甘肃农牧交错带1971—2019年降水量变化研究

逯玉兰， 李 广， 闫丽娟， 董莉霞， 李 杰， 聂志刚， 王 钧

(1.甘肃农业大学信息科学技术学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州 730070； 3. 甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070)

全球气候变化造成极端洪涝、干旱等天气频发，导致环境和生态恶化，进而影响社会经济、农牧业生产和可持续发展[1-3]。北方农牧交错带是生态系统最为脆弱和生态环境最为严酷的地区，属于干旱、半干旱地区，半农、半牧生态过渡区，也是全球气候变化反应最为敏感的地区之一[4-6]。一方面，北方农牧交错带抗干扰能力弱，生态系统很容易发生演变；另一方面，其对环境因素的改变反应灵敏，但维持自然稳定的可塑性较小[7]。有学者研究发现，气温和降水量变化是导致农牧交错带环境变化的重要因素[8]，而且自然降水是该区域农牧业生产供水的主要来源，降水量变化对该区域的农牧业结构有着显著的影响[9]。因此，深入研究北方农牧交错带长时间序列降水量变化的特征对北方农牧交错带生态建设及农牧业发展具有非常重要的现实意义。

近年来，北方农牧交错带的气候要素变化深受国内外学者的关注，许多专家学者从不同角度出发对北方农牧交错带的气候变化做了大量研究。刘瞳等[10]研究了1956—2009年北方农牧交错带中部地区降水量变化过程及其持续性特征，结果表明研究区54年间降水量呈剧烈波动态势，全年降水量呈下降趋势，夏季降水与年降水变化趋势一致，春季降水呈略微增加趋势；赵威等[11]基于中国气象局1964—2013年温度和降水量格点数据，分析了北方农牧交错带近50年的温度和降水量变化特征，研究表明近50年研究区年降水量略有减少，夏季减少最多，西区、中区与东区南段年降水量呈减少趋势，而东区北段年降水量主要由于春季降水的增加导致全年降水增加；杜华明等[5]利用反距离加权空间插值法和线性回归法对北方农牧交错带1961—2012年的降水量气候要素的时间演变特征进行了分析，并采用Morlet小波变化法分析了该地区的干旱状况，结果显示北方农牧交错带近52年来降水量减少速度为7.35 mm·(10a)-1，西北段干旱灾害发生频率最高，干旱灾害的主周期为7 a和8 a；曾晟轩等[12]研究了西北农牧交错带中部近60年温度和降水量在年和季节尺度的变化趋势及其持续性特征，研究表明温度呈增加趋势和较强的持续性特征，年降水量总体呈微弱减少趋势和反持续性特征，各季节降水变化趋势不一致。北方农牧交错带东西跨度大，东西区域气候变化差异大[13-14]，而上述研究主要侧重于整个北方农牧交错带大区域气候变化研究，且多以趋势性研究为主，对各月间、季节性、周期性及突变特征等缺乏较为深入细致地研究和分析。目前，对甘肃农牧交错带降水量的多时间尺度时空变化规律的研究少有涉及。因此，本文选取甘肃农牧交错带30个气象站点1971—2019年的观测数据，运用线性倾向率、Mann-Kendall突变检验法和小波分析法详细分析甘肃农牧交错带不同时段降水量的时空变化规律、突变特征和周期特征，以期为调整研究区农牧业生产管理方式、改善生态环境、合理开发水资源提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 资料来源

本文研究区范围是参考陈全功等[15]所划分的范围，包括甘肃农牧交错带范围内30个气象站点(图1)。30个气象站点1971—2019年的降水量观测数据由甘肃省气象局提供，个别异常值和缺失值用插值法确定。

1.2 数据的处理

根据甘肃农牧交错带30个气象站点1971—2019年历年逐日降水量数据计算出月平均、季平均和年平均降水量。采用一元线性回归模型拟合方法对年、季、月降水量的线性变化趋势进行分析，用气候倾向率表征降水量变化程度；用ArcGIS软件对年降水量空间分布进行分析；用Mann-Kendall突变检验法对降水量进行突变检验；运用小波分析法分析降水量的多时间尺度变化。文中3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—翌年2月为冬季。

1.3 数据的分析方法

(1)气候倾向率

本文采用气候倾向率法分析甘肃农牧交错带降水量的长期变化趋势。一般来讲，气温和降水量的气候趋势用一次直线方程来定量描述，即：

y(t)=a0+a1t

(1)

上式中，t为时间，单位为a；a1用最小二乘法确定，a1×10(即10年)称作气候倾向率。

(2)Mann-Kendall突变检验方法

本文采用Mann-Kendall突变检验法对降水量变化进行突变检验，此方法最初是由Mann和Kendall提出，被世界气象组织推荐的广泛应用于水质、气温、径流和降水量等气象要素时间序列的趋势分析及突变检验的非参数突变检验统计方法。原理如下:

图1 甘肃省境内农牧交错带气象站点分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in agro-pastoral ecotone of Gansu Province

对于一个含有n个样本的时间序列x，构造一个秩序列：

(2)

其中

(3)

定义统计量：

(4)

UFk是按时间序列X的顺序(x1,x2,…,xn)计算出的统计量序列。

再按X的逆序(xn,xn-1,…,x1)重复上述计算，并且令

(5)

若UFk的值小于0，表明序列呈下降趋势；否则，序列呈上升趋势。若UFk曲线超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。将UFk和UBk两条曲线的交点称为突变点。

(3)小波分析法

本研究采用小波分析法对研究区的降水量进行周期检验。小波分析法可以准确地揭示时间序列中瞬时频率结构随时间的变化，适用于分析系统的多时间尺度变化[16]。利用小波分析法分析时间序列变化的局部特征，能更清楚地获得周期结果和突变规律。

2 结果与分析

2.1 降水量变化特征分析

2.1.1年降水量变化特征分析 图2为甘肃农牧交错带近49 a年降水量随时间变化的曲线。近49 a内，研究区平均年降水量为442.24 mm，各年间降水量波动强烈，但年降水量总体呈现增加趋势，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，49 a增加了26.43 mm。

从图3研究区近49 a年降水量距平变化可以看出，不同时期的年降水量有显著差异：1971—1979年为平水年时期，年降水量正距平年份占66.67%，年降水量增加幅度相对较大，年降水量波动剧烈年份处于此时期内；1980—2002年为持续时间较长的干旱期，年降水量正距平年份仅占34.78%，年降水量呈现减少趋势；2003—2019年为湿润期，且近49 a年降水量最大值出现在此时期内。

图2 研究区1971-2019年平均降水量变化Fig.2 The trend of annual mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

图3 研究区1971—2019年降水量距平变化Fig.3 Annual precipitation anomaly changes from 1971 to 2019

2.1.2季节降水量变化特征分析 通过对4季平

均降水量回归分析发现(图4)，只有夏季降水量呈减少趋势，以—0.54 mm·(10a)-1的速率减少，其他3个季节的降水量均呈增加趋势，春季、秋季、冬季降水量倾向率分别为1.95 mm·(10a)-1,2.17 mm·(10a)-1,0.74 mm·(10a)-1，其中秋季的增加幅度最大，49 a降水量增加了10.61 mm。春季平均降水量为93.22 mm；夏季降水量虽然呈减少趋势，但为一年中降水量最多的季节，为237.10 mm；秋季降水量与春季相当，为101.29 mm；冬季降水量最少，仅为9.74 mm。相关分析表明，年平均降水量与夏季降水量相关性最大，相关系数为0.83；与秋季的相关性次之，相关系数为0.44；与春季降水量的相关系数为0.29；与冬季降水量的相关性最小，仅为—0.07。

从各季节距平(表1)来看，春季降水量呈波动式增加趋势，20世纪70年代、90年代和21世纪00年代为负距平，20世纪80年代和21世纪10年代为正距平，特别是进入10年代后降水量显著增加；夏季降水量呈剧烈波动式减少趋势，20世纪70,90年代和21世纪10年代为正距平，20世纪80年代和21世纪00年代为负距平，尤其是21世纪00年代降水量减少特别明显；秋季，在20世纪80—90年代为负距平，70年代和21世纪以来为正距平，说明进入21世纪后秋季降水量显著增加；冬季在20世纪90年代以前为负距平，90年代以来为正距平，说明1990年以来冬季降水量呈增加趋势。

图4 研究区1971—2019季节平均降水量变化Fig.4 The trend of seasonal mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

表1 研究区1971—2019季节平均降水量距平的年代际变化Table 1 Decadal variations of seasonal mean precipitation anomalies in the study area during 1971—2019

2.1.3月降水量变化特征分析 由图5研究区月平均降水量变化趋势图可知，3月和8月的降水量呈减少趋势，其他月份的降水量都呈增加趋势，全年降水量的增加主要集中在4,5,7,9和10月。春季是甘肃农牧交错带作物生长发育的关键时期，春季的降水量直接决定着作物的产量。近49 a内，研究区春季各月份降水量的变化不一致，其中3月份降水量呈平稳地减少趋势，减少倾向率为—0.49 mm·(10a)-1；4月平均降水量为27.08 mm，降水量呈波动式增加趋势，以0.96 mm·(10a)-1的速率增加；5月是全年中降水量增加最明显的月份，增加速率为1.48 mm·(10a)-1。夏季也是作物生长最关键的时期之一，夏季降水量对全年降水量贡献最大。近49 a内，夏季各月份中，6月降水量微增，各年间变化比较平稳；7月降水量为87.43 mm，以0.98 mm·(10a)-1的速率呈波动式增加趋势；8月降水量全年最高，为88.24 mm，但呈明显地减少趋势，减少幅度为1.81 mm·(10a)-1，70年代波动性很大，进入80年代后变化趋于平稳。近49 a内，秋季各月份的降水量均呈不同程度的增加趋势，9月和10月的降水量增加显著，增加速率分别为1.22 mm·(10a)-1和1.05 mm·(10a)-1，但年际波动性很强；11月的降水量以0.055 mm·(10a)-1的速率缓慢增加。冬季各月份降水量虽少但总体均呈微弱地增加趋势，12，1，2月平均降水量分别以0.029 mm·(10a)-1，0.27 mm·(10a)-1，0.49 mm·(10a)-1的速率增加，2月份年际波动很大，12月份年际波动较小。

图5 研究区1971—2019月平均降水量变化Fig.5 The trend of monthly mean precipitation from 1971 to 2019

2.2 降水量的空间分布规律

从1971—2019年的年降水量的空间分布来看，甘肃农牧交错带年降水量具有明显的区域差异(图6 a)。南部的年降水量偏多，碌曲、和政2个站点的年降水量达600 mm，远高于全区的平均值，迭部、岷县、卓尼3个站点的年降水量也在545 mm以上。中部的年降水量稍多，相当于全区平均年降水量。北部的年降水量明显较少，各个站点的年降水量都低于全区平均年降水量，其中景泰、白银、靖远3个站点的年降水量仅为200 mm左右。而年降水量变化速率呈现出自南向北逐步递增的趋势(图6 b)。部分南部和中部站点年降水量呈明显地减少趋势，其中临洮、迭部、会宁3个站点的年降水量减少倾向率都在—10.0 mm·(10a)-1以下。大部分中部地区的年降水量变化率跟全区年降水量的变化速率(5.39 mm·(10a)-1)基本一致。北部年降水量呈明显地增加趋势，各站点年降水量的增加倾向率都高于全区的平均值5.39 mm·(10a)-1，其中环县、永登、天祝3个站点的年降水量增速很大，分别为全区年降水量增速的3.53,3.02和2.91倍，环县的降水量49 a增加了94 mm。

图6 研究区1971—2019年降水量的空间分布规律图Fig. 6 Spatial distribution of precipitation from 1971 to 2019

2.3 降水量的突变检验

2.3.1年降水量突变检验 利用Mann-Kendall突变检验法对甘肃农牧交错带1971—2019年的年降水量进行趋势和突变分析(图7)。1973—1994年UF统计值大于0，但统计值未达到α=0.05显著性水平，说明此时段内年降水量呈增加趋势，但并不显著；1995—2017年UF统计曲线在零界线以下，也未超过95%的临界线范围，表明此阶段年降水量下降趋势不明显；2018—2019年年降水量呈上升趋势，但上升趋势不显著。根据置信区间内UF和UB的交点位置，可以看出年降水量发生了4次统计意义上的可能性突变，分别发生在1973，1980，1984和2018年。

图7 年降水量Mann-Kendall突变检验Fig.7 The Mann-Kendall test for annual mean precipitation

2.3.2季节降水量突变检验 从研究区季节降水量的突变分析曲线发现(图8)，4季降水量均发生了突变，但UF统计值均未达到α=0.05显著性水平，说明4季的变化趋势均不显著。春季降水量波动变化，1971—1977年、1985—1995年、1998—1999年、2015—2019年UF统计曲线在零界线以上，表明有25 a降水量出现增加现象，但总体呈“增—减—增—减—增”的变化趋势，春季降水量发生了6次统计意义上的可能性突变，分别发生在1974，1977，1984，1992，2012和2016年。夏季降水量总体呈“减—增—减”的波动变化趋势，1975年之前和20世纪00年代后UF统计值小于0，表明此时段内序列呈下降趋势，1976—2000年UF统计值大于0，说明此阶段降水量呈上升趋势，降水量发生了5次统计意义上的可能性突变，分别发生在1972，1974，1991，1996和2018年。秋季降水量，1987年以前除个别年份有波动外总体呈增加趋势，1987—2007年呈下降趋势，2008—2019年呈增加趋势，突变分别发生在1974，2005和2009年。冬季降水量，1971—1977年呈增加趋势，1978—1988年呈减少趋势，从1989年开始逐渐增加，总体呈“增—减—增”的变化趋势，突变发生在1989和2015年。

图8 季节降水量Mann-Kendall突变检验Fig.8 The Mann-Kendall test for seasonal mean precipitation

2.4 降水量变化的周期分析

采用小波分析法研究甘肃农牧交错带1971—2019年不同时间尺度降水量的周期变化特征。由图9可知，年降水量在变化过程中不存在短震荡周期信号，其长周期变化因数据系列限制无法分析得到，但可知长周期信号高于32 a。

图9 年降水量小波变化图Fig.9 Wavelet variation of annual mean precipitation

3 讨论

本研究揭示了1971—2019年甘肃农牧交错带年降水量的变化规律，研究发现年降水量在波动变化中总体呈上升趋势，但不同时期的年降水量有显著差异：1971—1979年为平水年，1980—2002年为持续时间较长的干旱期，2003—2019年为湿润期。年降水量在1973，1980，1984和2018年发生了突变，这与方梓行等[17]的研究结论一致。就季节而言，近49 a甘肃农牧交错带四季降水量均有突变。其中，夏季降水量呈减少趋势，其他3个季节的降水量均呈增加趋势，但变化趋势均不明显，这与李敏敏等[18]的研究结论一致。从月份来看，1971—2019年3月和8月的降水量呈减少趋势，其他月份的降水量呈增加趋势，8月降水量最高，7月次之，这与周一敏等[19]的研究结果一致。1980年以后，西北干旱区的水平风场发生了变化，自东西伯利亚来的东北风及贝加尔湖南下的气流削弱了西风环流，加快了地气水分循环，导致该区域降水量呈现上升趋势[20-23]。同时甘肃农牧交错带于2000年开始退耕还林还草生态工程[24-26]，这在一定程度上加强了研究区的暖湿化。此外，北方农牧交错带降水量变化还与人类活动、全球变暖发生停滞现象和大尺度环流背景变化等有密切的关系[11,27-29]。

1971—2019年甘肃农牧交错带年降水量具有较为显著的区域性特征，各地区降水量变化趋势不同，具体表现为南多北少，自南向北逐步递减的空间格局；而年降水量变化率，南部呈明显地减少趋势，北部呈明显地增加趋势，自南向北逐步递增，这与赵一飞等[30]研究的黄土高原甘肃区降水具有空间差异性的结果基本一致。地域、下垫面的差异、纬度位置、人口的分布、地形地貌、站点高程等因素严重影响各地区能量物质平衡及大气环流，从而导致各地区间降水量变化差异较大[7,31]。

就甘肃农牧交错带而言，气候变化会严重冲击该地区的的农牧业生产，而降水量则是影响该区域植被结构和功能区域划分的关键因子[32]。该区作为西北重要的生态屏障，具有维持生态平衡、保持水土、保护生物多样性、涵养水源等诸多功能[33-34]。因此，开展甘肃农牧交错带近49 a降水量变化研究，对揭示干旱半干旱区气候变化区域差异性，改善当地生态环境具有十分重要的意义。研究区必须因地制宜，充分重视气候资源的开发利用，合理调整农牧业生产格局，促进农牧业可持续发展。

4 结论

通过对甘肃农牧交错带1971—2019年降水量的时空变化趋势、突变特征和周期特征分析研究，得出以下结论：近49 a来，研究区年平均降水量为442.24 mm，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，并分别于1973，1980，1984和2018年发生了突变；就季节而言，夏季降水量最多，但呈微弱减少趋势，秋季降水量增加最明显，冬季降水量最少但呈微弱增加趋势，4季降水量均发生了突变；年内各月降水量变化不一致，3月和8月的降水量呈减少趋势，其他月份的降水量均呈增加趋势，其中5月降水量增加最为明显；从空间分布来看，研究区年降水量南多北少，自南向北逐步递减；而降水量变化速率自南向北逐步递增。