１９６１—２０１９年黃河流域降水量時空變化特征分析

趙慧霞　卓瑩瑩　劉厚鳳

關鍵詞：年降水量;Mann-Kendall檢驗;EOF分析;時空變化特征;黃河流域

中圖分類號：P467;TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.006

引用格式：趙慧霞，卓瑩瑩，劉厚鳳.1961—2019年黃河流域降水量時空變化特征分析[J].人民黃河，2022，44（3）：26-31.

黃河流域位于中緯度地帶，東西跨度大，流域內(nèi)不同地區(qū)氣候差異顯著，自然條件復雜多樣。黃河的基本特點決定了黃河流域水資源系統(tǒng)的脆弱性和對氣候變化的敏感性。觀測資料顯示，自19世紀90年代以來，黃河流域干旱程度不斷加劇，范圍逐漸擴大[1]。特別是進入20世紀80年代以后，經(jīng)濟社會的發(fā)展對水資源需求日益增加，黃河流域水資源供需矛盾愈來愈尖銳，干旱形勢日趨嚴重。降水、氣溫、蒸發(fā)等主要氣象要素的時空變化特征直接影響黃河流域水資源的利用以及流域內(nèi)動植物的生存環(huán)境。黃河流域氣候要素的時空變化特征研究是區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人類生存環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展等研究的基礎，也是關于區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人類生存環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。

近年來學者們針對黃河流域的氣候變化特征及其對水資源的影響進行了大量研究[2-7]，其中降水量的變化特征是研究的一個重點且已取得了一些研究成果。徐宗學等[8]研究認為1951—2001年黃河流域多數(shù)氣象觀測站年降水量呈減少趨勢，春、夏、秋三個季節(jié)降水量均有所減少;祝青林等[9]研究認為1971—2000年黃河流域年降水量呈減少趨勢，空間上表現(xiàn)為北半部以增加為主、南半部以減少為主，春、夏季大部分地區(qū)降水量有不顯著的增加趨勢，秋、冬季的降水量有減少趨勢;邵曉梅等[10]的研究表明1961—2000年黃河流域年和冬、春、夏季降水量氣候傾向率都為正值，只有秋季為負值;馬雪寧等[11]利用氣候線性趨勢分析、滑動平均、距平和R/S分析等方法對黃河上游地區(qū)1960—2008年氣候變化趨勢進行了分析，認為20世紀60年代降水量較多，之后逐漸減少，2000年以來又顯著增加，且四季變化趨勢存在明顯差異;常軍等[12]對1961—2010年黃河流域年、季降水量的時空變化特征進行了分析，認為多年平均年降水量呈減少趨勢，總站點中15.4%通過α=0.05顯著性水平檢驗，秋季降水量具有顯著的減少趨勢，冬季為不顯著的增加趨勢，春夏兩季為不顯著的減少趨勢。綜上，目前對黃河流域降水量的研究中氣象數(shù)據(jù)主要集中在2010年前，針對近59a（1961—2019年）的研究尚未見報道。筆者基于黃河流域降水數(shù)據(jù)，通過趨勢分析、Mann-Kendall檢驗、滑動平均法研究1961—2019年黃河流域降水量時間變化趨勢及演變規(guī)律，利用EOF分解及Kriging插值法分析其空間演變規(guī)律，以期為后續(xù)研究氣候變化對黃河流域水資源的影響提供參考。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)資料來自中國氣象局國家氣象信息中心，主要為1961—2019年黃河流域95個國家氣象站經(jīng)過質(zhì)量檢驗的逐月降水量數(shù)據(jù)，氣象站點分布如圖1所示。地圖底圖數(shù)據(jù)來源于標準地圖服務系統(tǒng)（ht?tp：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）。

1.2.4經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）

經(jīng)驗正交函數(shù)分解又稱主成分分析，是氣象診斷中常用的方法之一。其原理是將原變量場分解為幾個互不相關的典型模態(tài)，在典型模態(tài)中盡可能多地保留原變量場的相關信息。該方法具有易于使用、不受站點分布限制、原始信息保留較完整和快速展開收斂等特點。該方法計算公式見文獻[13]。

2黃河流域降水量時空變化特征分析

2.1時間變化特征分析

2.1.1流域年降水量變化特征

對黃河流域95個氣象站點1961—2019年月降水量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，流域平均年降水量為472mm，年際波動大（年變異系數(shù)為0.13），最大值出現(xiàn)在1964年（672.2mm），最小值出現(xiàn)在1997年（341.4mm），二者相差330.8mm。降水量主要集中在汛期（6—9月），約占年降水量的69%，非汛期（10—5月）降水量約占年降水量的31%。流域年降水量逐年變化及5a滑動平均序列如圖2所示。一元線性回歸分析顯示1961—2019年年降水量呈下降趨勢（氣候傾向率為-0.575mm/10a），但總體下降趨勢不顯著（未通過α=0.05顯著性檢驗）。柳春[14]、劉萍等[15]、陳磊[16]在其研究中均指出1961年以來黃河流域的降水量變化呈波動下降趨勢，但這種趨勢并不顯著，與本文的研究分析結果一致。

由降水量5a滑動平均序列可見，1961—1972年黃河流域年平均降水量有波動下降趨勢，1973—1984年為波動略上升階段，1985—2001年呈略下降趨勢，2002—2019年呈略上升趨勢。這與陳磊[16]研究認為黃河流域年平均降水量有兩個上升期和兩個下降期的結論基本一致。

對黃河流域年降水量進行Mann-Kendall趨勢和突變檢驗（見圖3），UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量在1964年有交點，結合UF統(tǒng)計量變化和5a滑動平均值變化，認為黃河流域年降水量在1964年發(fā)生突變性減少，之后波動下降—上升—下降—上升，但絕大多數(shù)年份未超過0.05顯著性水平，即升降趨勢不顯著，這些結論和5a滑動平均序列判斷是一致的。盡管UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量在1961年、1963年、2017年、2018年也有交點，但由于前后持續(xù)時間太短，因此變化趨勢和突變分析無實際意義。

就四季（3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季）降水量而言，1961—2019年黃河流域四季降水量存在明顯差異。夏季降水最多，平均值為253.5mm，冬季降水最少，平均值為12.9mm，秋季降水多于春季，分別為117.7mm和87.2mm。四季降水量分別占年降水量的18.5%、53.8%、25.0%、2.7%。黃河流域降水季節(jié)分布極度不均的原因主要是受大氣環(huán)流的影響，其引導不同性質(zhì)氣團的活動，從而影響了降水的形成，并導致不同季節(jié)出現(xiàn)不同的氣象災害[17-19]。

一元線性回歸分析（圖略）顯示，春、夏、秋、冬四季的降水量氣候傾向率分別為-0.2、0.6、-2.1、0.7mm/10a，均未通過α=0.05顯著性檢驗。因此，黃河流域夏季和冬季降水量呈不顯著增加趨勢，春季和秋季降水量呈不顯著減少趨勢。

2.1.2上、中、下游地區(qū)降水量變化特征

黃河上、中、下游地區(qū)的平均年降水量有明顯差異（見圖4），其下游的年降水量最多，平均值為588.4mm，其次為中游，平均值為500.2mm，上游的年降水量則最少，平均值為384.4mm。這與其所處的氣候區(qū)有關，上游地區(qū)大多位于我國的干旱和半干旱氣候區(qū)，中游和下游地區(qū)則大多位于半濕潤氣候區(qū)，即400mm等降水量線以東。通過對黃河流域年降水量變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，上、中、下游地區(qū)的降水量氣候傾向率分別為3.5、-4.4、-11.4mm/10a，均未通過α=0.05顯著性檢驗，故黃河上游年降水量呈不顯著增加趨勢，中游和下游年降水量呈不顯著減少趨勢。

黃河流域各季節(jié)上、中、下游地區(qū)的降水量氣候傾向率分析結果見表1，上游地區(qū)在春、夏、冬季均有增加趨勢，且冬季呈顯著增加趨勢;中游在春、秋季呈不顯著減少趨勢，夏、冬季呈不顯著增加趨勢;下游地區(qū)在春、夏、秋季呈不顯著減少趨勢，冬季呈不顯著增加趨勢。

2.2降水量空間變化規(guī)律分析

2.2.1降水量空間分布

黃河流域多年平均年降水量分布總體上呈現(xiàn)“東多西少，南多北少”的特點（見圖5），這是大氣環(huán)流、地形、地理位置等影響因素的綜合效應。黃河流域降水量空間分布不均，差異較大，西北部降水量最少，降水量由東南向西北遞減。多年平均年降水量最大值出現(xiàn)在下游的泰山站，最小值出現(xiàn)在上游的臨河站。

黃河流域各季節(jié)降水空間分布（見圖6）雖有所不同，但大體與年降水量空間分布一致。春季降水（見圖6（a））表現(xiàn)出由南向北遞減的特征，降水量高值區(qū)在華山和秦嶺附近;夏季降水量高值區(qū)主要集中在下游地區(qū)，特別是山東省境內(nèi)，中上游地區(qū)降水較少（見圖6（b））;秋季降水空間分布表現(xiàn)出從東南向西北遞減的特征，總體上分布與春季相似（見圖6（c））;冬季降水（見圖6（d））空間分布特征與夏季相似，降水主要集中在下游地區(qū)，上游和中游降水較少。這與陳磊等[20]從干濕角度分析得到的結論基本一致。

2.2.2降水量變化空間模態(tài)分析

利用EOF分解技術對1961—2019年黃河流域降水量進行時空分解，并進行顯著性檢驗，得到黃河流域年降水場主要時空分布模態(tài)。EOF分解特征向量和特征值誤差范圍表明，降水場前兩個特征向量累計貢獻率達44.5%，且通過North顯著性檢驗，因此第一特征向量及第二特征向量能較好地表達1961—2019年黃河流域降水量空間分布特征。

分布模態(tài)的第一特征向量貢獻率為32.1%，遠高于其他特征向量的貢獻率，為黃河流域降水量的主要空間分布形式（見圖7（a））。該特征向量的各分量均為負值，這表明黃河流域各區(qū)域變化趨勢基本一致，即黃河流域均為降水偏多或偏少分布。泰山、延安、西峰和長武的變化數(shù)值絕對值較大，屬變化量大的地區(qū)。第一模態(tài)的特征值呈從西北向東南減少的趨勢，說明黃河流域東南部降水量波動比西北部大。

第二特征向量的貢獻率為12.4%，也是1961—2019年黃河流域降水量的主要空間分布形式（見圖7（b））。該特征向量的各分量既有正值也有負值，說明黃河流域有兩種分布模態(tài)，即黃河流域內(nèi)降水偏多和偏少共存。介休—延安—崆峒以北地區(qū)即流域西北部為負值地區(qū)，介休—延安—崆峒以南地區(qū)即流域東南部為正值地區(qū)。烏審召、神木為負值地區(qū)的高值區(qū)，武功為正值地區(qū)的高值區(qū)，這說明上述地區(qū)為降水量波動大的地區(qū)。

根據(jù)EOF分解的黃河流域降水量空間模態(tài)可知，黃河流域降水場存在4種形式：第一模態(tài)決定全年全流域降水偏多或偏少的分布特點;第二模態(tài)決定流域西北部降水偏多（東南部降水偏少）或者西北部降水偏少（東南部降水偏多）的分布特點。

特征向量所對應的時間系數(shù)代表了由特征向量所表征的分布形式的時間變化特征。時間系數(shù)為正值代表與空間模態(tài)同方向，負值則相反。時間系數(shù)的絕對值越大，表示這種分布形式越顯著。第一模態(tài)時間系數(shù)線性趨勢為上升（見圖8（a）），說明黃河流域59a來降水有減少趨勢。在1961—2019年59a間，時間系數(shù)為正值的有31a，這31a全流域降水偏少，剩下的28a降水偏多。第二模態(tài)時間系數(shù)線性趨勢為下降（見圖8（b）），說明59a來流域東南部降水呈減少趨勢，西北部降水呈增加趨勢。根據(jù)時間系數(shù)絕對值對各模態(tài)各年降水情況進行劃分，結果見表2。

3討論與結論

基于95個國家氣象站的月降水量數(shù)據(jù)，利用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall突變檢驗以及經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法，對黃河流域1961—2019年降水量的時空變化特征進行分析，并將分析結果與前人研究結論進行對照，總結出黃河流域1961—2019年降水量的氣候變化特征如下。

（1）1961—2019年黃河流域降水量總體呈不顯著的下降趨勢。1961—1972年和1985—2001年為兩個年降水量下降期，1973—1984年和2002—2019年兩個時段年降水量呈上升趨勢;1964年前后年降水量發(fā)生突變性減少;黃河流域年降水量主要集中在汛期（6—9月），約占全年的69%;黃河流域整體夏季和冬季降水量呈不顯著增加趨勢，春季和秋季降水量呈不顯著下降趨勢。

（2）黃河流域上、中、下游年降水量差異較大，下游平均降水量最多，中游次之，上游最少;上游地區(qū)年降水量呈不顯著增加趨勢，中游和下游呈不顯著減少趨勢;除上游地區(qū)在冬季呈顯著增加趨勢外，各地區(qū)在四季表現(xiàn)出不顯著增加或減少趨勢。

（3）根據(jù)EOF分析，1961—2019年黃河流域年降水場前兩個特征向量累計貢獻率達44.5%，能較好地表達其時空變化特征。其第一特征向量場呈一致性分布，第二特征向量場呈“西北-東南”反位相分布。

（4）根據(jù)第一和第二模態(tài)時間系數(shù)，可將黃河流域不同年份降水特征劃分為4種分布形式：全流域偏少、全流域偏多、流域東南部偏多（西北部偏少）和流域西北部偏多（東南部偏少）。

【責任編輯 張帥】