988年前后存在5～6年周期的影響。由圖4可知，SCSMI在1980年前后對秦嶺夏季降水分別存在5～6年和8年周期的影響；SASMI也在1980年前后對秦嶺夏季降水存在5年周期的影響，但時間較短；SWACI對秦嶺夏季降水的影響作用最小。

4? 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，1959—2022年秦嶺山地夏季降水呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢。運用一元線性回歸法結(jié)果表明秦嶺山地夏季降水量變化速率為10.81 mm/10 a，過去64年秦嶺山地南坡夏季降水明顯多于北坡，降水量約為107.68 mm。南坡夏季平均降水量約為377.99 mm，北坡夏季平均降水量約為270.31 mm，均未通過顯著性檢驗。秦嶺山地 64年來夏季降水量與SOI、SAODI和SWACI有較強的正相關(guān)關(guān)系，與EASMI、SCSMI和SASMI 存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，小波變換相關(guān)法表明，EASMI與夏季降水存在最顯著的負(fù)相關(guān)且滯后關(guān)系，尤其是在1980—2008年。SCSMI、SOI和SASMI均在20世紀(jì)80年代對秦嶺夏季降水存在不同長短周期的影響；SWACI對秦嶺夏季降水的影響作用最小。

本研究發(fā)現(xiàn)，秦嶺山地夏季降水均受到大氣環(huán)流的影響。其中EASMI是最顯著的影響因素。根據(jù)前人研究結(jié)果可知，EASMI對中國其他地區(qū)都有影響，包括黃土高原[20]和中國的西北地區(qū)[23]。SOI是影響秦嶺山地夏季降水的第二大因子。具體來講，SOI是代表ENSO事件（如厄爾尼諾和拉尼娜事件）的指數(shù)，對中國很多區(qū)域的降水都有影響。本研究與前人的研究結(jié)果基本一致，表明EASMI和SOI是最能影響中國區(qū)域降水的兩個影響因子，在未來對降水的預(yù)測時應(yīng)該考慮到這兩種因素[23-24]。有研究表明PDO對中國地區(qū)的降水有不同程度的影響力[25-28]。然而，在本研究中，通過小波變換相干法研究發(fā)現(xiàn)，PDO對秦嶺山地的夏季降水存在較弱的影響力。原因可能是因為PDO與東亞季風(fēng)之間的復(fù)雜關(guān)系。除了大尺度環(huán)流因子外，溫度、地形和人類活動都會對秦嶺山地夏季降水產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在未來很有必要研究這幾種因子與降水之間的關(guān)系，對預(yù)測未來降水的發(fā)展變化也有重要意義。

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