李樂(lè)樂(lè)，李浩杰，趙德一，鈔錦龍△，楊 朔，康利軍

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619；2.山西省岢嵐氣象局，山西 忻州 036300）

降水是一種復(fù)雜多變的自然事件，作為氣候變化的主要要素之一，在時(shí)間與空間上都表現(xiàn)出顯著的多變性[1]。中國(guó)是一個(gè)人口眾多且人均擁有水量又十分匱乏的國(guó)家，水資源獲取主要來(lái)自于大氣降水，而中國(guó)地域內(nèi)的降水具有時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)[2-4]。降水量的多少在一定程度上可反映出一個(gè)區(qū)域的干濕狀況，是劃分干、濕區(qū)的重要指標(biāo)，同時(shí)也影響著一個(gè)地區(qū)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展十分重要[5]。研究區(qū)域?qū)儆谥袊?guó)森林植被與草原植被的過(guò)渡區(qū)域，自古以來(lái)，農(nóng)耕文明和游牧文明發(fā)生沖突不斷，400 mm等降水量線從其中部穿過(guò)，將其劃分為半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)，該線以北的地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以畜牧業(yè)為主，以南的地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以耕作業(yè)為主[6-7]。400 mm等降水量線在空間上的位移變化，對(duì)該區(qū)域的自然及社會(huì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生重大影響。

近年來(lái)，全球氣候變化逐漸成為相關(guān)學(xué)科界學(xué)者們的研究焦點(diǎn)。在此大背景下，典型等降水量線的空間位移也得到了不少關(guān)注和研究?；谥袊?guó)1951—2012年的降水量數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，400 mm等降水量線東西方向上在東經(jīng)97°～112°移動(dòng)，南北方向在北緯34°～41°遷移[8]，400 mm等降水量線在華北中東部波動(dòng)強(qiáng)烈[9]。王浩等[10]研究了近50年來(lái)黃河流域400 mm等降水量線的空間變化，發(fā)現(xiàn)其有向東和向南移動(dòng)的趨勢(shì)，東移趨勢(shì)最為顯著。但針對(duì)陜西、山西、河北、內(nèi)蒙古這一典型區(qū)域400 mm等降水量線空間變化的研究還很少見(jiàn)。鑒于此，本研究采用該區(qū)域95個(gè)氣象站點(diǎn)1957—2016年的逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，研究了近60 a 400 mm等降水量線的年代際和年際空間演變特征并剖析其變化原因，為這一區(qū)域未來(lái)的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于中國(guó)北方地區(qū)（97°12′～126°04′E，31°42′～53°23′N），囊括陜西、山西、河北、內(nèi)蒙古4個(gè)省（自治區(qū)），其中包含呼和浩特市、西安市、太原市等44個(gè)地級(jí)市（盟）。地形上占據(jù)了黃土高原大部、內(nèi)蒙古高原大部、華北平原北部，山脈縱橫，地形種類多樣，地勢(shì)較高。氣候上跨越了半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)以及干旱區(qū)，該區(qū)域四季分明，春秋季多風(fēng)，氣溫日較差、年較差較大，其中400 mm等降水量線以南的地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季氣溫較高且多雨，植被以草原為主，多風(fēng)沙天氣；400 mm等降水量線以北的地區(qū)為溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，全年干燥少雨，植被以森林為主。該區(qū)域是對(duì)氣候變化響應(yīng)特別敏感的地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心（https://data.cma.cn/），研究區(qū)域95個(gè)地面氣象站點(diǎn)（圖1）1957—2016年的逐年降水資料。

圖1 氣象站點(diǎn)分布圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將下載好的txt數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，去除缺測(cè)年份較多的氣象站點(diǎn)。將這些數(shù)據(jù)以每十年作為一個(gè)周期進(jìn)行相加求取平均值，對(duì)于個(gè)別年份缺測(cè)的站點(diǎn)，用其缺測(cè)年前后十年降水量平均值來(lái)替代，最后整理為1957—2016年95個(gè)氣象站點(diǎn)每十年平均降水量數(shù)據(jù)（站點(diǎn)名，站點(diǎn)經(jīng)緯度，時(shí)間，降水量年代際平均值、降水量年際值），將其與矢量文件一起導(dǎo)入ArcGis中，創(chuàng)建降水量點(diǎn)圖層，采用普通克里金插值法進(jìn)行插值，獲得降水分布圖（圖2）。提取降水量分布圖中的400 mm等降水量線（圖3），并對(duì)其進(jìn)行離散化處理，計(jì)算這些離散點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)平均值，獲得400 mm等降水量線的加權(quán)平均位置，并依據(jù)其繪制變化折線圖，用于分析1957—2016年400 mm等降水量線空間位置的年代際變化和年際變化。

圖2 四省（自治區(qū)）1957—2016年年代際降水量分布圖

圖3 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線年代際分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量年代際變化和年際變化趨勢(shì)

從表1可以看出，降水量年代際變化總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但并不顯著。1957—1976年均降水量呈下降趨勢(shì)，減少了21.69 mm；1967—1986年基本保持不變，僅增加了1.9 mm；1987—2006年顯著下降，減少了48.9 mm；1997—2016年顯著升高，增加了49.3 mm。

表1 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年年代際降水量年份

由圖4可知，1957—2016年年均降水量總體呈下降趨勢(shì)，多年平均值為464.9 mm/a。最高年降水量為1964年的646.5 mm，最低年降水量為1997年的342.7 mm，最高值與最低值之間相差303.8 mm，為多年平均值的65%。其中1957—1976年年均降水量變化較為劇烈，在多年平均值上下徘徊，并在1964年達(dá)到了近60年的最高值，這二十年里出現(xiàn)了兩次低于400 mm的情況，最高值與最低值相差294.3 mm；1977—1996年年降水量變化較為平緩，除1986年外，整體上都保持在400 mm以上，最高值與最低值相差115.1 mm；1997—2016年年均降水量變化幅度較大，其中1997年年均降水量創(chuàng)近60年來(lái)最低，較多年平均值來(lái)看，降水量偏少年份較多，最高值與最低值相差199.7 mm。60年間，降水量低于平均值的有31年，降水量出現(xiàn)大于100 mm突變的主要階段有15次，顯著增高7次，顯著下降8次。

圖4 四省（自治區(qū)）1957—2016年年均降水量變化趨勢(shì)

3.2 400 mm等降水量線空間位置變化

3.2.1 年代際變化趨勢(shì)

1957—2016年400 mm等降水量線的年代加權(quán)平均位置為116°33′12″E，43°05′15″N。如圖5所示，400 mm等降水量線的空間位置變化具有方向性。60年間，400 mm等降水量線在經(jīng)度上的空間位置年代際變化偏小，在116°E徘徊，總體東移0°22′48″；在緯度上的空間位置變化平緩，介于42°～43°N，總體北移0°09′26″。從時(shí)間角度看，400 mm等降水量線的經(jīng)度位置變化趨勢(shì)為1987—2006年西移，1967—1986年、2007—2016年?yáng)|移；緯度位置變化趨勢(shì)為1967—2006年南移，2007—2016年北移。400 mm等降水量線總體上向西南方向移動(dòng)。

圖5 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線在經(jīng)緯度上的年代際變化

從區(qū)域角度看，400 mm等降水量線從內(nèi)蒙古東北部延伸至陜西省北部，在內(nèi)蒙古東南部擺動(dòng)幅度較小，內(nèi)蒙古東部擺動(dòng)幅度較大，空間位置變化較為明顯，400 mm等降水量線在內(nèi)蒙古東部地區(qū)1967—1976年、1997—2006年分別東移36～236 km、98～280 km，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年分別西移45～181 km、0～102 km、74～228 km。河北省北部400 mm等降水量線在1987—1996年、2007—2016年分別北移2～131 km、5～277 km,1977—1986年、1997—2006年分別南移0～118 km、17～306 km，其余年代際變化不明顯。山西省北部1997—2006年南移75～81 km，2007—2016年北移87～150 km。陜西省北部1977—1986年、1997—2006年分別南移8～51 km、0～199 km，2007—2016年北移25～57 km。

綜上，內(nèi)蒙古東部地區(qū)在1967—1976年、1997—2006年降水減少，1977—1986年、1987—1996年、2007—2016年降水增加；河北省1977—1986年、1997—2006年降水減少，1987—1996年、2007—2016年降水增加；山西省1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加；陜西省1977—1986年、1997—2006年降水減少，2007—2016年降水增加。

3.2.2 年際變化趨勢(shì)

1951—2016年400 mm等降水量線的年際加權(quán)平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年間，400 mm等降水量線的空間位置變化較大。如圖6所示，400 mm等降水量線在經(jīng)度上的空間位置變化介于111°～117°E，最高與最低相差6°14′44″，波動(dòng)較大，總體西移0°08′08″；在緯度上的空間位置變化介于38°～44°N，最高與最低相差6°32′23″，波動(dòng)較大，總體北移1°16′08″。從時(shí)間角度看，400 mm等降水量線在經(jīng)度上的位置變化具有階段性：1957—1961年變化幅度較大，1962—1976年變化趨向平緩，1977—2016年變化劇烈。400 mm等降水量線在緯度上的位置變化階段性：1957—1966年變化平緩，1967—1987年變化幅度較大，1988—1997年變化趨向平緩，1998—2016年變化幅度最大。說(shuō)明400 mm等降水量線在經(jīng)度和緯度上的空間位置變化幅度并不具有一致性。60年間，400 mm等降水量線在經(jīng)、緯度上的位置變化呈現(xiàn)出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a。總體上向西南方向移動(dòng)。

圖6 四?。ㄗ灾螀^(qū)）1957—2016年400 mm等降水量線在經(jīng)緯度上的年際變化

3.3 影響因素分析

3.3.1 與氣溫變化關(guān)系

在全球氣候系統(tǒng)變暖的大背景下，內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北均有不同程度的升溫，北方地區(qū)降水與溫度呈負(fù)相關(guān)。2011年全球范圍平均氣溫較高，相較1961—1990年30年的平均氣溫（14 ℃）升高（0.4±0.09）℃，導(dǎo)致2011年中國(guó)平均降水量成為1951—2012年這一階段最低值。1997年為強(qiáng)厄爾尼諾年，該地區(qū)年降水量異常減少，平均年降水量創(chuàng)近60年來(lái)最低。研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)華北地區(qū)夏季、東部北方地區(qū)秋季的氣溫和降水與厄爾尼諾相關(guān)性較顯著，在厄爾尼諾年，氣溫會(huì)比常年同一季節(jié)偏高，降水會(huì)比常年同一季節(jié)偏少[11]。說(shuō)明升溫的確會(huì)對(duì)降水量下降產(chǎn)生重要影響。

3.3.2 與地形關(guān)系

400 mm等降水量線東段地處內(nèi)蒙古東北部，與大興安嶺走勢(shì)高度吻合，距海較近，夏季受東南季風(fēng)影響，將水汽從渤海攜帶到這里，經(jīng)過(guò)大興安嶺的地形抬升作用，易形成降水，與同緯度地區(qū)相比，降水量較豐富。

中段位于黃土高原北部、青藏高原東部、內(nèi)蒙古高原南部，由于地處大陸內(nèi)部，大陸性氣候較強(qiáng)，夏季攜帶濕氣的東南季風(fēng)到達(dá)這里已是強(qiáng)弩之末，再加之地形阻擋，所以降水量常年偏少，400 mm等降水量線的空間位置變化較小。

3.3.3 與副熱帶高氣壓帶和季風(fēng)的關(guān)系

西南季風(fēng)、東南季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流影響北方地區(qū)，而東南季風(fēng)又與西太平洋副熱帶高壓有著密切關(guān)系，二者強(qiáng)度成正比。1957—1966年，東南季風(fēng)與西南季風(fēng)較強(qiáng)，西太平洋副高脊線位置異常偏北，這一時(shí)期中緯度西風(fēng)環(huán)流也偏弱，綜合作用下，使得這一地區(qū)地區(qū)降水較多，400 mm等降水量線位置偏西北。1966年后，東南季風(fēng)、西南季風(fēng)與西太平洋副熱帶高壓都開(kāi)始減弱，該地區(qū)的降水也隨之減少，400 mm等降水量線向東南方向偏移。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）該地區(qū)1957—2016年平均降水量年代際、年際變化均呈下降趨勢(shì)，多年平均年降水量為464.9 mm，年降水量最高值與年降水量最低值相差了303.8 mm，為多年平均年降水量的65%。60年間4個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）年降水量均有不同程度的減少，陜西省最為明顯[12]。與戴海燕等[13]對(duì)內(nèi)蒙古1971—2016年降水量時(shí)空變化的分析基本一致。

（2）400 mm等降水量線的年代加權(quán)平均位置116°33′12″E，43°05′15″N，在經(jīng)度、緯度方向上的空間位置變化均比較平緩。400 mm等降水量線的年際加權(quán)平均位置為115°29′14″E，42°09′15″N。60年中，400 mm等降水量線南北方向上在北緯38°～44°移動(dòng)，東西方向上在東經(jīng)111°～117°遷移。從時(shí)間角度看，400 mm等降水量線在經(jīng)、緯度上的位置變化具有階段性，但變化幅度并不一致，同時(shí)呈現(xiàn)出了一定的周期性：1957—1982年變化周期為4～5 a；1982年后變化周期為5～6 a。400 mm等降水量線空間位置年代際、年際變化總體上均向西南方向偏移。

4.2 討論

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界尚無(wú)可以用來(lái)定量表征等降水量線空間位置的方法，有學(xué)者等將降水量線的空間位移分解為經(jīng)向和緯向2個(gè)方向上，并采用權(quán)位置來(lái)表征等降水量線的整體位移。本研究使用ArcGis10.2軟件將等降水量線離散成點(diǎn)，由于軟件未能將降水量線完全離散，一部分坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)缺失，因此對(duì)于北方地區(qū)等降水量線空間位置變化的定量研究還有待更加完善的分析。