1960-2017年黃土高原晝夜降水變化特征

安 彬, 肖薇薇, 朱 妮

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000; 3.陜西省科協(xié)院士專家工作站, 陜西 安康 725000)

隨著氣象觀測(cè)資料的日益豐富，多尺度的降水變化指標(biāo)受到研究者的高度關(guān)注，尤其是最基礎(chǔ)的降水日變化研究。受太陽(yáng)輻射日變化規(guī)律所引起地表加熱、大氣對(duì)流等過(guò)程作用，降水經(jīng)常發(fā)生在一天某個(gè)特定時(shí)間段，而不是隨機(jī)的[1-3]。相關(guān)研究表明，降水日變化規(guī)律存在區(qū)域差異，如美國(guó)東南部和西部多發(fā)生在午后[4]，而中國(guó)西南地區(qū)多發(fā)生在凌晨及下午時(shí)段[5]。在我國(guó)，以四川盆地夜間降水量多于白天的“夜雨現(xiàn)象”最受關(guān)注[6-7]，印證了“巴山夜雨”說(shuō)法[8]。但已有研究表明，夜雨現(xiàn)象并不為四川盆地特有，在中國(guó)新疆[2]、西藏[9]、江蘇[10]、青藏高原[11]、祁連山[12]等也有類似現(xiàn)象，以上研究對(duì)于深入理解區(qū)域性天氣系統(tǒng)、水汽循環(huán)等有著重要意義[1-2,6-7,9-12]。

在全球氣候變暖的大背景下，黃土高原地區(qū)表現(xiàn)出太陽(yáng)總輻射減少[13]、氣候暖干化[14]、蒸散發(fā)增加[15]等特征。目前，關(guān)于黃土高原降水規(guī)律的研究多集中在年、季、月尺度分布[14,16-17]，王濤等[18]僅分析了陜北黃土高原地區(qū)的不同等級(jí)降水日數(shù)的變化，鮮有涉及全區(qū)晝夜降水變化特征的研究?；诖耍疚睦?960—2017年黃土高原逐12 h降水資料，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)分析方法，分析黃土高原晝夜降水變化規(guī)律，該研究將對(duì)黃土高原地區(qū)降水資源的有效利用、提高水土流失等防災(zāi)減災(zāi)能力等提供理論借鑒。

1 研究區(qū)概況

黃土高原地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)向西北干旱區(qū)的過(guò)渡地帶(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)[14]，其邊界范圍東到太行山，南達(dá)秦嶺，西止青海日月山，北抵陰山[19]；海拔整體上呈西北高、東南低的特點(diǎn)，溝壑縱橫。該地區(qū)屬于夏季高溫暴雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫為7.86～10.71℃，年降水量為302.39～645.16 mm，其中5—10月降水量占全年的80%以上，是全球生態(tài)環(huán)境脆弱帶、氣候變化敏感區(qū)之一[20]。自1999年退耕還林草工程實(shí)施以來(lái)，黃土高原的植被面積大幅度提高，有效遏制了黃土高原土壤侵蝕，入黃泥沙顯著降低[21]。

2 數(shù)據(jù)與方法

降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)全部來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。依據(jù)站點(diǎn)的缺失數(shù)據(jù)低于2%、觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)等原則，確定了55個(gè)站點(diǎn)的1960年1月1日—2017年12月31日降水?dāng)?shù)據(jù)，并對(duì)所獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量核查(圖1)。將每日8：00—20：00，20：00—次日8：00，20：00—次日20：00(北京時(shí)間)的降水依次統(tǒng)計(jì)為白晝降水、夜間降水、日降水，再以每年1—12月、5—10月生成年、雨季降水序列。此外，當(dāng)日降水量>0 mm時(shí)，即可計(jì)算當(dāng)日的“夜雨率”，其公式為：夜雨率=夜間降水量/日降水量×100%[11]。降水的變化趨勢(shì)采用線性擬合[22]計(jì)算，并檢驗(yàn)其顯著性；所有圖件均利用Origin 2017或ArcGIS 10.2軟件制作。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)空間位置

3 結(jié)果與分析

3.1 晝夜降水長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

3.1.1 晝夜降水量長(zhǎng)期變化 圖2A顯示，1960—2017年黃土高原多年平均降水為420.29 mm，以-0.421 mm/a的速率呈不顯著下降趨勢(shì)(p>0.05)，與西北干旱區(qū)年均降水(1961—2015年)減少幅度相當(dāng)[23]。全區(qū)多年平均雨季降水量為362.37 mm，對(duì)全年降水貢獻(xiàn)率達(dá)到86.22%，表明黃土高原降水集中度較高。雨季降水量每年以0.385 mm的幅度下降(p>0.05)，略低于四川的0.4 mm/a[6]，也低于黃土高原歷年降水變化速率，與該區(qū)冬春季降水呈小幅增加的事實(shí)相符[14]。結(jié)合圖2B—C可以看出，黃土高原地區(qū)多年平均白晝、夜間降水量分別為207.62，212.67 mm，且分別以0.129，0.291 mm/a速率呈不顯著的波動(dòng)下降(p>0.05)。全區(qū)多年平均雨季白晝、夜間降水量為179.22，183.15 mm，均占到全年白晝、夜間降水量的86%左右；雨季白晝、夜間降水量的每年下降幅度分別為0.126，0.259 mm(p>0.05)。整體上看，黃土高原年降水下降速率高于雨季，而白晝降水下降速率則低于夜間降水，與黃河流域的降水晝夜同減類型一致[24]。

圖2 1960-2017年黃土高原歷年和雨季晝、夜降水的長(zhǎng)期趨勢(shì)

3.1.2 晝夜降水日變化特征 依據(jù)白晝(夜間)降水量>0 mm時(shí)，記為1次晝(夜)降水日數(shù)的原則，計(jì)算了黃土高原的降水日數(shù)。結(jié)果顯示，1960—2017年黃土高原歷年和雨季的白晝、夜間降水日數(shù)均呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，但減少幅度略有差異(圖3)，與我國(guó)降水日數(shù)下降現(xiàn)象相吻合[25]。具體看，歷年和雨季的降水日數(shù)減幅分別為0.239，0.141 d/a(p<0.01)，歷年和雨季的夜間降水日數(shù)減幅分別為0.229，0.133 d/a(p<0.05)，歷年和雨季的白晝降水日數(shù)以0.092，0.058 d/a減少，反映了黃土高原晝夜降水頻率的降低。從具體晝夜降水日數(shù)上看，近58 a黃土高原雨季平均降水日數(shù)為51.13 d，占到全年降水日數(shù)81.00 d的63.12%；全年和雨季的降水日最大值分別為120.40 d(1964年)，80.22 d(1964年)，最小值分別為61.09 d(1997年)，40.06 d(1997年)。雨季白晝平均降水日數(shù)為35.26 d，占全年晝降水日的64.76%，而雨季夜間平均降水日數(shù)33.02 d，是全年夜降水日的62.42%，最大值與最小值分別出現(xiàn)在1964年、1997年。

圖3 1960-2017年黃土高原歷年和雨季晝、夜降水日數(shù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)

3.1.3 晝夜降水強(qiáng)度變化特征 總(晝/夜)降水強(qiáng)度指總(晝/夜)降水量與總(晝/夜)降水日數(shù)的比值[7,24]。在黃土高原地區(qū)降水量和降水日數(shù)均呈減少趨勢(shì)的背景下，其降水強(qiáng)度如何變化？據(jù)此，分別計(jì)算了黃土高原逐年晝夜降水強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4A—B?？芍?960—2017年黃土高原晝夜降水強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，與我國(guó)降水強(qiáng)度趨勢(shì)變化相同[26]。歷年和雨季的多年平均白晝降水強(qiáng)度分別為3.81，5.07 mm/d，每年以0.004 6，0.005 2 mm/d速率上升，但均未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。歷年和雨季的多年平均夜間降水強(qiáng)度分別為4.03，5.54 mm/d，每年上升的幅度分別是0.013，0.016 mm/d，且均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)?？梢?jiàn)，黃土高原地區(qū)夜間降水強(qiáng)度高于白晝降水強(qiáng)度，雨季明顯高于歷年。進(jìn)一步計(jì)算黃土高原地區(qū)夜降水比例發(fā)現(xiàn)，歷年夜降水率變化在43.60%～56.42%，多年平均夜降水率為50.44%，以0.012%/a的速率不顯著下降(p>0.05)，低于青藏高原1961—2007年夏季(-0.045%/a)減少速率。雨季平均夜降水率略低于年均夜降水率，多年平均值為50.34%，其變化介于44.34%～55.80%，以0.009%/a的速率不顯著下降(p>0.05)。相比較我國(guó)新疆[2]、四川[6]等區(qū)域，黃土高原地區(qū)并未有明顯的夜雨現(xiàn)象。

3.2 雨季晝夜降水年代際分析

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)降水在5—10月最為集中，占全年86.22%，易形成洪澇等氣象災(zāi)害?；诖耍疚闹攸c(diǎn)分析雨季晝夜降水的年代際和空間變化特征。由晝夜降水年代際統(tǒng)計(jì)(表1)可以看出，黃土高原雨季晝夜降水量、降水日數(shù)均呈V型變化，年代最高值在1960s，最低值則在1990s；各年代際的白晝與夜間降水量的年代際變率相差不大，但白晝降水日數(shù)變率明顯高于夜間降水，這必然導(dǎo)致夜間降水強(qiáng)度高于白晝降水，二者之差由1960s的0.20 mm/d增至2011—2017年的0.69 mm/d。從夜降水率年代際變化情況看，以1980s末為界線，之前高于多年平均值，在1970s最大；之后持續(xù)下降至2011—2017年的50.04%。

圖4 1960-2017年黃土高原歷年和雨季晝、夜降水強(qiáng)度的長(zhǎng)期趨勢(shì)

表1 黃土高原雨季的晝夜降水指標(biāo)年代際統(tǒng)計(jì)

3.3 雨季晝夜降水指標(biāo)空間變化特征

3.3.1 雨季晝夜降水量空間特征 整體上，黃土高原地區(qū)雨季白晝降水量呈東多西少、南多北少、自東南向西北遞減的空間特征(圖5A)，與該區(qū)(1961—2010年)全年降水空間分布基本一致[27]；全區(qū)雨季白晝降水量最多的是陜西的洛川、延安等地。值得注意的是，黃土高原西部白晝降水達(dá)150～200 mm，較偏東地區(qū)的降水略有增加。雨季夜間降水的空間特征與白晝降水類似(圖5B)，但其緯度地帶性特征更明顯些，150 mm和200 mm等降水線更偏南些，造成這種空間格局可能與大氣環(huán)流因子變化密切相關(guān)。西部的門源、臨夏和臨洮等站是雨季夜間降水的高值區(qū)，達(dá)到250～300 mm；甘肅民和至榆中一線以西地區(qū)的夜間降水量較白晝高出50～100 mm。結(jié)合5C—D可知，多數(shù)地區(qū)5—10月份的白晝和夜間降水主要以-0.4～0 mm/a的速度下降，但其空間分布特征略有差異。與雨季白晝降水相比，夜間降水下降速率高于0.4 mm/a的范圍更廣，集中分布在山西省的中部和南部、甘肅省臨夏和定西等地，其中以臨洮-1.487 mm/a的下降速率最大。夜間降水呈上升趨勢(shì)的集中分布在陜西西北部至陜寧蒙交界、隴東陜甘界和青海東部等，其中以西寧的0.707 mm/a最高；白晝降水呈上升趨勢(shì)則集中分布在山西北部、寧蒙交界和青海東部等，以大同的0.656 mm/a最高。

3.3.2 雨季晝夜降水日數(shù)空間特征 由圖6A可知，黃土高原5—10月的白晝降水日數(shù)呈西南和東北偏多、西北偏少的空間格局，以門源的65.33 d最多，銀川和陶樂(lè)的20.84 d最少；降水日數(shù)在25～35 d和35～45 d的分布面積相當(dāng)。雨季夜間降水日數(shù)布呈西南偏多、西北偏少空間規(guī)律，多數(shù)地區(qū)的降水日數(shù)為25～35 d，以門源的58.97 d最多、惠農(nóng)的17.98 d最少(圖6B)；15～25 d的夜間降水日數(shù)分布面積遠(yuǎn)大于白晝降水日數(shù)。圖6C—D顯示，黃土高原雨季晝夜降水日數(shù)下降幅度空間上皆呈西北低、東南高。對(duì)白晝降水日數(shù)而言，其每年降幅以0～0.06 d和0.06～0.12 d為主，二者分布面積相當(dāng)；以門源的-0.232 d/a減少最多、西寧的0.119 d/a增加最多，在鄂爾多斯高原的西部地區(qū)的白晝降水日數(shù)集中呈增加趨勢(shì)。對(duì)于夜間降水日數(shù)而言，全區(qū)所有站點(diǎn)皆顯示出減少態(tài)勢(shì)，多數(shù)地區(qū)每年降幅在0.06～0.24 d，遠(yuǎn)高于白晝降水日數(shù)降幅；以寧夏西吉的-0.358 d/a減少最多，臨洮、吳起一線東南區(qū)域的減少幅度超過(guò)0.18 d/a。

3.3.3 雨季晝夜降水強(qiáng)度空間特征 黃土高原雨季晝、夜降水強(qiáng)度整體表現(xiàn)出自東南向西北遞減的空間格局(圖7A—B)，其強(qiáng)度分別介于2.310～7.683 mm/d，3.643～7.806 mm/d。白晝降水強(qiáng)度達(dá)到4～7 mm/d的占全區(qū)面積的2/3，而同樣的夜間降水強(qiáng)度占到了90%以上；白晝降水強(qiáng)度低于4 mm/d的低值主要分布臨夏、中寧一線以西區(qū)域，夜間降水強(qiáng)度低值區(qū)則只分布在中寧、景泰的黃土高原邊界。此外，晉豫交界處出現(xiàn)了7～8 mm/d的夜間降水強(qiáng)度，陜西橫山、綏德和山西興縣、太原、原平等地的夜間降水強(qiáng)度均高于白晝，以上地區(qū)需更加防范夜間強(qiáng)降水造成的次生災(zāi)害。圖7C—D為黃土高原地區(qū)晝夜降水強(qiáng)度變化趨勢(shì)的空間格局，可以看出，多數(shù)地區(qū)的晝夜降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，其增加趨勢(shì)分別以0.008～0.016 mm/(d·a)，0.016～0.024 mm/(d·a)為主，夜間降水強(qiáng)度增加幅度明顯高于白晝降水。延安、孟津等地的白晝降水強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，其降幅在0.011 mm/(d·a)左右；夜間降水強(qiáng)度形成以內(nèi)蒙古鄂托克旗為中心的下降趨勢(shì)最大值，達(dá)到-0.016 mm/a。白晝降水強(qiáng)度增加趨勢(shì)明顯的地區(qū)集中分布在陜西東北部、關(guān)中中東部、山西中部和北部，而夜間降水則集中分布在隴東至渭北臺(tái)塬、陜北橫山至綏德一帶。

圖5 黃土高原雨季晝夜降水量及其變率空間分布

從雨季夜降水比例的空間看(圖8A)，1960—2017年黃土高原多數(shù)地區(qū)的夜雨比例低于50%，其站點(diǎn)數(shù)達(dá)到36個(gè)，集中在區(qū)內(nèi)東部、中部、北部，以惠農(nóng)站的44.59%最低。境內(nèi)晉豫交界及六盤山以西地區(qū)的夜雨比例高于50%，尤其是西寧、臨夏以西區(qū)域夜雨率高達(dá)60%～65%，以貴德站的64.73%比例最高。黃土高原夜降水比例呈上升和下降的站點(diǎn)數(shù)分別為30，25個(gè)，西部及中北部、內(nèi)蒙包頭至呼和浩特、祁連山以東等區(qū)域呈上升趨勢(shì)，以中衛(wèi)的0.123%/a上升最為明顯；山西中部及東北部、寧夏銀川至內(nèi)蒙鄂托克旗等區(qū)域下降趨勢(shì)明顯，以陶樂(lè)的-0.176%/a下降最為明顯(圖8B)。此外，依據(jù)ArcGIS分類區(qū)統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算黃土高原不同海拔范圍內(nèi)的夜雨率(圖9)，海拔高于2 000 m區(qū)域的平均夜雨率最高，為58.64%，1 000～2 000 m區(qū)域的最低，為49.08%；低于200 m，200～500 m，500～1 000 m區(qū)域的平均夜雨率分別為50.71%，50.14%，49.47%。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，海拔與夜雨的相關(guān)系數(shù)為0.865，當(dāng)海拔低于1 400 m左右時(shí)，該區(qū)域夜雨率隨著海拔的增加而降低，高于1 400 m時(shí)，則相反，說(shuō)明黃土高原雨季存在最大夜雨率帶。

圖8 黃土高原雨季夜雨比例及其變率空間分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

全球氣候變暖的背景下，本研究發(fā)現(xiàn)1960—2017年黃土高原地區(qū)的降水量和降水日數(shù)均表現(xiàn)出晝夜同減特征，與同緯度的黃河流域、海河流域特征一致[24]；加之黃土高原地區(qū)氣溫和地表溫度上升明顯[14]、蒸散發(fā)過(guò)程加速等[15]，導(dǎo)致暖干化現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加劇了水資源供需矛盾。此外，黃土高原地區(qū)晝夜降水強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，某種程度上導(dǎo)致突發(fā)性降水增多、加劇水土流失和山洪的爆發(fā)，類似于2013年7月陜西延安、咸陽(yáng)洪澇現(xiàn)象的發(fā)生[28]。整體上，黃土高原地區(qū)多年平均夜降水率為50.44%，夜雨現(xiàn)象并不明顯；但在西寧、臨夏以西區(qū)域(即青藏高原—黃土高原過(guò)渡區(qū))夜雨率高達(dá)60%～65%。相關(guān)研究表明青藏高原、四川盆地和云貴高原的夜雨現(xiàn)象與山區(qū)地形形成的山谷風(fēng)環(huán)流、高原上空積狀云日變化等因素有關(guān)[2-3]，但因黃土高原大部分區(qū)域?qū)侔霛駶?rùn)與干旱半干旱氣候的過(guò)渡帶，水汽不足難以形成有效降水。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)雨季的夜雨率在海拔上也存在一定的差異，當(dāng)海拔低于1 400 m時(shí)，夜雨率隨著海拔的增加而降低，高于1 400 m時(shí)，則相反，存在著最大夜雨率帶，這種現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。未來(lái)研究中，應(yīng)結(jié)合時(shí)空尺度更加精細(xì)化的降水?dāng)?shù)據(jù)，以及大氣環(huán)流、地形等地理因子，深入分析黃土高原地區(qū)晝夜降水時(shí)空演變規(guī)律的原因、降水日數(shù)與降水強(qiáng)度對(duì)降水變化的貢獻(xiàn)特征。

圖9 黃土雨季夜雨比例與海拔關(guān)系

4.2 結(jié) 論

(1) 長(zhǎng)期趨勢(shì)顯示，黃土高原歷年和雨季的晝夜降水量、降水日數(shù)皆表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，降水強(qiáng)度則表現(xiàn)上升趨勢(shì)。歷年降水量和降水日數(shù)下降幅度高于雨季，夜間高于白晝；歷年降水強(qiáng)度上升幅度低于雨季，夜間高于白晝。

(2) 黃土高原地區(qū)雨季晝夜降水指標(biāo)的空間格局差異明顯。雨季降水量和降水強(qiáng)度自東南向西北遞減，多數(shù)地區(qū)晝夜降水量以-0.4～0 mm/a的速度下降，降水強(qiáng)度分別以0.008～0.016 mm/(d·a)，0.016～0.024 mm/(d·a)的速度增加；白晝降水日數(shù)空間上呈西南和東北偏多、西北偏少，夜間降水日數(shù)則呈西南偏多、西北偏少，晝夜降水日數(shù)降幅分別以-0.12～0 d/a，-0.24～-0.06 d/a為主。

(3) 黃土高原地區(qū)未有明顯的夜雨現(xiàn)象。歷年及雨季的平均夜降水率分別為50.44%，50.34%，其下降速率分別為0.012%/a，0.009%/a；多數(shù)站點(diǎn)的夜雨率低于50%，晉豫交界及六盤山以西區(qū)域夜雨率高于50%；陜西西部及中北部、內(nèi)蒙包頭至呼和浩特、祁連山以東等區(qū)域呈上升趨勢(shì)，山西中部及東北部、寧夏銀川至內(nèi)蒙鄂托克旗等區(qū)域下降趨勢(shì)明顯。