1961～2018年西北地区降水的变化特征

王澄海 张晟宁 李课臣 张飞民 杨凯

兰州大学大气科学学院/甘肃省气候资源开发及防灾减灾重点实验室/兰州大学地球系统模式研发中心，兰州 730000

1 引言

西北干旱区地处欧亚腹地，毗邻青藏高原，地形、地貌特殊，地表过程复杂，荒漠、风沙多，干旱缺水、生态环境脆弱。西北地区大部分为干旱和半干旱地区，地理上属于温带大陆性气候和高寒气候，东南部分地区为温带季风气候。

目前，全球正在经历着一次以升温为主的变化（IPCC,2013），但全球各地的局地响应不尽相同。有研究指出，中国西北地区也正在经历着一次暖干向暖湿的转变，并预计西北地区东部在21世纪上半叶会向暖湿转变（施雅风等,2002,2003）。20世纪资料的分析研究表明，西北地区在1986年左右发生了一次明显的气候跃变，跃变后西北地区的年降水总量增加了52%，夏季降水量增加了68%（于淑秋等,2003）。Sui et al.（2013）对西北地区1961～2009年降水分析后认为，西北地区冬、春季的降水量有增加的趋势。分区域的研究表明，西北东部不同强度的降水都出现了减少，而西部除弱降水外，其他强度的降水都增加（陈冬冬和戴永久,2009a）；降水量的空间分布差异明显，6～8月西北西部降水增多、东部降水减少（陈冬冬和戴永久,2009b）；年降水的变化也有此特征，西北东部干旱化趋势增强（任国玉等,2005;魏娜等,2010;赵传成等,2011;杨瑜峰,2014）。马柱国和符淙斌（2006）指出，20世纪80年代以后，西北东部地区极端干旱事件发生的频率有明显增加。而西北西部的新疆地区，近几十年增暖和降水增加存在季节上的不对称性（Wang et al.,2020）。

西北地区降水具有显著的周期性。西北地区春季（3～5月）降水量具有准3 a、准5～7 a等周期的年际变化特征，年代际特征表现为20世纪60年代雨量偏多，70年代进入少雨期，一直持续到80年代中期，此后又进入多雨期，90年代中期雨量相对偏少（韦志刚等,2000;王澄海等,2001;任宏利等,2004）。降水周期随时间的变化具有显著的区域性，也具有多平衡态和非周期性振荡的特点（王澄海和崔洋,2006）。在过去60年间，西北地区降水的周期性特征在年际和年代际尺度变化上也具有贡献。

徐栋等（2016a,2016b）研究表明，1956年以来西北地区各季节降水增加是由于蒸发增大和水汽辐合增强引起。由于西北地区的干旱半干旱特征，降水与蒸发量之间关系紧密，降水再循环率较高（Li and Wang,2020a）；同样的现象出现在青藏高原东部地区降水中的再循环率增强（Guo and Wang,2014）。任国玉等（2016）研究也指出，1961～2000年间西北地区的降水增加是由于西北地区东侧向外输出的水汽减少，但大气可降水量的增加并不显著。Li et al.（2018）、Li and Wang（2020b）研究了北半球干旱区的降水再循环率，认为干旱区的降水中有10%～15%来自于干旱区内部的内循环，与降水充沛地区相比，干旱区降水再循环率更高。

研究也表明，未来西北地区降水会持续增加。根据7个全球气候系统模式对21世纪未来降水进行预测，赵宗慈等（2003）认为未来西北地区降水可能增加4.8～6.0 mm(10 a)−1。温室气体及硫化物气溶胶增加情况下的数值试验表明，未来西北地区降水将增加1.5～3.9 mm (10 a)−1，西北地区西部夏季降水增加明显，而西北地区东部夏季降水呈减少趋势（徐影等, 2003;张存杰等,2003）。利用周期叠加外推，对2006～2026年降水、温度可能变化的预测表明，西部干旱（半干旱）区的温度将会按照0.6°C(10 a)−1上升，西部干旱（半干旱）区的降水有少许增多的趋势，约为7.7 mm (10 a)−1（王澄海等,2012a,2012b）。Yin et al.（2020）根据3种区域气候模式的预估，在RCP（Representative Concentration Pathway）4.5、RCP8.5情景下，西北地区未来（2020～2045年）年降水量相比1980～2005年平均降水量增加约9.1 mm (10 a)−1、13.6 mm(10 a)−1。

上述研究结果表明，在全球变暖的背景下，过去近60年来，西北地区的降水出现了增加趋势。但是，西北地区的降水在年、季节尺度上的贡献如何？降水年际变化在空间上存在怎样的特征？本文利用过去近60年的观测资料，试图回答上述问题。

2 资料和方法

本文所用资料为1961～2018年西北地区（32°～50°N，70°～110°E）的144个气象站点的逐日降水量，逐月气温数据。数据（经过了质量控制和均一性检验）由中国气象数据网（http://data.cma.cn/[2020-09-21]）提供。季节划分采用自然划分季节，即春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）和冬季（12月至翌年2月）。

为分析西北地区降水的时空分布特征，本文分析中使用了经验正交函数（EOF）。降水的周期变化特征采用Morlet小波分析法，并对结果进行了显著性检验。

3 西北地区降水的空间变化特征

西北地区的年平均降水量约为300 mm，在空间上呈现出东西两头多，中间的河西走廊少。西北地区的东南部最多，新疆乌鲁木齐以西及阿勒泰地区为次多，在300～500 mm之间。极端干旱区位于新疆的南疆盆地到甘肃西部，这里年降水量在100 mm以下。降水最少的地区位于新疆的吐鲁番，年降水量约为15 mm，1982年为降水极端少年，年降水量为3.8 mm（图略）。

图1给出了1961～2017年西北地区年、季降水量的变化趋势与标准差。在西北地区144个气象站点中，春季（图1a）有124个站（86%）站点降水量呈现出增加趋势。主要分布在新疆北部、内蒙古西部、青海地区以及甘肃大部分地区，其中55个站点的线性增加趋势通过了信度为95%的显著性检验。而降水量呈下降趋势的站点主要分布在新疆中部、南部地区，以及陕西南部。

夏季（图1b）为西北地区降水的主要时段，111个站（77%）的降水量呈现增加趋势，主要分布在新疆北部、西部、青海地区以及甘肃西北部地区，其中27个站点的线性增加趋势通过了信度为95%的显著性检验，而出现下降趋势的站点主要分布在甘肃东南部与内蒙古中部地区。

秋季（图1c）112个站点的降水量呈现出了上升趋势，包括新疆大部分地区、青海、甘肃西北部、内蒙古中西部地区，占比为78%；其中53个站点的线性增加趋势通过了信度为95%的显著性检验。而降水量呈下降趋势的区域包括甘肃东南部、陕西南部地区，以及新疆东部地区。秋季降水量变化的区域范围比较集中。

冬季（图1d）是西北地区降水量最少的季节，99%的站点冬季降水量呈上升趋势，并且135个站点的线性增加趋势通过了信度为95%的显著性检验。因此，冬季是西北地区降水量变化最为显著的季节，这与之前的研究（Suiet al.,2013;刘维成等,2017）是一致的。但冬季降水量较少，对年降水量变化趋势的影响有限。

近60 a来西北地区年降水量（图1e）的变化总体处于上升的趋势。133个站点呈上升趋势，占比为92%，其中新疆北部、西部、青海、甘肃西北部等地区的81个站点的线性增加趋势通过了信度为95%的显著性检验。这些区域处于亚欧大陆的中心位置，地形多为盆地，如准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地。年降水量呈下降趋势的站点仅为11个，主要集中在甘肃东南部的黄河流域。

图1 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量[绿（红）色箭头表示降水趋势增加（减少）]、气温（圆圈，单位：°Ca−1）的变化趋势和降水量标准差（等值线，单位：mm）。N表示站点数，黑色加号表示降水量趋势通过95%信度水平的显著性检验，所有站点的气温变化趋势均通过95%信度水平的显著性检验。图e中虚线框表示标准差较大的两个区域A、BFig.1 The change trends of (a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d)winter,(e)annual precipitation[the green (red)trianglesrepresent the increasing(decreasing)]and temperature(circles,units:°C a−1),and precipitation standard deviation(contour lines,units: mm)in Northwest China from 1961 to 2017. N represent station numbers, the black plus signs indicate that the precipitation change trends pass the test at 95%confidence level,temperature changetrendsat all stations pass 95%confidence level.In Fig.e,thedashed boxesrepresent areas A and B with largestandard deviations

在年、季节的气温变化中，冬、春季气温增速大于0.5°C(10 a)−1（通过95%信度水平的显著性检验）的站点数分别为55、18个，明显多于夏、秋季的5、8个。而夏、秋季气温呈减小趋势（通过95%信度水平的显著性检验）的站点多于冬、春季，分别为9、4个，主要分布在塔里木河流域以及西北地区东南部。西北地区各季节气温变化在空间上存在差异，而年降水量与年平均气温的变化基本是一致的增加趋势。

取年降水量标准差较大的区域A（43°～49°N，80°～91°E）、B（32°～35°N，92°～110°E）两个区域，计算了1961～2018年月降水量、标准差和月平均气温（图2）。由图2可见，A、B区域中月降水量、平均温度的最大值均出现在7月，月降水量分别约为30 mm、130 mm，A区气温年较差相比B区大。A、B区域月降水量的共同特点是年际变化较大，降水较不稳定，降水时段集中在夏季，春秋两季降水接近，而冬季少雨。西北东部地区的降水量有着明显的月变化，在春、秋季降水变化较大，而西部地区的降水相对稳定。西部地区的降水开始早（4月），结束缓慢，这里属于西北干旱区的内陆河流域；东部地区降水增多的时间也为4月，但结束突然，9月后快速减少，更多反映出和中国东部地区的降水同步，具有季风的特征。可见，西北地区西部的降水和东部的降水似乎来自于两个系统。

图2 1961～2018年区域（a）A、（b）B月降水量（黑色柱状，单位：mm）、月降水量标准差（灰色柱状，单位：mm）、月平均气温（折线，单位：°C）Fig.2 Monthly precipitation(black bars,units: mm),standard deviation(gray bars, units: mm)of monthly precipitation,and monthly mean temperature (fold lines,units:°C) averaged in regions (a)A and (b)B from 1961 to 2018

为进一步分析西北地区降水的空间分布特征，图3给出了西北地区年、季节标准化降水量的第一特征向量场（LV1）。西北地区春季（图3a）、秋季（图3c）以及年降水量（图3e）的特征较为一致，方差贡献率分别为29%、28%、34%。除秋季西北地区东南部的特征向量表现为负值外，其余部分特征向量场基本均为正值，结合第一特征向量场时间系数（PC1）的正负值变化，这反映出了西北地区多雨的特征。年降水量的特征向量场上，正值中心在新疆北部、西部以及青海大部分地区。夏季（图3b）在蒙古中西部、甘肃东南部地区LV1为负值，其余地区表现为正值，正值的中心在新疆西部、青海大部分地区，LV1的方差贡献率为18%。冬季（图3d）西北地区降水量很少，LV1的方差贡献率为24%。新疆北部、甘肃西北部、青海南部地区为正值，其余地区表现为负值，在塔里木盆地存在一个负值中心。

图3揭示了西北地区的降水除夏季外，年、冬、春、秋季的LV1的方差贡献率在25%左右，这种异常变化的分布揭示出了西北地区降水的空间变化最基本特征是，西北地区年和季节尺度降水的年际变率基本一致，包括内陆河流域和黄河流域；换句话说，西北地区降水的年际变化具有同相变化的特征。

图3 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量第一特征向量场（LV1），右上角数值表示LV1的方差贡献率Fig.3 The first eigenvector fields(LV1)of (a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d) winter,(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2017,numbersat top right corner indicate the variance contribution rateof LV1

为揭示西北地区降水的局地特征，图4给出了西北地区年、季节标准化降水量的第二特征向量场（LV2）。春季（图4a）和秋季（图4b）降水量的空间模态表明，LV2的方差贡献率分别为14%、13%，南北方向呈现出正—负—正的分布。零值线基本位于天山山脉、柴达木盆地一带。夏季（图4a）在新疆西部与青海地区为负值，负值中心在青海地区的高原附近，其余地区为正值，LV2的方差贡献率为14%。冬季（图4d）的正值主要分布在新疆中部、青海大部分地区以及甘肃中部地区等，正值的中心在海拔高度较高的天山山脉、青海高原。年降水量LV2的值主要呈东北—西南向增多分布，零值线穿过青海与甘肃的边界和新疆中部，两侧反向变化，绝对值大值中心在青海西南部、LV2的方差贡献率为10%。结合第二特征向量场的时间系数（PC2）可知，在局地特征上，内陆河流域和黄河流域的年和春秋两季（图4a、c、e）的LV2表现分明；夏季的降水增加且变率最大的区域仍然位于夏季风北缘地带；冬季降水一般多由西北路冷空气南侵引起，降水变率受西北地区的天山、星星峡、乌鞘岭等地形影响，呈现出东西间隔分布的形态。这些结果和图1的结果基本一致。

图4 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量第二特征向量场（LV2），右上角数值表示LV2的方差贡献率Fig.4 The second eigenvector fields(LV2)of (a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d)winter,(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2017,numbersat top right corner indicate the variance contribution rateof LV2

上述结果表明，西北地区的降水空间变化虽然具有区域特征，但空间差异不大，总体上降水的空间分布较为一致，以干旱少雨为主。

4 过去近6 0 年间降水的时间变化特征

为了揭示西北地区过去近60年降水量的年际演变特征，图5、6分别给出了EOF第一、二特征向量场时间系数的演变特征。由图5可以看出，除冬季外，PC1总体上均表现出一致的增加趋势，1980年左右是一个转折点。1980年前，年、季节降水量的第一特征向量场时间系数为负值，结合LV1的正值区域可知，西北地区降水量整体偏少。1980年之后，春（图5a）、夏（图5b）、秋季（图5c）时间系数变化基本以正值年份为主，结合LV1（图3）的正值可知，1980年代中期之后，除冬季外西北地区的降水偏多。冬季（图5d）降水量的变化尤为特殊，表现出一个位相内的正弦形式变化，1980年代中期前后是位相转换阶段，结合LV1的变化可知，1980年代中期前降水偏少，1980年代中期后降水偏多，但表现出明显的60年左右的周期变化，即冬季降水量变化表现出显著的周期性。PC2上，春（图6a）、秋季（图6c）区域尺度上降水的年际变化和第一模态大体相同，大致在1980年代中期出现转折，1980年代中期后降水开始增加。值得注意的是，第二模态反映出的冬季降水（图6d）仍然表现出约60年的周期现象。第一模态的相位和第二模态相差近20年，即PC2滞后PC1近20年的时间。由于西北冬季降水量小，LV1和LV2二者叠加表现出的河西中部区域的降水多、少变化只是空间上有所差异，但总体特征一致。

图5 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量第一特征向量场的时间系数（PC1），红（蓝）色柱状代表正（负）值，虚线代表9年滑动平均，右下角数值表示LV1的方差贡献率Fig.5 The time coefficients(PC1)of the first eigenvector fields of(a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d) winter,(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2017.The red (blue) barsrepresent the positive (negative) values of the time coefficient,the dashed lines represent the 9-year moving average,numbersat bottom right corner indicate the variancecontribution rateof LV1

图6 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量第二特征向量场的时间系数（PC2），红（蓝）色代表正（负）值，虚线代表9年滑动平均，右下角数值表示LV2的方差贡献率Fig.6 The time coefficients(PC2)of the second eigenvector fields of(a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d)winter,(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2017.Thered(blue) bars represents the positive(negative)values of the timecoefficient,the dashed lines represent the 9-year moving average,numbersat bottom right corner indicate the variance contribution rateof LV2

上述结果表明，西北地区降水的年际变率较小，相对稳定，但在年际尺度和年代际尺度上，降水的趋势呈现出增加现象。

为了明确西北地区降水变化与气温之间的关系，图7a–d给出了1961～2018年西北地区四季降水量与最高、最低气温的时间演变。由图可见，西北地区春、夏、秋、冬季降水量均为增加的趋势，但增速存在差异，增速分别为4.29 mm (10 a)−1、4.03 mm(10 a)−1、2.69 mm(10 a)−1、2.53 mm(10 a)−1。西北地区夏季降水量最多且年际变化较大，变化特征与年降水量类似，在1980年附近出现降水量显著的增加趋势。春、秋季降水量次之，秋季降水量略多于春季。冬季降水量最少，1978年为转折点，1978年以前为降水偏少期，之后降水量出现增长，进入降水偏多期，增速为1.01 mm(10 a)−1。春、夏、秋、冬季平均最高、最低气温均为增加的趋势，增速在0.1°C(10 a)−1～0.6°C(10 a)−1a之间，其中冬季的增速最快。而平均最高、最低气温之间的差减小，春、夏、秋、冬季差值的速率分别为−0.1°C (10 a)−1、−0.2°C(10 a)−1、−0.1°C(10 a)−1、−0.2°C(10 a)−1，说明最低气温上升的速率相比最高气温较快，日较差变小，年较差也变小。反映出西北地区气候增暖的过程中，会对高山积雪、冰川的消融产生更大的正作用。这和青藏高原地区的日较差变化相类似（Wang,et al.,2012）。

在年尺度上，1961～2018年间，西北地区的年降水量（图7e）经历了3次转折，20世纪70年代初之后年降水量偏多，为第1次转折；20世纪80年代初之后年降水量偏（减）少，为第2次转折；20世纪90年代后期年降水量又开始偏多（增加），为第3次转折。目前西北地区的降水仍然处于增加的阶段。

图7 1961～2018年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季降水量变化（柱状）与趋势（实线），季节平均最高（Tmax）、最低气温（Tmin），季节平均最高与最低气温差值的趋势（虚线），（e）年降水量Fig.7(a)Spring,(b)summer,(c)autumn,(d)winter precipitation(bars)and trend(solid line),the highest(Tmax)and lowest(Tmin)average seasonal temperatures,the trend of the average seasonal difference between thehighest and lowest temperatures(dashed lines),(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2018

徐国昌和董安祥（1982）利用1951～1978年的资料研究表明西北地区的降水具有显著的3 a周期，然而，这种周期是不稳定的，具有年代际变化特征。进入21世纪，西北地区的降水在周期上发生了什么变化也是我们关心的问题。图8是利用Morlet小波对1961～2017年西北地区年、季降水量进行周期分析的结果，图中正、负小波系数分别表示降水处于对应周期中的较多、较少时期。春季（图8a）降水量在研究时段内存在准3～5 a周期，在1960～1970、1990～2000年代显著。表现出的准3～5 a的周期，可能也具有年代际尺度以上的再现特征。夏季（图8b）降水存在准3 a（信度水平P＞90%）和准7 a的周期，准3 a周期是基本的周期变化，考虑到西北地区的夏季降水是年降水量的主要贡献阶段，因此，这一结论和以前的研究结论（徐国昌和董安祥,1982）基本一致。秋季（图8c）降水量周期特征并不明显，考虑到秋季降水量在年降水量中的贡献并不大，图中出现的短周期现象的实际意义并不大。冬季（图8d）西北地区降水量的周期特征并不明显，但在1991年后出现了近3 a的周期现象（信度水平P＞90%）。需要说明的是，由于本文的资料长度是58 a，观测降水量的小波分析不能再现出图5d、6d表现出的60 a左右的周期。

年降水量（图8e）的多尺度周期特征显著。主要表现为准3 a周期，也表现出明显的阶段性，基本特征和夏季降水基本相似，但周期长度短于夏季，这也许是其他季节不同时段上周期叠加的结果，需要进一步的深入分析。因此，可以认为准3 a的周期在研究时段仍然是基本的特征。

图8 1961～2017年西北地区（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季、（e）年降水量的小波系数。实（虚）线代表正（负）值，阴影区域表示周期通过90%信度水平的显著性检验Fig.8 Wavelet coefficients of (a)spring,(b)summer,(c)autumn,(d)winter,(e)annual precipitation in Northwest China from 1961 to 2017.The solid (dashed)lines represent positive(negative)values,theshaded areas represent periodspassthetest at 90%confidence level

上述分析表明，西北地区过去60 a来，年、季内降水均呈现出增加趋势，降水的周期性也发生了变化。进入21世纪后，年降水量仍然为准3 a周期特征；季节降水量的周期特征中，夏季主要为准3 a、准7 a周期，冬季的近3 a周期较为显著。

5 小结

本文基于1961～2018年近60 a的观测资料，分析了在气候变暖的背景下，西北地区的年、季降水量时空变化特征以及降水量的周期变化特征，得到以下初步结论：

（1）1961～2018年的近60 a间，西北地区92%的站点年降水量呈现增加的趋势，主要集中在西北内陆河流域，少数呈下降趋势的站点则集中在受季风影响较多的西北地区东南部。各季节中，西北地区春、夏、秋季降水量变化特征为，西北西部增加，减少的站点集中在西北地区东部。冬季几乎所有观测站的降水量都为增加的趋势，增加较小[2.53 mm(10 a)−1]，春季降水量增加最快[4.29 mm(10 a)−1]。夏、秋季降水量呈减少趋势的站点出现在夏季风西北部的边缘地带，而降水增加地区出现在受夏季风影响较小的乌鞘岭以西的广大西北地区。年平均气温呈现出增加趋势，尤其是气温的日较差和年较差减小；但各季节增温存在差异性。因此，降水的增加可能更多来自于温度升高、冰雪消融引起的内循环，而西北地区的降水增加和夏季风变化关系应该不大，至少不直接，需要进一步的深入研究。

（2）空间分布上，西北地区春、秋季以及年降水量的年际变化特征较为一致。局地特征上，内陆河流域和黄河流域的年和春、秋两季差别表现分明，夏季降水的变率最大的仍然是夏季风西北边缘地带。冬季降水受冬季风和地形的共同影响。一般地，西北地区的降水（雪）由西北路冷空气南侵引起，降水在空间上受西北地区的天山、星星峡、乌鞘岭等地形影响，具有较明显的区域特点，尤其是青藏高原等高海拔的地形阻滞了西北气流，降水呈现出和山系走向有关的分布形态。

（3）1961～2018年近60 a间，西北地区年降水量经历了3次转折，并在20世纪90年代后期开始持续增多。年降水量仍具有准3 a周期；季节尺度上，春、秋季的周期具有阶段性，冬季降水量在研究资料反映出的周期上相对稳定。夏季和年降水量的准3 a周期基本特征仍然存在且相对稳定。因此，降水的自然周期对近期西北地区降水增加的贡献较小，但不排除目前处于30 a（研究时段可分辨出的时段）以上周期的雨量较多的位相上。各个季节降水量、平均最高、最低气温呈现出一致的增加趋势，而且平均最低气温的增速快于平均最高气温。

本文的分析结果初步表明，西北地区的降水量的确出现了增加的情况，但是，大部分地区的降水特征基本稳定，因此，其干旱半干旱的气候特征也不会改变。