陇东地区1978—2018年夏季降水变化特征分析

刘 翔， 路亚奇， 韩 晶， 张 峰

（甘肃省庆阳市气象局，甘肃庆阳 745000）

陇东地区位于甘肃省东部，是黄土高原的重要组成部分，西以六盘山为界，东与子午岭为邻，地处泾河流域中上游，地势从北向南依次递减，形成落差较大、山川塬为主、沟峁梁相间的复杂地形. 该地区黄土层深厚，土质疏松，植被稀少，因其处于亚欧大陆腹地向青藏高原和东亚季风区延伸的地带，周边高山高原围绕，孟加拉湾、南海和东海水汽均难以到达，形成了典型的温带大陆性气候. 陇东地区降水主要集中在夏季，其时空分布存在极大的不均衡性，且呈现为突发、频发的局地阵性降水天气. 陇东地区生态环境脆弱敏感、水土流失严重，又属于典型的旱作农业区，夏季多发频发的局地极端降水，极易发生山洪地质灾害和城乡内涝，从而造成较严重的社会经济损失.

目前，对我国西北地区夏季降水的周期变化规律及环流因子、天气学和物理机制的研究报道已有很多［1-4］.王秀荣等分析了西北地区春、夏季降水的水汽输送特征［5］. 何金海等研究发现影响西北地区夏季多、少雨年的相关区域环流特征和水汽输送特征存在显著差异［6］. 陈冬冬等分析了近五十年西北地区东、西部不同强度降水的变化特征［7］. Chen 等对中国西北地区7 月份的降水变化及相应的大气遥相关模式进行了分析［8］.朱晓炜等分析了索马里越赤道气流的变化特征及与西北地区东部夏季降水的相关性和影响机理［9］. 张仲杰等对西北地区东部夏季降水异常的环流特征和水汽特征进行了分析［10］. 宋瑶等研究指出西北地区东部夏季各等级降水在1996年由多转少且存在较明显的2～3 a的短周期［11］. 杨金虎等对西北地区东部汛期季节内分布特征进行了分析［12］. 可以看出，迄今的大多研究是对整个西北区域进行分析，而针对六盘山以东、子午岭以西的陇东地区的研究则相对较少，且陇东地区与西北区域面上的研究是否一致也有待论证. 因此，本研究从气候态的稳定性、周期性和趋势性方面着手，分析了1978—2018年陇东地区夏季降水变化特征，以期从点和面上为我国西北地区气候变化规律的研究提供支持. 本研究对防御当地夏季极端降水诱发的灾害也具有一定指导意义.

1 资料和方法

本研究所用陇东地区13个地面气象站1978年至2018年夏季（6—8月）逐日累计降水资料，来自于中国气象局组织维护的综合气象信息共享平台（CIMISS）. 本研究参照中华人民共和国国家标准（GB/T 28592—2012），定义降水日数（雨日）为降水量大于等于0.1 mm的日数，定义降水强度（雨强）为降水量与降水日数之比.

本研究根据需要对研究区域降水作相关统计，采用反距离权重法、趋势分析法研究降水趋势以及空间分布；通过Mann-Kendall 突变检验（以下简称M-K检验）、滑动t检验等突变检验方法和Morlet小波分析，分别对陇东地区1978—2018年夏季降水突变特征和周期变化规律进行研究.

2 结果与分析

2.1 陇东地区夏季降水空间分布特征

分析图1（a）可知，陇东地区西南部和东南部夏季平均降水量最大，其次为南部，总体呈现出由南向北递减的特征. 其中，位于东南部边缘的正宁站是整个陇东地区的最大值中心，夏季平均降水量为325.90 mm.与正宁站毗邻的宁县站、合水站处于最大值中心外围，夏季平均降水量分别为301.15 mm、301.00 mm. 华亭站处于陇东地区西南部，是仅次于正宁站的一个大值中心，夏季平均降水量为323.21 mm. 陇东地区西北部夏季平均降水量较少，最小值中心出现在西北部边缘的环县站，夏季平均降水量仅为243.77 mm. 统计陇东地区各站降水日数，经过反距离权重法差值处理，得到陇东地区夏季降水日数空间分布图（图1（b））. 与图1（a）对比可知，多年平均降水量及平均降水日数的空间分布特征比较相似，二者均呈现出北部少南部多的特征.其中，平均降水日数的最大值中心出现在陇东地区西南部的华亭站，达39.29 d；次大值中心位于陇东地区西南部的正宁站，为37.32 d. 西北部的平均降水日数较少，最小值中心位于环县站，仅为31.07 d. 中部的崆峒、灵台、崇信、合水等站平均降水日数均在35 d以上. 除了以上相似性外，二者还存在明显的差异：陇东地区东南部是夏季平均降水量的大值区，但却是平均降水日数的中低值区. 如处于平均降水量最大值中心外围的宁县站，其平均降水日数仅为34.05 d，比平均降水量为276.74 mm的崇信站还要少. 分析图1（c）可知，陇东地区夏季平均降水强度处于7～9 mm/d的区间内，在空间上呈东南向西北递减的特点，东南部平均降水强度都大于8.40 mm/d，西北部平均降水强度则总体在7.80 mm/d 以下. 平均降水强度的最大值中心位于宁县站，达到了8.87 mm/d；最小值中心位于庆城站，仅为7.46 mm/d. 此外，平均降水量为次大值区中心的华亭站，其平均降水强度并不大，这是由于华亭站一带降水日数和持续性降水相对偏多导致的.

图1 1978—2018年陇东地区夏季平均降水量、平均降水日数和平均降水强度的空间分布Fig.1 Spatial distribution of summer average precipitation，average precipitation days，and average precipitation intensity in Longdong region from 1978 to 2018

2.2 陇东地区夏季降水时间变化特征

2.2.1 降水量时间变化特征 陇东地区整体属于黄土高原半干旱半湿润区，时间序列分析采用面雨量数据（面雨量是指某一特定区域或流域的平均降水状况. 本文基于13个气象站的点雨量，运用算数平均法求得陇东地区面雨量），以便更好地反映当地区域性气候特征. 分析图2（a）可知，1978—2018年陇东地区夏季降水量的平均值为285.7 mm，并以5.048 mm/10 a的速度缓慢增加. 从年代际来看，1978—2018年陇东地区夏季降水量经历了1980年代中期前的小幅振荡，1980年代中期至1990年代中期的大幅振荡，然后在1990年代中期到2010年代前后振幅收窄，2010年代之后振荡幅度再次明显增大. 其中，最大值及次大值分别出现在2018年和2013年，降水量分别为431.6 mm和416.1 mm；最小值及次小值分别出现在1991年和1997年，降水量分别为164.9 mm和178.3 mm.

运用一元线性回归分析方法计算陇东地区各气象站夏季降水量趋势系数，以分析不同区域的变化趋势. 从降水量倾向率空间分布（图2（b））可知，陇东地区夏季降水量总体呈增加趋势，其中华亭、崆峒、泾川、庆城等站的增加趋势最大，且均处在陇东地区西南部及西北部，仅镇原、正宁、灵台等站呈减少趋势，其中减少趋势最大的是镇原站. 进一步研究发现，各站的降水量倾向率均未通过0.05的显著性水平检验（表略），说明陇东地区夏季降水量变化趋势不明显. 这与以往一些研究得出的西北地区东部降水量呈减少趋势的结论不同［13-14］. 分析原因发现，此前研究的降水资料多停止在2012年之前，而从陇东地区夏季降水量时间变化中可以看到，2010年后降水量呈现出较明显的波动式上升特征.

图2 1978—2018年陇东地区夏季降水量的时间变化和倾向率的空间分布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 降水日数时间变化特征 由图3（a）可知，1978—2018年陇东地区夏季降水日数总体趋于减少，降水日数倾向率为-0.798 d/10 a. 降水日数最小值出现在1997年，仅为27 d；最大值出现在1984年，为42 d. 从年代际变化上看，降水日数在1970年代到1990年代末期呈明显的波动式减少，1990年代到2010年代振幅稳定，2010年代开始至今又呈现出波动式增加的特点. 降水日数倾向率空间分布显示（图3（b）），陇东地区夏季降水日数整体趋于减少，仅华池站呈现出了正趋势变化，这与以往西北地区全区夏季降水日数以减少趋势为主的研究结论一致［15］. 降水日数倾向率通过了显著性检验的气象站点共有4个，占总站数的30.8%. 其中宁县和崇信两站通过了0.01 的显著性水平检验，降水日数分别以-1.617 d/10 a 和-1.246 d/10 a 的速率减少；镇原和西峰两站分别通过了0.05和0.10的显著性水平检验，降水日数分别以-1.104 d/10 a和-1.044 d/10 a的速率减少. 值得关注的是，以上4个降水日数显著减少的气象站均集中于陇东地区中部及南部.

图3 1978—2018年陇东地区夏季降水日数的时间变化和倾向率的空间分布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 降水强度时间变化特征 从图4（a）中可以看出，1978—2018年陇东地区夏季降水强度呈明显增加趋势，降水强度倾向率为0.316（mm·d-1）/10 a. 降水强度最小值出在1991年，为5.8 mm/d，最大值出现在2013年，为12.3 mm/d. 从年代际变化上看，降水强度从1970年代到1990年代呈现波动减弱的特点，从1990年代至今则总体呈现波动增强的特点. 从夏季降水强度倾向率空间分布可知（图4（b）），除华池站降水强度趋于减弱外，其余气象站均呈增强趋势. 陇东地区共有5 站的降水强度倾向率通过了显著性检验，占总站数的38.5%，且这5个站点均集中在陇东地区南部. 其中崇信和宁县两站通过了0.05的显著性检验，降水强度分别以0.562（mm·d-1）/10 a和0.465（mm·d-1）/10 a的速率增强；华亭、泾川和灵台3站通过了0.10的显著性检验，降水强度也呈现出显著的增强趋势，这与我国过去46年的降水强度极端偏高区域范围呈扩大趋势的研究结论一致［16］. 结合降水日数的时间变化特征可以看出，宁县、崇信等站降水极端化的趋势明显，旱涝灾害可能更易发生，需要密切关注.

图4 1978—2018年陇东地区夏季降水强度的时间变化和倾向率的空间分布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 陇东地区夏季降水突变特征分析

气候突变普遍存在于气候系统中，常表现为气候的统计特性在时空上的急剧变化，即从一种稳定状态经过跃变，成为另一种稳定状态或者稳定持续变化趋势［17］. 本研究采用三种突变检验方法对陇东地区1978—2018年夏季降水的突变特征进行了分析.

由图5可知，降水量正向序列曲线UF与逆向序列曲线UB分别在1980年和1982年交叉，表明降水量在1980年和1982年可能存在突变；降水日数UF—UB线在20世纪80年代存在多个交点，表明降水日数在20世纪80年代可能发生了多次突变；降水强度UF—UB线分别在1988年、1990年、2002年、2007年、2010年、2013年、2014年、2016年交叉，表明降水强度可能在以上8个年份发生了突变. 另外，由图5（c）可以看出，降水强度的UF值在0度线附近浮动较小，这表明降水强度整体变化不大，变化趋势不明显. 由M-K 检验结果可知，1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数和降水强度的UF线与UB线均存在多个交点，怀疑可能存在虚假突变点，需要使用其他方法进一步检验.

滑动t检验（步长5年）结果显示，陇东地区夏季降水量在1996年和2001年通过了α=0.05显著性检验线（图6（a）），降水日数在1996年和2008年了通过α=0.05显著性检验线（图6（b）），降水强度在2001年通过了α=0.05 显著性检验线（图6（c））. 以上结果表明，降水量在1996 年和2001 年可能发生了突变，降水日数在1996年和2008年可能发生了突变，降水强度在2001年可能发生了突变.

累积距平分析结果表明（图7），1978—2018年陇东地区夏季降水量经历了明显的升降变化过程，且主要转折点出现在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年出现了突变. 1978—2018年陇东地区夏季降水日数累积距平呈现出增多—减少—增多的趋势，且主要转折点出现在1996年和2015年，表明降水日数在1996年和2015年可能出现了突变. 1978—2018年陇东地区夏季降水强度累积距平呈现先降后升的“V”字型趋势，且主要转折点出现在2002年，表明降水强度在2002年可能出现了突变.

综合三种方法的分析结果可知，1978—2018年陇东地区夏季降水量在1981—1982年、1995—1996年发生由多到少的突变，降水日数在1996年发生了由多到少的的突变，降水强度在2001—2002年发生了由弱到强的突变，其中降水日数的突变特征与郑丽娜［18］2018年的研究结论相同.

图5 1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数、降水强度强度的M-K检验结果Fig.5 M-K test results for precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

图6 1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数、降水强度滑动t检验结果Fig.6 Results of sliding t-test for precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

图7 1978—2018年陇东地区夏季水量、降水日数、降水强度累积距平分析结果Fig.7 Cumulative anomaly analysis results of precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

2.4 陇东地区夏季降水周期特征

小波分析是一种常用的分析时间序列变化尺度和变化趋势的方法，又称多分辨率分析，可研究不同周期或尺度的气象要素随时间的演变情况. 本文选用Morlet小波函数，通过提取1978—2018年陇东地区夏季降水的小波系数实部及小波方差，研究了其年际、年代际时间尺度的变化特征.

小波系数实部等值线图中，实线表示降水多年，虚线表示降水少年，多寡年份的多次交替变化形成振荡周期. 由图8（a）可知，降水量在3～4 a、7～8 a、12～13 a和31～32 a四个时间尺度上振荡强烈，并发生了小波系数高、低值中心的变化. 其中3～4 a振荡周期最为强烈并贯穿整个时间尺度，为主振荡周期. 图8（b）显示降水量小波方差在3 a、7 a、13 a、31 a存在极值. 由此可推断1978—2018年陇东地区夏季降水量存在3 a的主振荡周期和7 a、13 a、31 a的次振荡周期.

由图8（c）可知，降水日数在3～4 a、7～8 a、12～13 a、18～19 a和31～32 a五个时间尺度上振荡强烈，且发生了小波系数高、低值中心的变化. 其中3～4 a振荡周期最为强烈并贯穿整个时间尺度，为主振荡周期. 次级振荡周期在1990年和2000年分别出现了一定的调整，其中18～19 a在1990年后、12～13 a在2000年后振荡周期消弱，分别向对应低时间尺度靠近. 图8（d）显示降水日数小波方差在3 a、8 a、12 a、21 a和31 a存在极值.由此可推断1978—2018年陇东地区夏季降水量存在3 a的主振荡周期和8 a、12 a、21 a、31 a的次振荡周期.

同理，由图8（e）和图8（f）可知，1978—2018年陇东地区夏季降水强度存在4 a的主振荡周期和7 a、13 a的次振荡周期.

综合来看，1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数、降水强度普遍存在3～4 a的低频主振荡周期以及7～8 a、12～13 a的次振荡周期. 这与西北地区降水普遍存在准3 a的周期［19-21］、泾河流域夏季降水有准7 a的周期［22］的研究结论一致.

图8 1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数、降水强度小波分析结果Fig.8 Wavelet analysis results of precipitation，precipitation days and precipitation intensity in summer in Longdong region from 1978 to 2018

3 结论

本文从气候态的稳定性、周期性和趋势性方面着手，分析了1978—2018年陇东地区夏季降水的时空演变特征. 研究结果如下：

1）从空间分布上看，1978—2018年陇东地区夏季平均降水量、平均降水日数、平均降水强度空间分布总体特征相似，均表现出南多北少的特点. 其中平均降水量的最大值中心和最小值中心位分别位于正宁站和环县站，平均降水日数的最大值中心和最小值中心分别位于华亭站和环县站；平均降水强度的最大值中心和最小值中心分别位于宁县站和庆城站.

2）从时间变化上看，1978—2018年陇东地区夏季降水量除镇原、正宁和灵台这3站呈现减少的趋势外，其余气象站均呈现增加趋势. 气候倾向率的显著性检验表明，陇东地区夏季降水量变化趋势不明显；夏季降水日数整体呈减少趋势，仅华池站呈正趋势变化，气候倾向率通过显著性检验的气象站点数占总站数的30.8%；夏季降水强度整体呈现增加的态势，仅华池站表现出负趋势变化，气候倾向率通过显著性检验的气象站点数占总站数的38.5%.

3）运用M-K 检验、滑动t检验、累积距平三种突变检验方法分析了陇东地区1978—2018 年夏季降水突变特征. 结果表明，降水量在1981—1982 年、1995—1996 年发生了由多到少的突变；降水日数在1996年发生了由多到少的突变；降水强度在2001—2002年发生了由弱到强的突变.

4）Morlet小波分析结果表明，1978—2018年陇东地区夏季降水量、降水日数、降水强度均存在3～4 a的主振荡周期以及7～8 a、12～13 a的次振荡周期.

5）除降水量变化趋势与既有研究不同外，1978—2018年陇东地区夏季降水变化特征总体与西北区域面上的研究相一致，这是由于2010年以后陇东地区夏季降水量不再表现出下降趋势，而是呈现出较明显波动式增加导致的.

6）1978—2018年陇东地区夏季降水有向不均衡、极端化发展的态势，这可能会引起陇东地区旱涝灾害更为频繁的发生，需引起重视.