北方地区1957—2016年400 mm等降水量线的空间演变及诱因

李乐乐，李浩杰，赵德一，钞锦龙△，杨 朔，康利军

（1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619；2.山西省岢岚气象局，山西 忻州 036300）

降水是一种复杂多变的自然事件，作为气候变化的主要要素之一，在时间与空间上都表现出显著的多变性[1]。中国是一个人口众多且人均拥有水量又十分匮乏的国家，水资源获取主要来自于大气降水，而中国地域内的降水具有时空分布不均匀的特点[2-4]。降水量的多少在一定程度上可反映出一个区域的干湿状况，是划分干、湿区的重要指标，同时也影响着一个地区的工农业发展，对区域经济、资源、生态的可持续发展十分重要[5]。研究区域属于中国森林植被与草原植被的过渡区域，自古以来，农耕文明和游牧文明发生冲突不断，400 mm等降水量线从其中部穿过，将其划分为半湿润区和半干旱区，该线以北的地区农业结构以畜牧业为主，以南的地区农业结构以耕作业为主[6-7]。400 mm等降水量线在空间上的位移变化，对该区域的自然及社会环境会产生重大影响。

近年来，全球气候变化逐渐成为相关学科界学者们的研究焦点。在此大背景下，典型等降水量线的空间位移也得到了不少关注和研究。基于中国1951—2012年的降水量数据，研究发现，400 mm等降水量线东西方向上在东经97°～112°移动，南北方向在北纬34°～41°迁移[8]，400 mm等降水量线在华北中东部波动强烈[9]。王浩等[10]研究了近50年来黄河流域400 mm等降水量线的空间变化，发现其有向东和向南移动的趋势，东移趋势最为显著。但针对陕西、山西、河北、内蒙古这一典型区域400 mm等降水量线空间变化的研究还很少见。鉴于此，本研究采用该区域95个气象站点1957—2016年的逐年降水数据，研究了近60 a 400 mm等降水量线的年代际和年际空间演变特征并剖析其变化原因，为这一区域未来的工农业产业结构调整和可持续发展提供一定的科学依据和参考。

1 研究区概况

研究区域位于中国北方地区（97°12′～126°04′E，31°42′～53°23′N），囊括陕西、山西、河北、内蒙古4个省（自治区），其中包含呼和浩特市、西安市、太原市等44个地级市（盟）。地形上占据了黄土高原大部、内蒙古高原大部、华北平原北部，山脉纵横，地形种类多样，地势较高。气候上跨越了半湿润区、半干旱区以及干旱区，该区域四季分明，春秋季多风，气温日较差、年较差较大，其中400 mm等降水量线以南的地区为温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季气温较高且多雨，植被以草原为主，多风沙天气；400 mm等降水量线以北的地区为温带大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，全年干燥少雨，植被以森林为主。该区域是对气候变化响应特别敏感的地区。

2 数据来源及处理方法

2.1 数据来源

数据来源于中国气象局国家气象信息中心（https://data.cma.cn/），研究区域95个地面气象站点（图1）1957—2016年的逐年降水资料。

图1 气象站点分布图

2.2 数据处理

将下载好的txt数据导入Excel，去除缺测年份较多的气象站点。将这些数据以每十年作为一个周期进行相加求取平均值，对于个别年份缺测的站点，用其缺测年前后十年降水量平均值来替代，最后整理为1957—2016年95个气象站点每十年平均降水量数据（站点名，站点经纬度，时间，降水量年代际平均值、降水量年际值），将其与矢量文件一起导入ArcGis中，创建降水量点图层，采用普通克里金插值法进行插值，获得降水分布图（图2）。提取降水量分布图中的400 mm等降水量线（图3），并对其进行离散化处理，计算这些离散点的经纬度坐标平均值，获得400 mm等降水量线的加权平均位置，并依据其绘制变化折线图，用于分析1957—2016年400 mm等降水量线空间位置的年代际变化和年际变化。

图2 四省（自治区）1957—2016年年代际降水量分布图

图3 四省（自治区）1957—2016年400 mm等降水量线年代际分布图

3 结果与分析

3.1 降水量年代际变化和年际变化趋势

从表1可以看出，降水量年代际变化总体呈波动下降趋势，但并不显著。1957—1976年均降水量呈下降趋势，减少了21.69 mm；1967—1986年基本保持不变，仅增加了1.9 mm；1987—2006年显著下降，减少了48.9 mm；1997—2016年显著升高，增加了49.3 mm。

表1 四省（自治区）1957—2016年年代际降水量年份

由图4可知，1957—2016年年均降水量总体呈下降趋势，多年平均值为464.9 mm/a。最高年降水量为1964年的646.5 mm，最低年降水量为1997年的342.7 mm，最高值与最低值之间相差303.8 mm，为多年平均值的65%。其中1957—1976年年均降水量变化较为剧烈，在多年平均值上下徘徊，并在1964年达到了近60年的最高值，这二十年里出现了两次低于400 mm的情况，最高值与最低值相差294.3 mm；1977—1996年年降水量变化较为平缓，除1986年外，整体上都保持在400 mm以上，最高值与最低值相差115.1 mm；1997—2016年年均降水量变化幅度较大，其中1997年年均降水量创近60年来最低，较多年平均值来看，降水量偏少年份较多，最高值与最低值相差199.7 mm。60年间，降水量低于平均值的有31年，降水量出现大于100 mm突变的主要阶段有15次，显著增高7次，显著下降8次。

图4 四省（自治区）1957—2016年年均降水量变化趋势

3.2 400 mm等降水量线空间位置变化

3.2.1 年代际变化趋势

1957—2016年400 mm等降水量线的年代加权平均位置为116°33′12″E，43°05′15″N。如图5所示，400 mm等降水量线的空间位置变化具有方向性。60年间，400 mm等降水量线在经度上的空间位置年代际变化偏小，在116°E徘徊，总体东移0°22′48″；在纬度上的空间位置变化平缓，介于42°～43°N，总体北移0°09′26″。从时间角度看，400 mm等降水量线的经度位置变化趋势为1987—2006年西移，1967—1986年、2007—2016年东移；纬度位置变化趋势为1967—2006年南移，2007—2016年北移。400 mm等降水量线总体上向西南方向移动。

图5 四省（自治区）1957—2016年400 mm等降水量线在经纬度上的年代际变化

从区域角度看，400 mm等降水量线从内蒙古东北部延伸至陕西省北部，在内蒙古东南部摆动幅度较小，内蒙古东部摆动幅度较大，空间位置变化较为明显，400 mm等降水量线在内蒙古东部地区1967—1976年、1997—2006年分别东移36～236 km、98～280 km，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年分别西移45～181 km、0～102 km、74～228 km。河北省北部400 mm等降水量线在1987—1996年、2007—2016年分别北移2～131 km、5～277 km,1977—1986年、1997—2006年分别南移0～118 km、17～306 km，其余年代际变化不明显。山西省北部1997—2006年南移75～81 km，2007—2016年北移87～150 km。陕西省北部1977—1986年、1997—2006年分别南移8～51 km、0～199 km，2007—2016年北移25～57 km。

综上，内蒙古东部地区在1967—1976年、1997—2006年降水减少，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年降水增加；河北省1977—1986年、1997—2006年降水减少，1987—1996年、2007—2016年降水增加；山西省1997—2006年降水减少，2007—2016年降水增加；陕西省1977—1986年、1997—2006年降水减少，2007—2016年降水增加。

3.2.2 年际变化趋势

1951—2016年400 mm等降水量线的年际加权平均位置为115°29′14″E，42°09′15″N。60年间，400 mm等降水量线的空间位置变化较大。如图6所示，400 mm等降水量线在经度上的空间位置变化介于111°～117°E，最高与最低相差6°14′44″，波动较大，总体西移0°08′08″；在纬度上的空间位置变化介于38°～44°N，最高与最低相差6°32′23″，波动较大，总体北移1°16′08″。从时间角度看，400 mm等降水量线在经度上的位置变化具有阶段性：1957—1961年变化幅度较大，1962—1976年变化趋向平缓，1977—2016年变化剧烈。400 mm等降水量线在纬度上的位置变化阶段性：1957—1966年变化平缓，1967—1987年变化幅度较大，1988—1997年变化趋向平缓，1998—2016年变化幅度最大。说明400 mm等降水量线在经度和纬度上的空间位置变化幅度并不具有一致性。60年间，400 mm等降水量线在经、纬度上的位置变化呈现出了一定的周期性：1957—1982年变化周期为4～5 a；1982年后变化周期为5～6 a。总体上向西南方向移动。

图6 四省（自治区）1957—2016年400 mm等降水量线在经纬度上的年际变化

3.3 影响因素分析

3.3.1 与气温变化关系

在全球气候系统变暖的大背景下，内蒙古、陕西、山西、河北均有不同程度的升温，北方地区降水与温度呈负相关。2011年全球范围平均气温较高，相较1961—1990年30年的平均气温（14 ℃）升高（0.4±0.09）℃，导致2011年中国平均降水量成为1951—2012年这一阶段最低值。1997年为强厄尔尼诺年，该地区年降水量异常减少，平均年降水量创近60年来最低。研究发现，中国华北地区夏季、东部北方地区秋季的气温和降水与厄尔尼诺相关性较显著，在厄尔尼诺年，气温会比常年同一季节偏高，降水会比常年同一季节偏少[11]。说明升温的确会对降水量下降产生重要影响。

3.3.2 与地形关系

400 mm等降水量线东段地处内蒙古东北部，与大兴安岭走势高度吻合，距海较近，夏季受东南季风影响，将水汽从渤海携带到这里，经过大兴安岭的地形抬升作用，易形成降水，与同纬度地区相比，降水量较丰富。

中段位于黄土高原北部、青藏高原东部、内蒙古高原南部，由于地处大陆内部，大陆性气候较强，夏季携带湿气的东南季风到达这里已是强弩之末，再加之地形阻挡，所以降水量常年偏少，400 mm等降水量线的空间位置变化较小。

3.3.3 与副热带高气压带和季风的关系

西南季风、东南季风和西风环流影响北方地区，而东南季风又与西太平洋副热带高压有着密切关系，二者强度成正比。1957—1966年，东南季风与西南季风较强，西太平洋副高脊线位置异常偏北，这一时期中纬度西风环流也偏弱，综合作用下，使得这一地区地区降水较多，400 mm等降水量线位置偏西北。1966年后，东南季风、西南季风与西太平洋副热带高压都开始减弱，该地区的降水也随之减少，400 mm等降水量线向东南方向偏移。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）该地区1957—2016年平均降水量年代际、年际变化均呈下降趋势，多年平均年降水量为464.9 mm，年降水量最高值与年降水量最低值相差了303.8 mm，为多年平均年降水量的65%。60年间4个省（自治区）年降水量均有不同程度的减少，陕西省最为明显[12]。与戴海燕等[13]对内蒙古1971—2016年降水量时空变化的分析基本一致。

（2）400 mm等降水量线的年代加权平均位置116°33′12″E，43°05′15″N，在经度、纬度方向上的空间位置变化均比较平缓。400 mm等降水量线的年际加权平均位置为115°29′14″E，42°09′15″N。60年中，400 mm等降水量线南北方向上在北纬38°～44°移动，东西方向上在东经111°～117°迁移。从时间角度看，400 mm等降水量线在经、纬度上的位置变化具有阶段性，但变化幅度并不一致，同时呈现出了一定的周期性：1957—1982年变化周期为4～5 a；1982年后变化周期为5～6 a。400 mm等降水量线空间位置年代际、年际变化总体上均向西南方向偏移。

4.2 讨论

当前，学术界尚无可以用来定量表征等降水量线空间位置的方法，有学者等将降水量线的空间位移分解为经向和纬向2个方向上，并采用权位置来表征等降水量线的整体位移。本研究使用ArcGis10.2软件将等降水量线离散成点，由于软件未能将降水量线完全离散，一部分坐标数据会缺失，因此对于北方地区等降水量线空间位置变化的定量研究还有待更加完善的分析。