１９６１—２０１９年黄河流域降水量时空变化特征分析

赵慧霞　卓莹莹　刘厚凤

关键词：年降水量;Mann-Kendall检验;EOF分析;时空变化特征;黄河流域

中图分类号：P467;TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.006

引用格式：赵慧霞，卓莹莹，刘厚凤.1961—2019年黄河流域降水量时空变化特征分析[J].人民黄河，2022，44（3）：26-31.

黄河流域位于中纬度地带，东西跨度大，流域内不同地区气候差异显著，自然条件复杂多样。黄河的基本特点决定了黄河流域水资源系统的脆弱性和对气候变化的敏感性。观测资料显示，自19世纪90年代以来，黄河流域干旱程度不断加剧，范围逐渐扩大[1]。特别是进入20世纪80年代以后，经济社会的发展对水资源需求日益增加，黄河流域水资源供需矛盾愈来愈尖锐，干旱形势日趋严重。降水、气温、蒸发等主要气象要素的时空变化特征直接影响黄河流域水资源的利用以及流域内动植物的生存环境。黄河流域气候要素的时空变化特征研究是区域生态环境、人类生存环境和社会经济发展等研究的基础，也是关于区域生态环境、人类生存环境和社会经济发展的重大战略需求。

近年来学者们针对黄河流域的气候变化特征及其对水资源的影响进行了大量研究[2-7]，其中降水量的变化特征是研究的一个重点且已取得了一些研究成果。徐宗学等[8]研究认为1951—2001年黄河流域多数气象观测站年降水量呈减少趋势，春、夏、秋三个季节降水量均有所减少;祝青林等[9]研究认为1971—2000年黄河流域年降水量呈减少趋势，空间上表现为北半部以增加为主、南半部以减少为主，春、夏季大部分地区降水量有不显著的增加趋势，秋、冬季的降水量有减少趋势;邵晓梅等[10]的研究表明1961—2000年黄河流域年和冬、春、夏季降水量气候倾向率都为正值，只有秋季为负值;马雪宁等[11]利用气候线性趋势分析、滑动平均、距平和R/S分析等方法对黄河上游地区1960—2008年气候变化趋势进行了分析，认为20世纪60年代降水量较多，之后逐渐减少，2000年以来又显著增加，且四季变化趋势存在明显差异;常军等[12]对1961—2010年黄河流域年、季降水量的时空变化特征进行了分析，认为多年平均年降水量呈减少趋势，总站点中15.4%通过α=0.05显著性水平检验，秋季降水量具有显著的减少趋势，冬季为不显著的增加趋势，春夏两季为不显著的减少趋势。综上，目前对黄河流域降水量的研究中气象数据主要集中在2010年前，针对近59a（1961—2019年）的研究尚未见报道。笔者基于黄河流域降水数据，通过趋势分析、Mann-Kendall检验、滑动平均法研究1961—2019年黄河流域降水量时间变化趋势及演变规律，利用EOF分解及Kriging插值法分析其空间演变规律，以期为后续研究气候变化对黄河流域水资源的影响提供参考。

1数据来源与研究方法

1.1数据来源

气象数据资料来自中国气象局国家气象信息中心，主要为1961—2019年黄河流域95个国家气象站经过质量检验的逐月降水量数据，气象站点分布如图1所示。地图底图数据来源于标准地图服务系统（ht⁃tp：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）。

1.2.4经验正交函数分解（EOF）

经验正交函数分解又称主成分分析，是气象诊断中常用的方法之一。其原理是将原变量场分解为几个互不相关的典型模态，在典型模态中尽可能多地保留原变量场的相关信息。该方法具有易于使用、不受站点分布限制、原始信息保留较完整和快速展开收敛等特点。该方法计算公式见文献[13]。

2黄河流域降水量时空变化特征分析

2.1时间变化特征分析

2.1.1流域年降水量变化特征

对黄河流域95个气象站点1961—2019年月降水量数据进行统计分析，流域平均年降水量为472mm，年际波动大（年变异系数为0.13），最大值出现在1964年（672.2mm），最小值出现在1997年（341.4mm），二者相差330.8mm。降水量主要集中在汛期（6—9月），约占年降水量的69%，非汛期（10—5月）降水量约占年降水量的31%。流域年降水量逐年变化及5a滑动平均序列如图2所示。一元线性回归分析显示1961—2019年年降水量呈下降趋势（气候倾向率为-0.575mm/10a），但总体下降趋势不显著（未通过α=0.05显著性检验）。柳春[14]、刘萍等[15]、陈磊[16]在其研究中均指出1961年以来黄河流域的降水量变化呈波动下降趋势，但这种趋势并不显著，与本文的研究分析结果一致。

由降水量5a滑动平均序列可见，1961—1972年黄河流域年平均降水量有波动下降趋势，1973—1984年为波动略上升阶段，1985—2001年呈略下降趋势，2002—2019年呈略上升趋势。这与陈磊[16]研究认为黄河流域年平均降水量有两个上升期和两个下降期的结论基本一致。

对黄河流域年降水量进行Mann-Kendall趋势和突变檢验（见图3），UF统计量和UB统计量在1964年有交点，结合UF统计量变化和5a滑动平均值变化，认为黄河流域年降水量在1964年发生突变性减少，之后波动下降—上升—下降—上升，但绝大多数年份未超过0.05显著性水平，即升降趋势不显著，这些结论和5a滑动平均序列判断是一致的。尽管UF统计量和UB统计量在1961年、1963年、2017年、2018年也有交点，但由于前后持续时间太短，因此变化趋势和突变分析无实际意义。

就四季（3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—2月为冬季）降水量而言，1961—2019年黄河流域四季降水量存在明显差异。夏季降水最多，平均值为253.5mm，冬季降水最少，平均值为12.9mm，秋季降水多于春季，分别为117.7mm和87.2mm。四季降水量分别占年降水量的18.5%、53.8%、25.0%、2.7%。黄河流域降水季节分布极度不均的原因主要是受大气环流的影响，其引导不同性质气团的活动，从而影响了降水的形成，并导致不同季节出现不同的气象灾害[17-19]。

一元线性回归分析（图略）显示，春、夏、秋、冬四季的降水量气候倾向率分别为-0.2、0.6、-2.1、0.7mm/10a，均未通过α=0.05显著性检验。因此，黄河流域夏季和冬季降水量呈不显著增加趋势，春季和秋季降水量呈不显著减少趋势。

2.1.2上、中、下游地区降水量变化特征

黄河上、中、下游地区的平均年降水量有明显差异（见图4），其下游的年降水量最多，平均值为588.4mm，其次为中游，平均值为500.2mm，上游的年降水量则最少，平均值为384.4mm。这与其所处的气候区有关，上游地区大多位于我国的干旱和半干旱气候区，中游和下游地区则大多位于半湿润气候区，即400mm等降水量线以东。通过对黄河流域年降水量变化趋势分析发现，上、中、下游地区的降水量气候倾向率分别为3.5、-4.4、-11.4mm/10a，均未通过α=0.05显著性检验，故黄河上游年降水量呈不显著增加趋势，中游和下游年降水量呈不显著减少趋势。

黄河流域各季节上、中、下游地区的降水量气候倾向率分析结果见表1，上游地区在春、夏、冬季均有增加趋势，且冬季呈显著增加趋势;中游在春、秋季呈不显著减少趋势，夏、冬季呈不显著增加趋势;下游地区在春、夏、秋季呈不显著减少趋势，冬季呈不显著增加趋势。

2.2降水量空间变化规律分析

2.2.1降水量空间分布

黄河流域多年平均年降水量分布总体上呈现“东多西少，南多北少”的特点（见图5），这是大气环流、地形、地理位置等影响因素的综合效应。黄河流域降水量空间分布不均，差异较大，西北部降水量最少，降水量由东南向西北递减。多年平均年降水量最大值出现在下游的泰山站，最小值出现在上游的临河站。

黄河流域各季节降水空间分布（见图6）虽有所不同，但大体与年降水量空间分布一致。春季降水（见图6（a））表现出由南向北递减的特征，降水量高值区在华山和秦岭附近;夏季降水量高值区主要集中在下游地区，特别是山东省境内，中上游地区降水较少（见图6（b））;秋季降水空间分布表现出从东南向西北递减的特征，总体上分布与春季相似（见图6（c））;冬季降水（见图6（d））空间分布特征与夏季相似，降水主要集中在下游地区，上游和中游降水较少。这与陈磊等[20]从干湿角度分析得到的结论基本一致。

2.2.2降水量变化空间模态分析

利用EOF分解技术对1961—2019年黄河流域降水量进行时空分解，并进行显著性检验，得到黄河流域年降水场主要时空分布模态。EOF分解特征向量和特征值误差范围表明，降水场前两个特征向量累计贡献率达44.5%，且通过North显著性检验，因此第一特征向量及第二特征向量能较好地表达1961—2019年黄河流域降水量空间分布特征。

分布模态的第一特征向量贡献率为32.1%，远高于其他特征向量的贡献率，为黄河流域降水量的主要空间分布形式（见图7（a））。该特征向量的各分量均为负值，这表明黄河流域各区域变化趋势基本一致，即黄河流域均为降水偏多或偏少分布。泰山、延安、西峰和长武的变化数值绝对值较大，属变化量大的地区。第一模态的特征值呈从西北向东南减少的趋势，说明黄河流域东南部降水量波动比西北部大。

第二特征向量的贡献率为12.4%，也是1961—2019年黄河流域降水量的主要空间分布形式（见图7（b））。该特征向量的各分量既有正值也有负值，说明黄河流域有两种分布模态，即黄河流域内降水偏多和偏少共存。介休—延安—崆峒以北地区即流域西北部为负值地区，介休—延安—崆峒以南地区即流域东南部为正值地区。乌审召、神木为负值地区的高值区，武功为正值地区的高值区，这说明上述地区为降水量波动大的地区。

根据EOF分解的黄河流域降水量空间模态可知，黄河流域降水场存在4种形式：第一模态决定全年全流域降水偏多或偏少的分布特点;第二模态决定流域西北部降水偏多（东南部降水偏少）或者西北部降水偏少（东南部降水偏多）的分布特点。

特征向量所对应的时间系数代表了由特征向量所表征的分布形式的时间变化特征。时间系数为正值代表与空间模态同方向，负值则相反。时间系数的绝对值越大，表示这种分布形式越显著。第一模态时间系数线性趋势为上升（见图8（a）），说明黄河流域59a来降水有减少趋势。在1961—2019年59a间，时间系数为正值的有31a，这31a全流域降水偏少，剩下的28a降水偏多。第二模态时间系数线性趋势为下降（见图8（b）），说明59a来流域东南部降水呈减少趋势，西北部降水呈增加趋势。根据时间系数绝对值对各模态各年降水情况进行划分，结果见表2。

3讨论与结论

基于95个国家气象站的月降水量数据，利用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall突变检验以及经验正交函数分解方法，对黄河流域1961—2019年降水量的时空变化特征进行分析，并将分析结果与前人研究结论进行对照，总结出黄河流域1961—2019年降水量的气候变化特征如下。

（1）1961—2019年黄河流域降水量总体呈不显著的下降趋势。1961—1972年和1985—2001年为兩个年降水量下降期，1973—1984年和2002—2019年两个时段年降水量呈上升趋势;1964年前后年降水量发生突变性减少;黄河流域年降水量主要集中在汛期（6—9月），约占全年的69%;黄河流域整体夏季和冬季降水量呈不显著增加趋势，春季和秋季降水量呈不显著下降趋势。

（2）黄河流域上、中、下游年降水量差异较大，下游平均降水量最多，中游次之，上游最少;上游地区年降水量呈不显著增加趋势，中游和下游呈不显著减少趋势;除上游地区在冬季呈显著增加趋势外，各地区在四季表现出不显著增加或减少趋势。

（3）根据EOF分析，1961—2019年黄河流域年降水场前两个特征向量累计贡献率达44.5%，能较好地表达其时空变化特征。其第一特征向量场呈一致性分布，第二特征向量场呈“西北-东南”反位相分布。

（4）根据第一和第二模态时间系数，可将黄河流域不同年份降水特征划分为4种分布形式：全流域偏少、全流域偏多、流域东南部偏多（西北部偏少）和流域西北部偏多（东南部偏少）。

【责任编辑 张帅】