隴東地區(qū)1978—2018年夏季降水變化特征分析

劉 翔， 路亞奇， 韓 晶， 張 峰

（甘肅省慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000）

隴東地區(qū)位于甘肅省東部，是黃土高原的重要組成部分，西以六盤山為界，東與子午嶺為鄰，地處涇河流域中上游，地勢從北向南依次遞減，形成落差較大、山川塬為主、溝峁梁相間的復(fù)雜地形. 該地區(qū)黃土層深厚，土質(zhì)疏松，植被稀少，因其處于亞歐大陸腹地向青藏高原和東亞季風(fēng)區(qū)延伸的地帶，周邊高山高原圍繞，孟加拉灣、南海和東海水汽均難以到達(dá)，形成了典型的溫帶大陸性氣候. 隴東地區(qū)降水主要集中在夏季，其時空分布存在極大的不均衡性，且呈現(xiàn)為突發(fā)、頻發(fā)的局地陣性降水天氣. 隴東地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱敏感、水土流失嚴(yán)重，又屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，夏季多發(fā)頻發(fā)的局地極端降水，極易發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害和城鄉(xiāng)內(nèi)澇，從而造成較嚴(yán)重的社會經(jīng)濟損失.

目前，對我國西北地區(qū)夏季降水的周期變化規(guī)律及環(huán)流因子、天氣學(xué)和物理機制的研究報道已有很多［1-4］.王秀榮等分析了西北地區(qū)春、夏季降水的水汽輸送特征［5］. 何金海等研究發(fā)現(xiàn)影響西北地區(qū)夏季多、少雨年的相關(guān)區(qū)域環(huán)流特征和水汽輸送特征存在顯著差異［6］. 陳冬冬等分析了近五十年西北地區(qū)東、西部不同強度降水的變化特征［7］. Chen 等對中國西北地區(qū)7 月份的降水變化及相應(yīng)的大氣遙相關(guān)模式進(jìn)行了分析［8］.朱曉煒等分析了索馬里越赤道氣流的變化特征及與西北地區(qū)東部夏季降水的相關(guān)性和影響機理［9］. 張仲杰等對西北地區(qū)東部夏季降水異常的環(huán)流特征和水汽特征進(jìn)行了分析［10］. 宋瑤等研究指出西北地區(qū)東部夏季各等級降水在1996年由多轉(zhuǎn)少且存在較明顯的2～3 a的短周期［11］. 楊金虎等對西北地區(qū)東部汛期季節(jié)內(nèi)分布特征進(jìn)行了分析［12］. 可以看出，迄今的大多研究是對整個西北區(qū)域進(jìn)行分析，而針對六盤山以東、子午嶺以西的隴東地區(qū)的研究則相對較少，且隴東地區(qū)與西北區(qū)域面上的研究是否一致也有待論證. 因此，本研究從氣候態(tài)的穩(wěn)定性、周期性和趨勢性方面著手，分析了1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水變化特征，以期從點和面上為我國西北地區(qū)氣候變化規(guī)律的研究提供支持. 本研究對防御當(dāng)?shù)叵募緲O端降水誘發(fā)的災(zāi)害也具有一定指導(dǎo)意義.

1 資料和方法

本研究所用隴東地區(qū)13個地面氣象站1978年至2018年夏季（6—8月）逐日累計降水資料，來自于中國氣象局組織維護(hù)的綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）. 本研究參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 28592—2012），定義降水日數(shù)（雨日）為降水量大于等于0.1 mm的日數(shù)，定義降水強度（雨強）為降水量與降水日數(shù)之比.

本研究根據(jù)需要對研究區(qū)域降水作相關(guān)統(tǒng)計，采用反距離權(quán)重法、趨勢分析法研究降水趨勢以及空間分布；通過Mann-Kendall 突變檢驗（以下簡稱M-K檢驗）、滑動t檢驗等突變檢驗方法和Morlet小波分析，分別對隴東地區(qū)1978—2018年夏季降水突變特征和周期變化規(guī)律進(jìn)行研究.

2 結(jié)果與分析

2.1 隴東地區(qū)夏季降水空間分布特征

分析圖1（a）可知，隴東地區(qū)西南部和東南部夏季平均降水量最大，其次為南部，總體呈現(xiàn)出由南向北遞減的特征. 其中，位于東南部邊緣的正寧站是整個隴東地區(qū)的最大值中心，夏季平均降水量為325.90 mm.與正寧站毗鄰的寧縣站、合水站處于最大值中心外圍，夏季平均降水量分別為301.15 mm、301.00 mm. 華亭站處于隴東地區(qū)西南部，是僅次于正寧站的一個大值中心，夏季平均降水量為323.21 mm. 隴東地區(qū)西北部夏季平均降水量較少，最小值中心出現(xiàn)在西北部邊緣的環(huán)縣站，夏季平均降水量僅為243.77 mm. 統(tǒng)計隴東地區(qū)各站降水日數(shù)，經(jīng)過反距離權(quán)重法差值處理，得到隴東地區(qū)夏季降水日數(shù)空間分布圖（圖1（b））. 與圖1（a）對比可知，多年平均降水量及平均降水日數(shù)的空間分布特征比較相似，二者均呈現(xiàn)出北部少南部多的特征.其中，平均降水日數(shù)的最大值中心出現(xiàn)在隴東地區(qū)西南部的華亭站，達(dá)39.29 d；次大值中心位于隴東地區(qū)西南部的正寧站，為37.32 d. 西北部的平均降水日數(shù)較少，最小值中心位于環(huán)縣站，僅為31.07 d. 中部的崆峒、靈臺、崇信、合水等站平均降水日數(shù)均在35 d以上. 除了以上相似性外，二者還存在明顯的差異：隴東地區(qū)東南部是夏季平均降水量的大值區(qū)，但卻是平均降水日數(shù)的中低值區(qū). 如處于平均降水量最大值中心外圍的寧縣站，其平均降水日數(shù)僅為34.05 d，比平均降水量為276.74 mm的崇信站還要少. 分析圖1（c）可知，隴東地區(qū)夏季平均降水強度處于7～9 mm/d的區(qū)間內(nèi)，在空間上呈東南向西北遞減的特點，東南部平均降水強度都大于8.40 mm/d，西北部平均降水強度則總體在7.80 mm/d 以下. 平均降水強度的最大值中心位于寧縣站，達(dá)到了8.87 mm/d；最小值中心位于慶城站，僅為7.46 mm/d. 此外，平均降水量為次大值區(qū)中心的華亭站，其平均降水強度并不大，這是由于華亭站一帶降水日數(shù)和持續(xù)性降水相對偏多導(dǎo)致的.

圖1 1978—2018年隴東地區(qū)夏季平均降水量、平均降水日數(shù)和平均降水強度的空間分布Fig.1 Spatial distribution of summer average precipitation，average precipitation days，and average precipitation intensity in Longdong region from 1978 to 2018

2.2 隴東地區(qū)夏季降水時間變化特征

2.2.1 降水量時間變化特征 隴東地區(qū)整體屬于黃土高原半干旱半濕潤區(qū)，時間序列分析采用面雨量數(shù)據(jù)（面雨量是指某一特定區(qū)域或流域的平均降水狀況. 本文基于13個氣象站的點雨量，運用算數(shù)平均法求得隴東地區(qū)面雨量），以便更好地反映當(dāng)?shù)貐^(qū)域性氣候特征. 分析圖2（a）可知，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量的平均值為285.7 mm，并以5.048 mm/10 a的速度緩慢增加. 從年代際來看，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量經(jīng)歷了1980年代中期前的小幅振蕩，1980年代中期至1990年代中期的大幅振蕩，然后在1990年代中期到2010年代前后振幅收窄，2010年代之后振蕩幅度再次明顯增大. 其中，最大值及次大值分別出現(xiàn)在2018年和2013年，降水量分別為431.6 mm和416.1 mm；最小值及次小值分別出現(xiàn)在1991年和1997年，降水量分別為164.9 mm和178.3 mm.

運用一元線性回歸分析方法計算隴東地區(qū)各氣象站夏季降水量趨勢系數(shù)，以分析不同區(qū)域的變化趨勢. 從降水量傾向率空間分布（圖2（b））可知，隴東地區(qū)夏季降水量總體呈增加趨勢，其中華亭、崆峒、涇川、慶城等站的增加趨勢最大，且均處在隴東地區(qū)西南部及西北部，僅鎮(zhèn)原、正寧、靈臺等站呈減少趨勢，其中減少趨勢最大的是鎮(zhèn)原站. 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，各站的降水量傾向率均未通過0.05的顯著性水平檢驗（表略），說明隴東地區(qū)夏季降水量變化趨勢不明顯. 這與以往一些研究得出的西北地區(qū)東部降水量呈減少趨勢的結(jié)論不同［13-14］. 分析原因發(fā)現(xiàn)，此前研究的降水資料多停止在2012年之前，而從隴東地區(qū)夏季降水量時間變化中可以看到，2010年后降水量呈現(xiàn)出較明顯的波動式上升特征.

圖2 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量的時間變化和傾向率的空間分布Fig.2 The temporal variation and the trend rate spatial distribution of the summer precipitation in Longdong region form 1978 to 2018

2.2.2 降水日數(shù)時間變化特征 由圖3（a）可知，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水日數(shù)總體趨于減少，降水日數(shù)傾向率為-0.798 d/10 a. 降水日數(shù)最小值出現(xiàn)在1997年，僅為27 d；最大值出現(xiàn)在1984年，為42 d. 從年代際變化上看，降水日數(shù)在1970年代到1990年代末期呈明顯的波動式減少，1990年代到2010年代振幅穩(wěn)定，2010年代開始至今又呈現(xiàn)出波動式增加的特點. 降水日數(shù)傾向率空間分布顯示（圖3（b）），隴東地區(qū)夏季降水日數(shù)整體趨于減少，僅華池站呈現(xiàn)出了正趨勢變化，這與以往西北地區(qū)全區(qū)夏季降水日數(shù)以減少趨勢為主的研究結(jié)論一致［15］. 降水日數(shù)傾向率通過了顯著性檢驗的氣象站點共有4個，占總站數(shù)的30.8%. 其中寧縣和崇信兩站通過了0.01 的顯著性水平檢驗，降水日數(shù)分別以-1.617 d/10 a 和-1.246 d/10 a 的速率減少；鎮(zhèn)原和西峰兩站分別通過了0.05和0.10的顯著性水平檢驗，降水日數(shù)分別以-1.104 d/10 a和-1.044 d/10 a的速率減少. 值得關(guān)注的是，以上4個降水日數(shù)顯著減少的氣象站均集中于隴東地區(qū)中部及南部.

圖3 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水日數(shù)的時間變化和傾向率的空間分布Fig.3 The temporal variation and the trend rate spatial distribution of the summer precipitation days in Longdong region from 1978 to 2018

2.2.3 降水強度時間變化特征 從圖4（a）中可以看出，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水強度呈明顯增加趨勢，降水強度傾向率為0.316（mm·d-1）/10 a. 降水強度最小值出在1991年，為5.8 mm/d，最大值出現(xiàn)在2013年，為12.3 mm/d. 從年代際變化上看，降水強度從1970年代到1990年代呈現(xiàn)波動減弱的特點，從1990年代至今則總體呈現(xiàn)波動增強的特點. 從夏季降水強度傾向率空間分布可知（圖4（b）），除華池站降水強度趨于減弱外，其余氣象站均呈增強趨勢. 隴東地區(qū)共有5 站的降水強度傾向率通過了顯著性檢驗，占總站數(shù)的38.5%，且這5個站點均集中在隴東地區(qū)南部. 其中崇信和寧縣兩站通過了0.05的顯著性檢驗，降水強度分別以0.562（mm·d-1）/10 a和0.465（mm·d-1）/10 a的速率增強；華亭、涇川和靈臺3站通過了0.10的顯著性檢驗，降水強度也呈現(xiàn)出顯著的增強趨勢，這與我國過去46年的降水強度極端偏高區(qū)域范圍呈擴大趨勢的研究結(jié)論一致［16］. 結(jié)合降水日數(shù)的時間變化特征可以看出，寧縣、崇信等站降水極端化的趨勢明顯，旱澇災(zāi)害可能更易發(fā)生，需要密切關(guān)注.

圖4 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水強度的時間變化和傾向率的空間分布Fig.4 The temporal variation and the trend rate spatial distribution of the summer precipitation intensity in Longdong region from 1978 to 2018

2.3 隴東地區(qū)夏季降水突變特征分析

氣候突變普遍存在于氣候系統(tǒng)中，常表現(xiàn)為氣候的統(tǒng)計特性在時空上的急劇變化，即從一種穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過躍變，成為另一種穩(wěn)定狀態(tài)或者穩(wěn)定持續(xù)變化趨勢［17］. 本研究采用三種突變檢驗方法對隴東地區(qū)1978—2018年夏季降水的突變特征進(jìn)行了分析.

由圖5可知，降水量正向序列曲線UF與逆向序列曲線UB分別在1980年和1982年交叉，表明降水量在1980年和1982年可能存在突變；降水日數(shù)UF—UB線在20世紀(jì)80年代存在多個交點，表明降水日數(shù)在20世紀(jì)80年代可能發(fā)生了多次突變；降水強度UF—UB線分別在1988年、1990年、2002年、2007年、2010年、2013年、2014年、2016年交叉，表明降水強度可能在以上8個年份發(fā)生了突變. 另外，由圖5（c）可以看出，降水強度的UF值在0度線附近浮動較小，這表明降水強度整體變化不大，變化趨勢不明顯. 由M-K 檢驗結(jié)果可知，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)和降水強度的UF線與UB線均存在多個交點，懷疑可能存在虛假突變點，需要使用其他方法進(jìn)一步檢驗.

滑動t檢驗（步長5年）結(jié)果顯示，隴東地區(qū)夏季降水量在1996年和2001年通過了α=0.05顯著性檢驗線（圖6（a）），降水日數(shù)在1996年和2008年了通過α=0.05顯著性檢驗線（圖6（b）），降水強度在2001年通過了α=0.05 顯著性檢驗線（圖6（c））. 以上結(jié)果表明，降水量在1996 年和2001 年可能發(fā)生了突變，降水日數(shù)在1996年和2008年可能發(fā)生了突變，降水強度在2001年可能發(fā)生了突變.

累積距平分析結(jié)果表明（圖7），1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量經(jīng)歷了明顯的升降變化過程，且主要轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在1981年、1987年、1995年、2010年附近，表明降水量可能在1981年、1987年、1995年、2010年出現(xiàn)了突變. 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水日數(shù)累積距平呈現(xiàn)出增多—減少—增多的趨勢，且主要轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在1996年和2015年，表明降水日數(shù)在1996年和2015年可能出現(xiàn)了突變. 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水強度累積距平呈現(xiàn)先降后升的“V”字型趨勢，且主要轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2002年，表明降水強度在2002年可能出現(xiàn)了突變.

綜合三種方法的分析結(jié)果可知，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量在1981—1982年、1995—1996年發(fā)生由多到少的突變，降水日數(shù)在1996年發(fā)生了由多到少的的突變，降水強度在2001—2002年發(fā)生了由弱到強的突變，其中降水日數(shù)的突變特征與鄭麗娜［18］2018年的研究結(jié)論相同.

圖5 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)、降水強度強度的M-K檢驗結(jié)果Fig.5 M-K test results for precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

圖6 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)、降水強度滑動t檢驗結(jié)果Fig.6 Results of sliding t-test for precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

圖7 1978—2018年隴東地區(qū)夏季水量、降水日數(shù)、降水強度累積距平分析結(jié)果Fig.7 Cumulative anomaly analysis results of precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

2.4 隴東地區(qū)夏季降水周期特征

小波分析是一種常用的分析時間序列變化尺度和變化趨勢的方法，又稱多分辨率分析，可研究不同周期或尺度的氣象要素隨時間的演變情況. 本文選用Morlet小波函數(shù)，通過提取1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水的小波系數(shù)實部及小波方差，研究了其年際、年代際時間尺度的變化特征.

小波系數(shù)實部等值線圖中，實線表示降水多年，虛線表示降水少年，多寡年份的多次交替變化形成振蕩周期. 由圖8（a）可知，降水量在3～4 a、7～8 a、12～13 a和31～32 a四個時間尺度上振蕩強烈，并發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化. 其中3～4 a振蕩周期最為強烈并貫穿整個時間尺度，為主振蕩周期. 圖8（b）顯示降水量小波方差在3 a、7 a、13 a、31 a存在極值. 由此可推斷1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量存在3 a的主振蕩周期和7 a、13 a、31 a的次振蕩周期.

由圖8（c）可知，降水日數(shù)在3～4 a、7～8 a、12～13 a、18～19 a和31～32 a五個時間尺度上振蕩強烈，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化. 其中3～4 a振蕩周期最為強烈并貫穿整個時間尺度，為主振蕩周期. 次級振蕩周期在1990年和2000年分別出現(xiàn)了一定的調(diào)整，其中18～19 a在1990年后、12～13 a在2000年后振蕩周期消弱，分別向?qū)?yīng)低時間尺度靠近. 圖8（d）顯示降水日數(shù)小波方差在3 a、8 a、12 a、21 a和31 a存在極值.由此可推斷1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量存在3 a的主振蕩周期和8 a、12 a、21 a、31 a的次振蕩周期.

同理，由圖8（e）和圖8（f）可知，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水強度存在4 a的主振蕩周期和7 a、13 a的次振蕩周期.

綜合來看，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)、降水強度普遍存在3～4 a的低頻主振蕩周期以及7～8 a、12～13 a的次振蕩周期. 這與西北地區(qū)降水普遍存在準(zhǔn)3 a的周期［19-21］、涇河流域夏季降水有準(zhǔn)7 a的周期［22］的研究結(jié)論一致.

圖8 1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)、降水強度小波分析結(jié)果Fig.8 Wavelet analysis results of precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

3 結(jié)論

本文從氣候態(tài)的穩(wěn)定性、周期性和趨勢性方面著手，分析了1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水的時空演變特征. 研究結(jié)果如下：

1）從空間分布上看，1978—2018年隴東地區(qū)夏季平均降水量、平均降水日數(shù)、平均降水強度空間分布總體特征相似，均表現(xiàn)出南多北少的特點. 其中平均降水量的最大值中心和最小值中心位分別位于正寧站和環(huán)縣站，平均降水日數(shù)的最大值中心和最小值中心分別位于華亭站和環(huán)縣站；平均降水強度的最大值中心和最小值中心分別位于寧縣站和慶城站.

2）從時間變化上看，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量除鎮(zhèn)原、正寧和靈臺這3站呈現(xiàn)減少的趨勢外，其余氣象站均呈現(xiàn)增加趨勢. 氣候傾向率的顯著性檢驗表明，隴東地區(qū)夏季降水量變化趨勢不明顯；夏季降水日數(shù)整體呈減少趨勢，僅華池站呈正趨勢變化，氣候傾向率通過顯著性檢驗的氣象站點數(shù)占總站數(shù)的30.8%；夏季降水強度整體呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，僅華池站表現(xiàn)出負(fù)趨勢變化，氣候傾向率通過顯著性檢驗的氣象站點數(shù)占總站數(shù)的38.5%.

3）運用M-K 檢驗、滑動t檢驗、累積距平三種突變檢驗方法分析了隴東地區(qū)1978—2018 年夏季降水突變特征. 結(jié)果表明，降水量在1981—1982 年、1995—1996 年發(fā)生了由多到少的突變；降水日數(shù)在1996年發(fā)生了由多到少的突變；降水強度在2001—2002年發(fā)生了由弱到強的突變.

4）Morlet小波分析結(jié)果表明，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)、降水強度均存在3～4 a的主振蕩周期以及7～8 a、12～13 a的次振蕩周期.

5）除降水量變化趨勢與既有研究不同外，1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水變化特征總體與西北區(qū)域面上的研究相一致，這是由于2010年以后隴東地區(qū)夏季降水量不再表現(xiàn)出下降趨勢，而是呈現(xiàn)出較明顯波動式增加導(dǎo)致的.

6）1978—2018年隴東地區(qū)夏季降水有向不均衡、極端化發(fā)展的態(tài)勢，這可能會引起隴東地區(qū)旱澇災(zāi)害更為頻繁的發(fā)生，需引起重視.