黄土高原近50年降水量时空变化特征分析

王利娜，朱清科，仝小林，王　瑜，陈文思，卢纪元

(1.北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室， 北京 100083；2.延安市退耕还林工程管理办公室， 延安 716000)



黄土高原近50年降水量时空变化特征分析

王利娜1，朱清科1，仝小林2，王瑜1，陈文思1，卢纪元1

(1.北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室， 北京 100083；2.延安市退耕还林工程管理办公室， 延安 716000)

摘要：为了揭示黄土高原近年来降水量的时间变化和空间分布特征，以黄土高原区域及周边72个气象基准站1961—2012年52 a逐日降水资料为基础，通过泰森多边形法将各雨量站的降水量展布到整个区域，采用M-K趋势检验法分析年降水的年际、年内时空变化特征。结果显示：(1) 黄土高原年降水量时间变化呈缓慢下降趋势，UFK曲线小于0且没有超出置信线。空间上整体呈下降趋势，出现阳泉、榆社站两个显著减少中心，β值分别为-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1。(2) 黄土高原春季多年平均降水量整体呈不明显下降趋势，1961—1963年与1966—1987年降水量呈减少趋势，1963—1966年与1987—2012年呈增加趋势。空间上西部、北部地区大部分呈增加趋势，五台山增加幅度最大，β值为2 mm·10a-1。(3) 夏季多年平均降水量呈明显下降趋势，2008年左右为突变点，2008年以后降水量下降显著。空间上整体呈下降趋势，较明显的减少中心有环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值分别为-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。(4) 秋季多年平均降水下降趋势显著，空间变化与夏季类似，减少中心依然是环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值均为-0.8 mm·10a-1。(5) 冬季多年平均降水量整体呈明显上升趋势，空间上降水变化呈缓慢上升趋势，最大上升中心华山，β值仅为0.95 mm·10a-1。

关键词：降水量；时空变化；M-K检验法；黄土高原

黄土高原是中国乃至世界水土流失最为严重的地区之一[1]，大气降水既是黄土高原地区水分的主要补给来源，又是产生土壤侵蚀的重要因素，降水量与降水强度的变化决定水土流失发生的强度和影响范围。近年来，在全球气候变暖的背景下，水循环速度加快，使得水循环系统的稳定性降低，干旱、暴雨等极值天气过程呈现出广发、频发的态势，给我国自然生态系统和社会经济系统带来了多层次的负面影响[2]。国内外诸多学者对此展开一系列研究[3-7]，据相关资料显示，20世纪黄土高原降水在时间序列上经历了由少许的增加转向减少的过程[8-11]。黄土高原年降水量在空间上由东南向西北递减，且200、400、600 mm降水量等值线不断南移[12]。掌握变化环境下降水量的时空变化趋势，可以为防治水土流失起到指导作用。

本文以黄土高原为研究对象，采用M-K法对黄土高原区域及周边72个气象站点年降水量进行趋势检测，揭示黄土高原近50年年降水的年际、年内时空变化趋势，以期为黄土高原区域防治水土流失灾害的预测与应对提供科学依据。

1研究区域概况

黄土高原的范围至今尚无定论[13]，本文采用黄土高原地区综合科学考察队界定的范围：地处100°52′～114°33′E，33°41′～41°16′N之间，即秦岭山脉以北，阴山山脉以南，太行山脉以西，青藏高原东缘以东，总面积约62.38万km2。黄土高原地区地势西北高、东南低，海拔1 000～2 000 m，区域地理位置及地形分布如图1所示。郑宝明等[14]根据黄土高原地区的地形、地貌等自然条件将黄土高原分为黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、黄土阶地区、冲积平原区、高地草原区、干旱草原区、土石山区、风沙区和林区九大类型区。黄土高原地区涉及5省(自治区)的34个地(市)191个县(旗)，研究区基本情况见表1。

黄土高原的气候既受经、纬度的影响，又受地形的制约，属于典型大陆季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润，雨热同步。年平均温度9℃～12℃，最冷月平均温度-6℃～-2℃，最热月平均温度22℃～26℃；全年日照时数为2 000～3 000 h。黄土高原除六盘山、吕梁山、太行山等高大山体附近气候冷凉外(≥10℃积温小于2 500℃，无霜期120 d)，大部分地区属暖温、中温带，≥10℃积温为2 500℃～4 500℃，无霜期150～250 d。年降水量为200～600 mm，其中东南部地区年降水量为650～700 mm，是区内降水最丰沛的地区。黄土高原降水量年内分布极不均匀，多集中于夏季，占全年降水量的56.7%，秋、春、冬季各占全年降水量的26.7%、4.5%、2.1%。降水量年际变化率大，丰水年可达695 mm，干旱年只有200 mm，500～550 mm降水量保障率只有17.7%。

2数据及研究方法

2.1数据选取

综合考虑各站点资料的可靠性和完整性以及在黄土高原区域的代表性，选取由气候中心提供的黄土高原区域内及附近72个常规气象站1961—2012年52 a系列地面气象逐日降水观测资料。资料较完整，所选站点空间分布尺度较均匀，遍布整个黄土高原及周边区域。就统计学角度而言，通过分析这些长系列资料所获取的趋势分析结果较可信。

2.2方法分析

2.2.1泰森多边形泰森多边形是通过离散雨量站点的降雨量来计算整个区域平均降雨量的计算方法。具体步骤：首先将相邻的任意两个离散雨量站点相连形成若干个三角形，再对各三角形的三边分别做垂线，垂线相交可形成若干个不规则多边形，即泰森多边形。每个泰森多边形中都存在唯一一个雨量观测站点，这个站点所观测的降雨数据代表整个泰森多边形范围内的降雨量。这一过程可通过ArcGIS绘制完成，结果见图2。

图2泰森多边形网

Fig.2The Tyson polygon network

2.2.2M-K检验法M-K法是由世界气象组织推荐，广泛应用于水文气象要素时间序列趋势分析的一种方法，是一种非参数统计检验方法，既不需要样本遵从一定分布又不受少数异常值干扰，因此更适合非正态分布或删减后的时间序列分析[15-16]。此外，M-K法还可以对时间序列进行突变检验，确定发生突变的位置，分析不同阶段序列的变化趋势。假定时间序列随机独立，得出以下统计量：

(1)

D(dk)=K(K-1)(2K+5)/72

(2)

式中，ri为第i个样本Xi的累计数，Xj

另外，其Kendall倾向度β值可衡量趋势的大小，β值为正表示上升趋势，为负表示下降趋势，绝对值越大表示趋势上升或下降越显著。计算公式如下：

(3)

式中，1≤j

3结果与讨论

3.1降水时间变化特征分析

统计分析黄土高原1961—2012年降水量年际、年内变化趋势，并采用M-K秩次相关检验法对研究区降水因子变化趋势进行显著性检验分析，本文在置信度α=0.05的水平上检验变化趋势与突变点，如图3所示。

从图3(A)可知，黄土高原年降水量整体变化不显著。近50 a降水量在310～693 mm之间变化，最低值和最高值分别出现在1965年、1964年，多年平均降水量为470 mm。从UFK曲线可以看出，除1964、1967、1985、1990年为正值外，其余时间序列均小于0，表明年降水量总体呈下降趋势。因UFK值没有超出置信线，则表明近50 a年降水量变化不显著。

图3黄土高原1961—2012年降水量年际(五年滑动平均)、年内变化趋势及M-K曲线

Fig.3The variation tendency of annual precipitation (five-years moving average)

during 1961—2012 and M-K curve in Loess Plateau

从图3(B)可知，黄土高原春季多年平均降水量占全年的15.67%，整体呈不明显下降趋势，近50 a降水量中只有17 a高于多年平均降水量。1971—1982年连续12 a出现少雨现象。从UFK曲线可以看出，1963年、1966年和1987年将春季降水量时间序列分成四个阶段，1961—1963年与1966—1987年降水量呈减少趋势，1963—1966年与1987—2012年呈增加趋势。又因UFK值没有超出置信线，则表明近50a春季降水量变化不显著。

从图3(C)可知，黄土高原夏季多年平均降水量占全年的54.72%，多年平均降水量为257 mm，整体呈明显下降趋势。近50 a夏季降水量极大值343 mm亦出现在1964年，表明年降水量极大值出现在这年，夏季降水量占很大比例。从UFK曲线可以看出，整个时间序列均小于0，表明夏季降水量呈下降趋势。因2008年以前没有超出置信线，表明1961—2008年夏季降水量变化不显著，2008年以后，UFK曲线超出置信线，表明2008—2012年夏季降水量下降显著，而2008年是突变点，表明降水量变化趋势发生突变。

从图3(D)可知，黄土高原秋季多年平均降水量占全年的27.36%，整体呈明显下降趋势，近50 a降水量只有12 a高于多年平均降水量。1986—2002年连续17 a出现少雨现象。从UFK曲线可以看出，整个时间序列均小于0，表明秋季降水量呈下降趋势。1991—2006年UFK值超出置信线，表明这段期间秋季降水量下降显著。1991年和2006年是突变点，表明降水量变化趋势发生突变。

从图3(E)可知，黄土高原冬季多年平均降水量占全年的2.25%，整体呈明显上升趋势。多年平均降水量10.57 mm，最高值27.23 mm出现在1989年，最低值0.08 mm出现在1976年。1961—1980年连续20 a出现少雨现象。从UFK曲线可以看出，1978年以前，UFK值有正有负，且在0附近波动，表明冬季降水量变化不大。1978年以后，UFK值大于0，表明冬季降水量呈增加趋势，且在1981年以后超出置信线，表明1981—2012年冬季降水量增加趋势显著，1981年为突变点，降水量变化趋势发生突变。

3.2降水空间变化特征分析

3.2.1多年降水空间变化特征计算黄土高原区域及附近72个气象基准站52 a年降水量的Kendall倾斜度，再用GIS空间分析生成等值线(图4)。从图中可以看出，整个区域降水倾斜度β值负值居多，说明整体呈下降趋势，且负值绝对值大于正数，则下降幅度比上升幅度大。在阳泉站和榆社站存在两个显著的减少中心，β值分别为-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1，是整个区域降水减少幅度最大的站点。区域的西部地区和北部地区降水倾斜度均为正值，降水呈缓慢上升趋势，最大值出现在西部地区边界线附近，仅为1.8 mm·10a-1。

图4黄土高原年降水Kendall倾斜度等值线

Fig.4The isoline of Kendall gradient of annual

precipitation in the Loess Plateau

3.2.2年内降水空间变化特征同样应用上述方法对黄土高原年内各季降水空间分布特征进行研究，如图5所示。春季(图5A)黄土高原降水大部分呈增加趋势，主要分布在西部地区和北部地区，其中增加幅度最大的站点是五台山，β值为2 mm·10a-1，其次是华家岭、五寨和右玉，β值均为0.7 mm·10a-1。β值为负值的站点集中在区域的西南地区，主要有同心、固原、平凉、长武和武功等，β值分别为-0.2、-0.3、-0.1、-0.4 mm·10a-1和-1.1 mm·10a-1。

夏季(图5B)黄土高原降水除五台山(2.2 mm·10a-1)和五寨(0.7 mm·10a-1)两个上升趋势明显的站点外，其它均呈下降趋势，从西南向东北，下降幅度变化先变大再变小。其中5个较明显的减少中心出现在环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值分别为-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。

秋季(图5C)黄土高原降水空间变化趋势与夏季类似，除五台山(2.2 mm·10a-1)和五寨(0.6 mm·10a-1)两个明显的上升中心外，其它各站均不同程度地呈下降趋势，下降幅度比夏季略小，减少中心没有变，依然是环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值均为-0.8 mm·10a-1。整体下降幅度变化亦是从西南向东北逐渐先变大后变小。

冬季(图5D)黄土高原降水均呈上升趋势，上升趋势不显著，从西北向东南上升幅度逐渐变大，但最大的上升中心华山，β值也仅为0.95 mm·10a-1。其次是长武、洛川和阳城，β值均为0.6 mm·10a-1。区域内存在三个基本无变化的点有吴旗、离石和西安，β值趋于零。

图5黄土高原年内降水量Kendall倾斜度等值线

Fig.5The isolihe of the Kendall gradient of seasonal precipitation in the Loess Plateau

4结论

本文以黄土高原区域为研究对象，获取区域内及周边72个气象基准站逐日降水资料，年序列为1961—2012年共52 a。通过泰森多边形法将各雨量站的降水量展布到整个区域，再采用M-K趋势检验法分析年降水的年际、年内时空变化特征，初步得到下列结论：

(1) 黄土高原年降水量时间变化整体呈缓慢下降趋势，UFK曲线在近50 a时间序列均小于0且没有超出置信线；空间上，年降水量呈下降趋势，阳泉、榆社站出现两个显著减少中心，β值分别为-3.3 mm·10a-1和-2.1 mm·10a-1，区域的西部地区和北部地区降水呈缓慢上升趋势。

(2) 黄土高原春季多年平均降水量整体呈不明显下降趋势，1961—1963年与1966—1987年降水量呈减少趋势，1963—1966年与1987—2012年呈增加趋势，UFK值没有超出置信线，没有突变点。空间上，区域的西部地区和北部地区大部分呈增加趋势，五台山增加幅度最大，β值为2 mm·10a-1，区域的西南地区β值为负值的站点较集中。

(3) 夏季多年平均降水量呈明显下降趋势，UFK曲线在整个时间序列均小于0，2008年左右为突变点，2008年以后降水量下降显著。空间上，大部分站点降水呈下降趋势，下降幅度变化由西南向东北先变大再变小，较明显的减少中心有环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值分别为-0.9、-0.9、-0.8、-0.8 mm·10a-1和-0.8 mm·10a-1。

(4) 秋季多年平均降水下降趋势显著，整个时间序列UFK曲线均小于0，1991年和2006年是突变点，1991—2006年降水量下降趋势发生突变。空间变化与夏季类似，减少中心依然是环县、延安、西峰镇、平凉和临汾，β值均为-0.8 mm·10a-1。

(5) 冬季多年平均降水量整体呈明显上升趋势，1981年以后UFK值超出置信线，降水量变化趋势发生突变。空间上降水变化呈缓慢上升趋势，由西北向东南上升幅度逐渐变大。最大上升中心华山，β值仅为0.95 mm·10a-1。

参 考 文 献：

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Characteristic analysis of temporal and spatial variation of precipitation during recent 50 years in Loess Plateau

WANG Li-na, ZHU Qing-ke, TONG Xiao-lin, WANG yu, CHEN Wen-si, LU Ji-yuan

(1.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombat,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,China,Beijing, 100083;2.ManagementofficeofreturningfarmlandtoforestprojectoftheYananCity,Yanan, 716000)

Keywords:precipitation; temporal and spatial variation; M-K test method; Loess Plateau

Abstract：In ording to reveal the characteristic of time variation and spatial distribution of precipitation during recent years in Loess Plateau, based on the 52 years daily precipitation data from 1961 to 2012 in the Loess Plateau Region and surrounding 72 meteorological stations, the Tyson polygon method was applied to distribute the precipitation in each rainfall station to whole region.The M-K trend test method was adopted to analyze the characteristics of yearly precipitation temporal and spatial variation. The results showed that: (1) The annual rainfall in Loess Plateau has showed a trend of slow decline with time, UFK curve was less than zero and not exceeded the confidence line. In space whole showed a decline trend and appeared two significant reduction centers as Yangquan and Yushe Stations, theβvalue was -3.3 mm·10a-1and -2.1 mm·10a-1, respectively. (2) The multi-year average rainfall in Spring of the Loess Plateau has showed no obvious decline trend on the whole. The precipitation from 1966 to 1987 and 1961 to 1963 has showed a decrease trend; but from 1963 to 1966 and 1987 to 2012 has showed an increase trend. In space most of the west and north region has showed an increase trend. The Wutai Mountain was the maximal increase range, theβvalue was 2 mm·10a-1. (3) The multi-year average rainfall in Summer has showed an obvious downward trend, around 2008 was the mutation point, after 2008 the precipitation has notablely decreased. In space has showed a decline trend on the whole, rather obvious decrease centers were Huanxian, Yan'an, Xifeng, Pingliang and Linfen, theβvalue was -0.9,-0.9,-0.8,-0.8 mm·10a-1and -0.8 mm·10a-1, respectively. (4) The multi-year average precipitatio in Autumn has showed a notable decrease trend, the space change was similar with Summer, the decrease centers still was the Huanxian, Yan'an, Xifeng, Pingliang and Linfen. Theβvalue total was -0.8 mm·10a-1. (5) The multi-year average rainfall in Winter was showed an obvious rising trend on the whole, the changes slowed a slowly rising trend on the space, the largest rise center was Huashan, theβvalue was only 0.95 mm·10a-1.

文章编号：1000-7601(2016)03-0206-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.33

收稿日期：2015-05-22

基金项目：国家林业公益课题“黄土丘陵严重侵蚀区植被恢复和重建技术研究(201104002-2)

作者简介：王利娜(1985—)，女，河北承德人，博士，研究方向为水土保持与荒漠化防治。 E-mail:lina8509@163.com。 通信作者：朱清科(1956—)，男，博士(后)，讲师，主要从事水土保持与荒漠化防治。 E-mail:zhuqingke@sohu.com。

中图分类号：S161.6

文献标志码：A