宁夏中部干旱区降水量及可利用降水量多时间尺度变化特征分析

王 坤，陈 林，庞丹波，李学斌*，沙 欢，彭 妞

（1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏大学 生态环境学院，银川 750021；3.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021；4.宁夏大学 西北土地退化与生态系统恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021）

宁夏中部干旱区降水量及可利用降水量多时间尺度变化特征分析

王 坤1,3,4，陈 林2,3,4，庞丹波2,3,4，李学斌2,3,4*，沙 欢1,3,4，彭 妞1,3,4

（1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏大学 生态环境学院，银川 750021；3.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021；4.宁夏大学 西北土地退化与生态系统恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021）

【目的】研究1969—2020 年宁夏中部干旱区降水量及可利用降水量在不同时间尺度的变化特征，为当地的水资源利用以及灾害防治提供参考依据。【方法】基于1969—2020 年宁夏中部干旱区6 个气象站降水量及月平均气温资料，采用高桥浩一郎蒸散发公式、气候趋势法、Mann-Kendall 突变检验以及小波周期分析，对宁夏中部干旱区降水量及可利用降水量在不同时间尺度下的分配情况、丰欠演变趋势及周期规律进行研究。【结果】①宁夏中部干旱区西北区与东南区降水资源差异较大，降水量分别为188.0 mm 和304.1 mm，可利用降水量分别为17.8 mm 和58.9 mm。②宁夏中部干旱区降水主要集中在夏季，占全年57%左右；冬季最少，仅占全年3%，且年内和年际变化平缓；春、冬季可利用降水率低。③宁夏中部干旱区年际间降水资源年际间将由波动期向干旱期变化；东南区的极端降雨现象比西北区更明显，西北区在2013 年以前可利用降水资源较为丰富。④趋势分析表明未来东南区年降水量及可利用降水量分别以1.539、0.467 mm/a 速率显著增加，西北区降水量以0.647 mm/a 显著增加、可利用降水量以0.073 mm/a的降幅减少，但无显著性；突变分析表明2010 年为宁夏中部干旱区降水量开始发生突变的年份。⑤宁夏中部降水量及可利用降水量主要以9、12～13、40 a 为主周期，对应的振荡周期分别为6、9、25 a。可利用降水变率较大，对农牧生产活动影响较大。【结论】宁夏中部干旱区各降水资源东南区比西北区更丰富；季节年降水量及可利用降水量排序均为夏季＞秋季＞春季＞冬季；未来降水量及可利用降水量有显著上升趋势，降水资源向着大周期尺度演变。

宁夏中部干旱区；可利用降水量；多时间尺度；Mann-Kendall 突变检验法；小波分析

0 引 言

【研究意义】降水是水资源的主要来源，降水资源分量为降水量、蒸发量和可利用降水量，蒸发量直接影响可利用降水量，可利用降水是人们能实际利用的降水资源，得到了广泛应用并取得了较丰富的研究成果[1,3]。全球气温升高，干旱区日照充足、水分蒸发强烈，对可利用降水资源产生的影响不可忽视[2]。宁夏位于我国西北内陆东部，其中部属干旱半干旱地区，包括引黄灌区南部和中部干旱带2 种自然类型区，常年干旱少雨且降水分布不均，加之持续高温、风大沙多，水资源匮乏，历史上出现多次干旱灾害，是我国干旱最严重的地区之一，当地人畜饮水困难、水资源供需矛盾等问题日益突出。一些学者[4-8]对宁夏地区降水资源在时间序列上的特征进行分析，发现宁夏正处于向暖干变化的过程，并且在不同时间尺度以及区域中存在较大差异，因此对降水资源的变化特征还需进一步研究。【研究进展】有学者指出，中国降水量以及宁夏回族自治区降水量均呈现出不显著的上升态势，利用周期分析划分降水序列在时间尺度的周期性变化规律，得出全国多数地区第一主周期都为20 a 左右[9]。张志高等[10]对安阳市大气降水资源研究结果表明，降水对可利用降水有决定性作用，气温与可利用降水呈负相关关系，而葛朝霞等[11]对南疆的降水资源研究发现气温升高不一定造成可利用降水量减少，还需考虑其他影响因素的影响。徐晓明等[12]通过对深圳市多年日降水量进行突变检验，发现降水异常年份及极端降水变化规律，以此实现对极端降水的预估预报。Qin 等[13]以贵州省的连续无有效降水天数的干旱指标（Dnp）为研究对象，发现年度和季节性Dnp 在空间内存在显著差异，且逐年呈显著性上升趋势，揭示了年度变化、季节变化和空间差异是降水资源的研究重点。宁夏中部干旱带的减少幅度较大，而处于中北部的引黄灌区减少幅度较小[8,14]，降水资源存在较大差异，因此开展宁夏中部区域降水资源研究，对干旱少雨地区水资源利用有着重要的借鉴意义。【切入点】目前许多学者对我国西北地区降水以及可利用降水进行了广泛的研究，在时空演变格局的研究上做出大量贡献，而宁夏作为黄河流域与高质量发展先行区，其中部干旱地区持续出现旱情，近年来对宁夏中部干旱带的降水资源的研究居多，但对宁夏中部引黄灌区的研究较少。本文对引黄灌区与中部干旱带过渡区域降水资源变化进行对比分析，以揭示宁夏中部区域之间的降水资源在多时间尺度上的变化格局。【拟解决的关键问题】以宁夏中部6 个气象站的降水量及气温等气象资料为依据，利用高桥浩一郎蒸散发公式、气候趋势法、Mann-Kendall 突变检验以及小波周期分析对宁夏中部干旱区1969—2020 年降水及可利用降水在多时间尺度上的变化特征进行研究，为当地降水资源的利用以及旱灾防治工作提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

宁夏回族自治区地处我国西部黄河上游，研究区域位于宁夏中部干旱区，如图1 所示，该区域位于104°17′—107°39′ E、36°09′—38°10′ N 之间，东邻内蒙古鄂尔多斯市、陕西榆林市和甘肃庆阳地区，西与内蒙古阿拉善盟为邻，南与固原市接壤，北靠首府银川，总面积为3.88 万km2，约占宁夏面积58.4%，属典型的温带大陆性季风气候，地貌类型为黄河冲击平原、沙漠、山地、台地和丘陵，四季分明，气候干燥、蒸发强烈、温差较大，无霜期短且风沙较大。

1.2 数据来源与处理

本文数据来源于国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/），本研究主要针对宁夏中部地区降水资源变化特征进行分析，因此选用吴忠、中宁、中卫、海原、同心以及盐池6 个气象站的1969—2020年月平均气温及月降水量资料。由于同心站点数据存在缺失，且气象要素在时间序列上的变化属于随机缺失，为保证数据的完整性，本文使用IBM SPSS Statistics 21 软件中多重插补的方法进行补齐[15-16]。另外按照3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12—2 月为冬季，划分四季。利用QGIS 3.24.2绘制研究区站点分布图，采用IBM SPSS Statistics 21及Matlab 2016 年进行统计分析，利用WPS Office 2019 软件进行绘图及表格制作，确定小波变换系数后使用Origin 2018 绘制小波实部等值线图。

图1 宁夏中部站点分布Fig.1 Site distribution map in central Ningxia

1.3 研究方法

1.3.1 陆面蒸发

关于蒸发量的测算一直是大气科学里的一个难题，宋正山等[17]从定性和定量的角度验证了陆面蒸发经验公式[18]在华北地区的可用性，且该公式考虑了物理上影响蒸发的主要因素（气温和降水量），适用于各种气候特征的地区，在我国北方地区陆面蒸发计算的应用较为广泛[19-20]，因此，本文根据高桥浩一郎陆面蒸发经验公式计算蒸发量，利用月降水量以及月平均气温对蒸发量进行估算，计算式为：

利用降水资源各分量之间的关系，进而得到可利用降水量，计算式为：

式中：Pe为可利用降水量（mm）；P为月平均降水量（mm）；E为陆面蒸发量（mm）；T为月平均温度（℃）；α为蒸发系数；β为可利用降水率。

1.3.2 气候趋势法

为研究宁夏中部降水及可利用降水在年际间的变化规律，利用一元线性回归方程拟合多年降水资源变化特征，一元线性气候趋势法是分析气象要素在时间序列上变化幅度特征最常用的方法，趋势系数能够反映出某种气象要素的升降状况，该方法能分析研究区域多年降水资源的变化趋势，以此来预测未来降水变化趋势。以回归系数表示其气候倾向率，计算式为：

式中：a为回归系数或气候倾向率（mm/a）；xi为年份序列（i=1，2，…，n）；b为常数。

1.3.3 Mann-Kendall 检验

1）Mann-Kendall 秩次相关法，用于对气候趋势的显著性检验，n个独立随机变量分布样本时间序列数据（x1,x2,…,xn），定义检验统计量S：

式中：sign( )为符号函数，当Xi-Xj小于、等于或大于0 时，函数值分别为-1、0、1。其方差为var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。在双边检验中，对于给定的置信水平，M-K 统计量检验Z值的计算式分为3 种情况。

式中：Z值＞0 时，表示有增加趋势，反之则减少趋势，Z的绝对值≥1.96、2.32 时分别表示通过了97.5%、99%可信度的显著性检验。

2）Mann-Kendall 突变检验法，是一种非参数统计检验的方法，利用数据的正序列与逆序列变量，能够诊断气候序列的变化趋势以及突变点，并确定突变发生的时间[21-22]。对于具有n个样本量的时间序列x1,x2,…,xn，定义统计量：

式中：Sk为第i个样本xigt;xj的累计数；当xigt;xj时ri=1；当xi≤xj时ri=0。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

其中UF1=0。给定显著性水平α，当|UFk|gt;Uα，表明序列具有显著变化。同理，按时间逆序列xn，xn-1，…，x1，重复上述过程，令UBk=-UFk（k=n，n-1，…，-1），其中UB1=0。绘制出UFk和UBk曲线图，若UFk或者UBk＞0，说明数据按时间序列趋势上升，反之，则趋势下降。若曲线超过临界线，则上升或者下降趋势显著。

1.3.4 小波周期分析

降水序列随着时间的变化，大多具有非平稳性，基于小波理论的多时间尺度分析可将非平稳时间序列分解为较为平稳的原始序列，通过小波分析可以将时间序列数据在多时间尺度下分解，从中提取出水文时间序列的多种变化周期。本文选取Morlet 连续复小波函数，对于给定的水文序列，其连续小波变换为：

式中：Wf(a,b)为小波变换系数；a为尺度因子，用以表示小波的周期长度；b为时间因子，用以表示时间上的位移；f(t)为原始信号；φ(t)为小波母系数；*为复共轭。

将按照时间域选取的所有小波系数的平方进行积分得到小波方差：

依照小波系数在时间尺度上能量的分布绘制方差值图，以此来确定水文序列在周期变化中的主要时间尺度即主周期。

2 结果与分析

2.1 宁夏中部年均降水量及可利用降水量分布特征

2.1.1 各站点年均降水量及可利用降水量分布特征

表1 为宁夏中部干旱区1969—2020 年各站点多年平均降水资源各分量，表2 为季节特征表，结合图1 各站点位置来看，宁夏中部1969—2020 年平均降水量为246.0 mm，平均可利用降水量为38.3 mm，吴忠、中卫和中宁站点降水资源明显低于此平均值，这3 个站点处于宁夏中部西北区，而盐池、海原和同心站点降水资源高于此平均值且处于东南区。从表2可知，西北区与东南区降水量分别为188.0 mm 和304.1 mm，可利用降水量分别为17.8 mm 和58.9 mm，西北区年平均降水量及可利用降水量较东南区更少。根据年降水划分标准，西北区为干旱区，东南区为半干旱区。因此降水及可利用降水在宁夏中部沿西北-东南呈增加的趋势。另外东南区多年平均可利用降水率为0.19，而西北区仅为0.09（表2），表明西北区降水利用率低，这可能与该地区风速大和气温高有关。东南区比西北区不仅在各降水资源的分量上更多，其降水利用率也更大，因此宁夏中部降水资源存在较强的空间异质性。

表1 宁夏中部多年平均降水量及可利用降水量Table 1 Annual average precipitation and available precipitation in central Ningxia

表2 宁夏中部分区多年平均降水量及可利用降水量季节特征Table 2 Characteristics of seasons of multi-year average precipitation and available precipitation in central Ningxia Subregion

注 括号内数值为该季节对应所占全年的百分比。

2.1.2 多年平均月季分布特征

图2 为宁夏中部降水资源年内分配状况。从图2可知，东南区在全年各月份降水量及可利用降水量均丰于西北区，可利用降水率均大于西北区，仅蒸发系数与前者规律相反，因此降水资源以东南区较为丰富。东南区和西北区降水资源年内分配特征一致，宁夏中部降水资源逐月分布不均匀，结合表2 中的季节变化特征，5—9 月为降水较丰期，占到全年的80%以上，其中夏季降水量占全年57%左右，是最主要的降水集中时期，而在冬季（1、2、12 月）占比均不足3%，且存在长时段无降雨现象。从各降水分量来看，可利用降水量、可利用降水率与降水量有相似的逐月分布特征，因此降水量决定着蒸发量和可利用降水量的大小。从季节分布来看，降水量、蒸发量及可利用降水量从大到小排序均为夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季在全年中的占比远小于其他季节，春季和秋季较为接近。虽然夏季各降水数值均为最大，但在全年中蒸发系数最小，春季和冬季蒸发系数较高，蒸发系数在0.9 以上，大部分降水资源被蒸发。表3 为多年平均气温及平均2 min 风速，从表3 可知气温较低的春、冬季，其风速较高，因此该地区春、冬季可利用降水率低可能与风速对蒸发的影响有关。

图2 宁夏中部多年平均降水量及可利用降水量逐月分布Fig.2 Month-by-month distribution of multi-year average precipitation and available precipitation in central Ningxia

表3 宁夏中部季节平均气温及平均2 min 风速Table 3 Average seasonal temperature and average wind speed of 2 minutes in central Ningxia

2.2 宁夏中部降水量及可利用降水量年际变化特征

2.2.1 年际间变化特征

图3 为宁夏中部干旱区1969—2020 年降水指标年际变化过程图，52 a 的陆面蒸发量及蒸发系数变化过程线、年降水量和蒸发量变化过程相似；可利用降水量与可利用降水率变化过程也相似；蒸发量和可利用降水量随着降水量的变化呈相同的变化规律。说明该地区的陆面蒸发状况较为稳定，各降水资源的多少主要以降水量为主导。年降水量值最大的年份为1985年，降水量为290.5 mm（西北区）和477.7 mm（东南区），最小值为66.7 mm（西北区2005 年）和192.7 mm（东南区1980 年），极值比分别为4.35（西北区）和2.32（东南区），因此西北区降水变化幅度更大。另外，降水资源有明显周期性，其中1985—1995 年降水量变化剧烈，在研究时域内降水及可利用降水丰欠交替，可见到一些峰值和谷值。

2.2.2 年际间距平变化过程

图4 为宁夏中部各分区降水及可利用降水距平和累计距平变化过程。从距平变化来看，西北区与东南区降水及可利用降水基本一致：1969—1975 年降水相对较少、1976—1978 年和2016—2020 年相对较丰，1978—2015 年丰枯交替变化较为频繁，每1～4 a就会发生交替变化，但东南区降水较丰年份的个数明显多于西北区，这表明东南区的极端降雨现象比西北区更明显。从累计距平变化过程来看，除了西北区可利用降水量长时段处于正累计距平，其余一直处于负累计距平，属于少雨期，说明西北区可利用降水资源在2013 年以前较为丰足（图4）。

图3 宁夏中部干旱区降水指标年际变化过程Fig.3 Interannual variation of precipitation indicators in the arid region of central Ningxia

图4 宁夏中部降水量及可利用降水量距平变化过程线Fig.4 Precipitation and available precipitation in the northwest and southeast regions of central Ningxia and the process line of available precipitation from the level

2.2.3 年际间四季变化过程

图5 为四季降水量及可利用降水量随着时间序列的变化过程，从图5 可以看出，除冬季变化较为平缓，其他季节变化较为剧烈；夏季降水量及可利用降水量均较其他季节大，秋季次之，且秋季和春季相近。西北区与东南区四季变化过程相似，且东南区不仅年均降水量及可利用降水量高，四季的降水资源也高于西北区。

图5 宁夏中部降水量及可利用降水量四季变化过程Fig.5 Four-season variation process of precipitation and available precipitation in central Ningxia

2.2.4 年代际变化特征

以宁夏中部干旱区降水量及可利用降水量各年代的平均值及相对多年平均距平值，来分析其在年代际的变化特征，其中，各年代际1969—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009 年和2010—2020 年分别简便表示为1970s，1980s、1990s、2000s 和2010s，结果如表4 所示。在年代际间各个年代东南区均比西北区各降水资源丰富，如在2010s，东南区降水量及可利用降水量分别为348.5、71.7 mm，西北区分别为208.9、17.0 mm。宁夏中部干旱区以1990s 和2010s年代累计距平均为正，为降水丰水期，而可利用降水量中除西北区2010 s 累计距平为-7.8 mm，其他与降水丰枯状况一致，因此，虽然西北区在2010s 降水处于丰水期，但可利用降水量相对较欠。1970s、1980s、2000s 为降水枯水期，其中1980s 是西北区显著的枯水期，降水量累计距平为-196.8 mm 可利用降水也低于其他年代。东南区与西北区不一致，其最显著的枯水期是1970s，降水量累计距平为-356.2 mm，可利用降水量累计距平为-104.2 mm。因此西北区与东南区的降水资源不仅在数量上差异大，丰欠时期也有差异。

2.3 趋势分析及突变检验

2.3.1 趋势分析

利用气候趋势法和M-K 秩次相关法，计算宁夏中部西北区及东南区的降水量及可利用降水量在1969—2020 年间的趋向率和Z值，结果如表5 所示。

表5 宁夏中部降水量及可利用降水量趋向率Table 5 Precipitation and available precipitation trend rates in central Ningxia

注 “*”、“**”分别表示通过置信度97.5%和99%的显著性检验。

宁夏中部的降水资源除西北区的可利用降水量有不显著的下降趋势，总体呈上升趋势，预测未来东南区降水资源的降水量和可利用降水量分别以1.539 mm/a 和0.467 mm/a 的速率增加，均比西北区的0.647、-0.073 mm/a 有着更显著的增加趋势，通过了97.5%的显著性检验；降水量的Z值比可利用降水量更大，说明降水量趋向率比可利用降水量有着更显著的增加趋势，因此，东南区比西北区降水量及可利用降水量有着更强的增速。

2.3.2 突变检验

利用Mann-Kendall 突变检验对宁夏中部西北及东南分区的降水量及可利用降水量进行突变分析，临界线为±1.96。图6 为西北及东南分区的降水量及可利用降水量的突变检验曲线图。由图6（a）可知西北区降水量UF曲线大部分时段为正值，1974—1975 和1980—1984 年为降水为降低趋势的年份，其他年份均呈升高趋势，但均未通过显著性检验，UF与UB的2 条曲线在1995—2010 年有7 个交点，突变较为频繁，且均在2 条临界线水平线之间，仅2010 年突变点较明显，突变后降水量呈上升趋势。由图6（c）可知，东南区仅1971—1976 年为降水降低的年份，其他均呈升高趋势的年份，其中1994—2004、2016—2020年为显著升高的年份，突变点在1983—2010 年内突变状况复杂多变，仅2010 年突变较为明显，突变后降水量呈上升趋势，并且在2016 年往后突破临界线。对于可利用降水，从图6（b）、图6（d）可以看出，西北区可利用降水在1969—1973，1977—1979、2001—2004 年和2019—2020 年呈升高趋势，其余年份为降低趋势，但均未通过显著性检验，研究期内无显著突变点；东南区可利用降水量趋势变化与降水量基本一致，在2019 年突破临界线，为显著上升趋势，全时段无突变点。因此2010 年为宁夏中部干旱区降水量显著发生突变的年份，西北区降水及可利用降水量上升趋势不显著，东南区降水量在2016 年后有显著突变的上升趋势，可利用降水量延后至2019 年达到显著上升效果。

图6 宁夏中部降水量及可利用降水量M-K 统计量曲线Fig.6 M-K statistical curve of precipitation and available precipitation in central Ningxia

2.4 周期分析

对1969—2020 年宁夏中部年降水量及可利用降水量进行小波分析，对降水数据进行中心化处理，利用Morlet 小波分析进行小波变换，对时间尺度进行前后延长至128 a，而后选取中部周期尺度64 a 进行研究，得到小波方差和小波变换系数，以此绘制小波方差图如图7 所示。

图7 宁夏中部年降水量及可利用降水量小波方差Fig.7 Annual precipitation and wavelet variance of available precipitation in central Ningxia

取不同的a、b值得到模平方和实部，小波变换实部等值线图，如图8 所示，可以观察出年降水量随着不同的时间尺度呈多、少交替的变化特征，同时可对未来降水变化趋势进行短期预测。图8 中红色区域表明在此时间段降水量或可利用降水量较多，蓝色区域为负值即降水量较少。52 a 时间序列上的年降水量有一定的周期演化规律，但是不存在唯一且确定的周期，而是随着观测时间的不同存在多时间尺度的周期演化规律。降水量及可利用降水量存在着不同的时间尺度演化特征，从图7 的峰值可以看出，宁夏中部降水量均存在9、12～13、40 a 三类较为明显的时间尺度主周期变化规律，主导着宁夏中部地区降水资源在时间序列上的变化特征。结合等值线图来看，以9、12～13、40 a 为主周期，其震荡周期分别为6、8～9、25 a 左右。在研究时域内，首先在9 a 时间尺度上，西北区降水量呈少-多交替震荡，主要发生在2010 年以前，往后震荡强度减弱至消失，而东南区则主要集中在1974—2010 年。12～13 a 时间尺度上，西北区主要存在于2003 年以前，呈多-少交替震荡，而东南区主要发生在2000 年以前。对于大主周期40 a，宁夏中部降水量及可利用降水量在研究时域内波动时间长且范围更广，且随着时间序列变化此周期演变特征越显著。40 a 时间尺度往后，方差值曲线变化平缓（图7），2000s 初往后，40 a 逐渐趋于显著，可能正处于46～55 a 时间尺度演变的过程中，并且最后等值线未闭合，表明未来降水量及可利用降水量将继续处于升高趋势（图8），这与前面的研究结果一致。

图8 宁夏中部降水量及可利用降水量小波实部等值线Fig.8 Solid contour plot of precipitation and available precipitation wavelets in central Ningxia

3 讨 论

在全球气候变化的大环境下，降水量及可利用降水量必会受到不同程度的影响，各区域范围内的气候异质性明显。从多年平均降水量角度出发，在本研究中发现宁夏中部降水量及可利用降水量从西北至东南为升高趋势，区域差异较大，这与王素艳等[8]对宁夏的降水资源研究结果一致，宁夏全区降水量差异性也较大，同时表明降水量的多寡是降水资源各分量的主导因子，也是制约当地农牧业发展和人畜饮水问题的关键因素。黄小燕等[24]研究得出的我国西北全区年平均降水量276.1 mm，高于本研究中宁夏中部年均降水量，同时也介于2 个子区域的年均降水量之间，这进一步表明降水资源分布在空间上极不均匀。随着气候变暖以及工业的发展，温室气体大量排放对气候突变有着很大的不确定性[25]，由突变特征可知1990s和2000s 发生多次突变，自我国2009 年提出第一个碳减排目标后，这或多或少影响了宁夏中部的降水状况，降水量以2010 年为突变起始点并呈上升趋势。随着时间序列的变化，降水资源在不同时段阶段之间会有着不同的“干、湿”转化趋势，降水资源的丰枯变化情况与杜灵通等[4]对宁夏干旱变化特征得出的研究结果基本一致，逐渐由湿润期向干旱期转变。本研究针对宁夏中部地区降水量在近52 年时间序列上整体呈上升趋势，这表明近年来降水资源向着暖湿趋势变化，也有研究表明我国西北地区存在降水增加的现象，主要由极端降水及短时对流降水引起，因此仅是一种短期的湿润改善，并不会改变西北地区干旱少雨的基本气候特征[26]。

可利用降水资源由于受到蒸发的影响而变化，导致不同区域蒸发系数产生差异，进而影响可利用降水量的变化，是由各种气象因子或者环境因子共同作用的结果，主要影响因子包括气温、风速、水汽压、日照、人类活动等[27-28]。张耀宗等[27]在黄土高原地区探究了各气候因素对不同季节蒸发状况的影响，发现引起夏季与冬季变化的主导因子分别为水分因子和热力因子，而风速是影响春、秋季节的主导因子。本研究中气温较高的夏季蒸发率在全年中最低，而春、冬季最高，因此，该地区春、冬季可利用降水率低可能与风速对蒸发的影响大于气温有关。今后对风沙较大地区的可利用降水量的影响因素还需要进一步探究。以上分析结果表明，宁夏中部近52 年来均存在降水资源短缺问题，且分布不均，给旱灾防治工作带来困难，水资源的供应是该区经济发展以及生态环境改善的重要工作。

4 结 论

1）年均降水量及可利用降水量沿西北—东南呈增加趋势，西北区各降水资源均低于东南区。

2）年降水量及可利用降水量在季节上的分布排序均为夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季稀少且年际间变化平缓。

3）年际间降水资源丰枯交替变化频繁，不利于该区域的农牧业生产活动。未来降水量及可利用降水总体呈显著上升趋势，且东南区增幅大于西北区，但仍不会改变干旱少雨的基本气候特征。

4）2010 年为降水资源开始发生突变增加的年份，西北区突变状况不显著，东南区降水量及可利用降水量分别在2016 年和2019 年后突变达到显著。

5）降水量及可利用降水量主要以9、12～13、40 a为主周期，对应振荡周期分别为6、9、25 a。未来降水资源向着大周期尺度演变。

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Variation in Precipitation and Net Precipitation in Arid Area in Central Ningxia

WANG Kun1,3,4, CHEN Lin2,3,4, PANG Danbo2,3,4, LI Xuebin2,3,4*, SHA Huan1,3,4, PENG Niu1,3,4
(1. School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. College of Ecological Environment, Ningxia University,Yinchuan 750021, China; 3. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 4. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwest China of Ministry of Education, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

【Objective】Precipitation and evapotranspiration are two important parameters required in hydrological modelling and water resource management. In this paper, we analyzed their temporal variation in the arid area in central Ningxia province. 【Method】The analysis was based on precipitation and monthly average temperature measured from 1969 to 2020 from six meteorological stations across the area. Spatiotemporal variation in the precipitation and net precipitation (the difference between precipitation and evapotranspiration) was calculated using the Koichiro Takahashi's evapotranspiration formula, climate trend method, Mann-Kendall mutation test and the wavelet cycle analysis.【Result】① The precipitation in northwest and southeast of the area differed considerably,with the precipitation in the former and the latter being 188.0 mm and 304.1 mm, and their associated net precipitation being 17.8 mm and 58.9 mm, respectively. ② Rainfall in the area falls mainly in summer, accounting for 57% of the annual precipitation, while precipitation in the winter is the least, accounting for only 3% of annual precipitation. The net precipitation in spring and winter is lower than that in other seasons. ③ Interannual variation in net precipitation has been in a transition from fluctuations to continued drying in the studied period. The extreme rainfalls were mainly in the southeast, and the net precipitation in the northwest was more abundant before 2013 than after 2013. ④ Trend analysis shows that the annual precipitation and net precipitation in the southeast have increased significantly at 1.539 mm/a and 0.467 mm/a, respectively. In contrast, the precipitation in the northwest had increased at 0.647 mm/a, while the net precipitation had been decreasing at 0.073 mm/a though not at a significant level. Mutation analysis showed an abrupt precipitation change in 2010. ⑤ Precipitation and net precipitation in the studied area showed periodicities of 9, 12～13, 40 a, with their associated oscillating periods being 6, 9 and 25 a, respectively. The net precipitation varied largely, having a greater impact on agriculture and animal husbandry. 【Conclusion】Precipitation and net precipitation in the southeast is more abundant than in the northwest of the studied area. The magnitude of seasonal annual precipitation and net precipitation are ranked in the order of summergt;autumngt;springgt;winter. Precipitation and net precipitation in the studied area have been increasing over the studied period.

arid region of central Ningxia; precipitation available; precipitation multi-time scale; Mann-Kendall mutation test; wavelet analysis

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P426.616

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022216

1672 - 3317（2022）10 - 0106 - 11

2022-04-18

宁夏重点研发计划项目（2021BEG02005）；国家自然科学基金项目（31960359）；第三批宁夏青年科技人才托举工程项目（TJGC2018068）和中央引导地方项目（2022FRD05001）

王坤（1999-），男。硕士研究生，主要从事森林生态研究。E-mail: wang_k_12138@163.com

李学斌（1972-），男。研究员，主要从事植物生态学/林草生态系统研究。E-mail: lixuebin@nxu.edu.cn

责任编辑：赵宇龙