1957—2011年陕西省降水特征分析及趋势判断

胡 胜，曹明明，李 婷，邱海军，张中旺，刘 琪，刘 闻

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127;2.湖北文理学院地理系，湖北襄阳 441053)

全球气候变化是毋庸置疑的，特别是以全球气候系统变暖为代表的全球性环境问题已受到广泛关注［1-5］。近百年来，全球平均气温已上升了0.74℃［6］，中国年均地表气温比同期全球升温幅度平均值(0.6℃ ±0.2℃)略高［7］。陕西省在过去的50多年间，气温也有所增加，年均降水量的线性减少率为19.6 mm/10a［8］。由于陕西省地处我国中西部地区，受秦岭和黄土高原的阻挡，区内气候差异十分显著［9-10］，是东亚季风气候的敏感区域。20世纪90年代，陕北地区的干旱化趋势没有得到缓解，而陕南地区蒸发量也明显增加［11］。

本文将陕西省作为研究区域，采用距平均法、R/S分析法和小波分析等方法，并利用ArcGIS平台，旨在分析陕西省降水特征及其时空演变规律，判断陕西省降水及干旱发生的记忆性特征，揭示陕西省降水变化的多时间尺度的复杂结构，并根据主周期对未来降水变化进行趋势判断，以便为研究陕西省水资源演变、西部气候变化以及农牧业结构调整、生态建设与恢复提供一定的参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究采用的气象数据来源于陕西省气象局和中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)提供的中国地面气候资料月值数据集，从数据集中获取研究区境内22个气象站点(图1a)1957—2011年的逐月降水量;DEM数据来源于国际科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn)全球30m分辨率数字高程数据产品。

1.2 距平分析法

距平分析法主要利用变差系数cv来反映时序变量xi随时间变化的剧烈程度，若cv越大，表明离散程度越大，时序变量xi的波动程度也越强烈。

1.3 R/S分析法

R/S分析法是最初由英国水文专家Hurst在研究尼罗河水文问题时提出的一种时间序列统计分析方法，后经 Mandelbrot，Wallis，Lo等多人发展使其更加成熟。尤其在时间序列变化研究方面，R/S分析法得到了充分的应用［12-16］。

1.4 小波分析

小波分析(Wavelet Analysis)是一种时、频多分辨率方法，基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数。本研究采用常用的墨西哥帽小波(Mexican Hat)函数对陕西省的降水时间序列进行连续小波变换［15］。

2 分析与结果

2.1 降水量空间演变格局分析

研究表明1957—2011年，400 mm和800 mm等降水量线均有总体南移的趋向，但由于受降水量增加的影响，2007—2011年两条曲线有所北移。800 mm等降水量线移动的速度和范围要比400 mm大很多。400 mm等降水量线西段移动缓慢，而中段和东段移动范围较大。陕西省平均降水量在323.4～917.6 mm范围内变动，受地带性规律的影响，降水量随着纬度增高而减少。

2.2 降水量年际变化分析

2.2.1 年降水量变化特征 22个站点的降水特征值最大年降水量在553.5～1 462.8 mm内变动，最大降水年出现在1983年(汉中站)，最小年降水量在159.1～603.8 mm之间变动，最小降水年份为1965年(榆林站)，最大降水量是最小降水量的9倍多，两站点降水量相差1 300多mm。各站点的变差系数cv都较大，其中变差系数最大的是位于陕北农牧交错区的定边站(0.28)，最小的是洛川、镇安和安康3个站点，变差系数均为0.20。22个站点变差系数均高于0.20，说明区内降水量年际变化较大，震荡剧烈。

2.2.2 季节降水量变化特征 图1显示，1年时间尺度上，春季降水量在20世纪60～80年代的距平值基本为正值，这一时段为丰水期。然而90年代以后，70%年份的距平值处于负值，说明近20多年来春季降水量呈减少趋势，处于缺水状态;夏季降水量距平值呈震荡状态的变化，丰水期集中在1978—1990年，其余大多数年份处于缺水状态;而55年间负值在秋季距平值序列中占主导地位，与夏季和冬季比较，秋季距平变化更为剧烈，1985年以后明显处于缺水期，这种状况持续了近25年;冬季距平值1989年比较特殊，偏离均值40 mm，其他年份波动较为平稳。此外，秋季降水量滑动趋向变化趋势与年平均降水量滑动平均曲线波动极为吻合，主要是因为秋季处于夏季与冬季之间，属于降水变化的过渡阶段，总体呈下降趋势。

2.3 降水量R/S分析

2.3.1 年降水序列持续特征 1年时间尺度上，三大地形区的H值均大于0.5。这表明三大地形区降水过程具有持续性特征，未来趋势与历史时期变化趋势关联性强。其中，关中平原和秦巴山区H值分别为0.709，0.686，持续性等级均为较强，黄土高原H值为0.589，持续强度等级为较弱，陕西省总体H值为0.692，处于较强等级。

2.3.2 季节降水序列持续特征 三大地形区四季Hurst指数均大于0.5，说明4个季节的降水趋势也具有持续性，H值最大值为0.796(4级)，最小值0.501(1级)。但每个季节的Hurst指数又有所差异，陕西省秋季Hurst指数等级最高，降水持续性特征最强，春夏其次，冬季最低。

图1 不同季节降水量距平变化情况Fig.1 Precipitation anomaly changes of 4 seasons

2.4 降水量变化周期分析

春季降水量在34年时间尺度上，周期震荡非常显著，直到2011年等值线仍为闭合，说明未来几年春季降水量将继续偏多，目前正处于降水偏多时期;夏季降水量在34年时间尺度上震荡最为显著，34年为其主周期。目前等值线即将闭合，说明夏季降水偏多期也将随之结束;秋季降水量在34年时间尺度上震荡最为显著，34年为其主周期，未来2～3年仍处于多水期;冬季降水量在24年时间尺度上振荡最明显，在此尺度上，2011年已经开始进入降水偏少期;34年为年均降水量小波方差的峰值，说明34年为其主周期。在此尺度上，年降水量经历了多→少→多→少→多5个循环交替，陕西省未来2～3年仍处于多水期。

2.5 降水量未来趋势判断

在34年时间尺度上可以判断未来陕西省降水变化的趋势:从长期来看，陕西省降水量呈总体减少的趋势，并且具有较强的持续性特征。从短期来看，陕西省降水量会经历多水期和少水期循环交替。春季降水量在2012—2014年仍处于多雨期，2015—2026年降水量将偏少，春季干旱的几率随之增加。夏季降水已经进入少水期，这种状况预计会持续到2022年左右，夏季暖干化趋势加强。秋季未来2～3年仍处于多水期，但2015年以后降水将偏少。冬季已经开始进入降水偏少期，这种状况最长会持续8年。年降水量虽然未来2～3年仍处于多水期，但2015年以后的11年将会一直处于少水期。总体来看，陕西省降水处于多雨期末期，2015年以后降水量将会有所减少，进入长达11年的少水期，未来暖干化趋势更加明显。

3 结论

通过以上研究，本文认为过去50多年间陕西省降水特征明显，规律性强。主要体现在以下几方面:①陕西省降水空间变化表现为从东南向西北逐渐递减，1957—2011年陕西省年降水量一直处于下降趋势，线性倾向率为-9.7 mm/10 a，400 mm和800 mm等降水量线总体南移的趋向进一步说明了降水量呈减少的趋势。②陕西省降水量年际变化震荡剧烈、稳定性差，在1年和5年时间尺度上全年降水量和各个季节降水量变化均呈波动态势，春季和秋季波动剧烈，下降趋势明显。③降水变化过程持续性强，季节和年降水量H值都大于0.5，这表明陕西省降水未来变化将与过去的变化趋势一致，但不同地区和时间尺度的持续性有所不同。④降水过程具有一定的周期性，年均降水量和春夏秋季都存在34年时间尺度的周期，冬季为24年。此外，春秋冬三季除了具有第一周期外，还具有分别以10年、13～17年和6～10年的第二周期。⑤虽然陕西省未来2～3年仍处于多水期，但2015年以后陕西省将会进入少水期，这种状况最长会持续11年之久，这与太阳黑子周期的变化相一致，未来陕西省暖干化趋势将凸显。

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