趙慧霞　卓瑩瑩　劉厚鳳

關(guān)鍵詞：年降水量;Mann-Kendall檢驗(yàn);EOF分析;時(shí)空變化特征;黃河流域

中圖分類號(hào)：P467;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.006

引用格式：趙慧霞，卓瑩瑩，劉厚鳳.1961—2019年黃河流域降水量時(shí)空變化特征分析[J].人民黃河，2022，44（3）：26-31.

黃河流域位于中緯度地帶，東西跨度大，流域內(nèi)不同地區(qū)氣候差異顯著，自然條件復(fù)雜多樣。黃河的基本特點(diǎn)決定了黃河流域水資源系統(tǒng)的脆弱性和對(duì)氣候變化的敏感性。觀測(cè)資料顯示，自19世紀(jì)90年代以來(lái)，黃河流域干旱程度不斷加劇，范圍逐漸擴(kuò)大[1]。特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)水資源需求日益增加，黃河流域水資源供需矛盾愈來(lái)愈尖銳，干旱形勢(shì)日趨嚴(yán)重。降水、氣溫、蒸發(fā)等主要?dú)庀笠氐臅r(shí)空變化特征直接影響黃河流域水資源的利用以及流域內(nèi)動(dòng)植物的生存環(huán)境。黃河流域氣候要素的時(shí)空變化特征研究是區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等研究的基礎(chǔ)，也是關(guān)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。

近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)黃河流域的氣候變化特征及其對(duì)水資源的影響進(jìn)行了大量研究[2-7]，其中降水量的變化特征是研究的一個(gè)重點(diǎn)且已取得了一些研究成果。徐宗學(xué)等[8]研究認(rèn)為1951—2001年黃河流域多數(shù)氣象觀測(cè)站年降水量呈減少趨勢(shì)，春、夏、秋三個(gè)季節(jié)降水量均有所減少;祝青林等[9]研究認(rèn)為1971—2000年黃河流域年降水量呈減少趨勢(shì)，空間上表現(xiàn)為北半部以增加為主、南半部以減少為主，春、夏季大部分地區(qū)降水量有不顯著的增加趨勢(shì)，秋、冬季的降水量有減少趨勢(shì);邵曉梅等[10]的研究表明1961—2000年黃河流域年和冬、春、夏季降水量氣候傾向率都為正值，只有秋季為負(fù)值;馬雪寧等[11]利用氣候線性趨勢(shì)分析、滑動(dòng)平均、距平和R/S分析等方法對(duì)黃河上游地區(qū)1960—2008年氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，認(rèn)為20世紀(jì)60年代降水量較多，之后逐漸減少，2000年以來(lái)又顯著增加，且四季變化趨勢(shì)存在明顯差異;常軍等[12]對(duì)1961—2010年黃河流域年、季降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為多年平均年降水量呈減少趨勢(shì)，總站點(diǎn)中15.4%通過(guò)α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)，秋季降水量具有顯著的減少趨勢(shì)，冬季為不顯著的增加趨勢(shì)，春夏兩季為不顯著的減少趨勢(shì)。綜上，目前對(duì)黃河流域降水量的研究中氣象數(shù)據(jù)主要集中在2010年前，針對(duì)近59a（1961—2019年）的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。筆者基于黃河流域降水?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均法研究1961—2019年黃河流域降水量時(shí)間變化趨勢(shì)及演變規(guī)律，利用EOF分解及Kriging插值法分析其空間演變規(guī)律，以期為后續(xù)研究氣候變化對(duì)黃河流域水資源的影響提供參考。

1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心，主要為1961—2019年黃河流域95個(gè)國(guó)家氣象站經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)的逐月降水量數(shù)據(jù)，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。地圖底圖數(shù)據(jù)來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)（ht?tp：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）。

1.2.4經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解又稱主成分分析，是氣象診斷中常用的方法之一。其原理是將原變量場(chǎng)分解為幾個(gè)互不相關(guān)的典型模態(tài)，在典型模態(tài)中盡可能多地保留原變量場(chǎng)的相關(guān)信息。該方法具有易于使用、不受站點(diǎn)分布限制、原始信息保留較完整和快速展開(kāi)收斂等特點(diǎn)。該方法計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

2黃河流域降水量時(shí)空變化特征分析

2.1時(shí)間變化特征分析

2.1.1流域年降水量變化特征

對(duì)黃河流域95個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2019年月降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，流域平均年降水量為472mm，年際波動(dòng)大（年變異系數(shù)為0.13），最大值出現(xiàn)在1964年（672.2mm），最小值出現(xiàn)在1997年（341.4mm），二者相差330.8mm。降水量主要集中在汛期（6—9月），約占年降水量的69%，非汛期（10—5月）降水量約占年降水量的31%。流域年降水量逐年變化及5a滑動(dòng)平均序列如圖2所示。一元線性回歸分析顯示1961—2019年年降水量呈下降趨勢(shì)（氣候傾向率為-0.575mm/10a），但總體下降趨勢(shì)不顯著（未通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)）。柳春[14]、劉萍等[15]、陳磊[16]在其研究中均指出1961年以來(lái)黃河流域的降水量變化呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不顯著，與本文的研究分析結(jié)果一致。

由降水量5a滑動(dòng)平均序列可見(jiàn)，1961—1972年黃河流域年平均降水量有波動(dòng)下降趨勢(shì)，1973—1984年為波動(dòng)略上升階段，1985—2001年呈略下降趨勢(shì)，2002—2019年呈略上升趨勢(shì)。這與陳磊[16]研究認(rèn)為黃河流域年平均降水量有兩個(gè)上升期和兩個(gè)下降期的結(jié)論基本一致。

對(duì)黃河流域年降水量進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)（見(jiàn)圖3），UF統(tǒng)計(jì)量和UB統(tǒng)計(jì)量在1964年有交點(diǎn)，結(jié)合UF統(tǒng)計(jì)量變化和5a滑動(dòng)平均值變化，認(rèn)為黃河流域年降水量在1964年發(fā)生突變性減少，之后波動(dòng)下降—上升—下降—上升，但絕大多數(shù)年份未超過(guò)0.05顯著性水平，即升降趨勢(shì)不顯著，這些結(jié)論和5a滑動(dòng)平均序列判斷是一致的。盡管UF統(tǒng)計(jì)量和UB統(tǒng)計(jì)量在1961年、1963年、2017年、2018年也有交點(diǎn)，但由于前后持續(xù)時(shí)間太短，因此變化趨勢(shì)和突變分析無(wú)實(shí)際意義。

就四季（3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季）降水量而言，1961—2019年黃河流域四季降水量存在明顯差異。夏季降水最多，平均值為253.5mm，冬季降水最少，平均值為12.9mm，秋季降水多于春季，分別為117.7mm和87.2mm。四季降水量分別占年降水量的18.5%、53.8%、25.0%、2.7%。黃河流域降水季節(jié)分布極度不均的原因主要是受大氣環(huán)流的影響，其引導(dǎo)不同性質(zhì)氣團(tuán)的活動(dòng)，從而影響了降水的形成，并導(dǎo)致不同季節(jié)出現(xiàn)不同的氣象災(zāi)害[17-19]。

一元線性回歸分析（圖略）顯示，春、夏、秋、冬四季的降水量氣候傾向率分別為-0.2、0.6、-2.1、0.7mm/10a，均未通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)。因此，黃河流域夏季和冬季降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，春季和秋季降水量呈不顯著減少趨勢(shì)。

2.1.2上、中、下游地區(qū)降水量變化特征

黃河上、中、下游地區(qū)的平均年降水量有明顯差異（見(jiàn)圖4），其下游的年降水量最多，平均值為588.4mm，其次為中游，平均值為500.2mm，上游的年降水量則最少，平均值為384.4mm。這與其所處的氣候區(qū)有關(guān)，上游地區(qū)大多位于我國(guó)的干旱和半干旱氣候區(qū)，中游和下游地區(qū)則大多位于半濕潤(rùn)氣候區(qū)，即400mm等降水量線以東。通過(guò)對(duì)黃河流域年降水量變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，上、中、下游地區(qū)的降水量氣候傾向率分別為3.5、-4.4、-11.4mm/10a，均未通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)，故黃河上游年降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，中游和下游年降水量呈不顯著減少趨勢(shì)。

黃河流域各季節(jié)上、中、下游地區(qū)的降水量氣候傾向率分析結(jié)果見(jiàn)表1，上游地區(qū)在春、夏、冬季均有增加趨勢(shì)，且冬季呈顯著增加趨勢(shì);中游在春、秋季呈不顯著減少趨勢(shì)，夏、冬季呈不顯著增加趨勢(shì);下游地區(qū)在春、夏、秋季呈不顯著減少趨勢(shì)，冬季呈不顯著增加趨勢(shì)。

2.2降水量空間變化規(guī)律分析

2.2.1降水量空間分布

黃河流域多年平均年降水量分布總體上呈現(xiàn)“東多西少，南多北少”的特點(diǎn)（見(jiàn)圖5），這是大氣環(huán)流、地形、地理位置等影響因素的綜合效應(yīng)。黃河流域降水量空間分布不均，差異較大，西北部降水量最少，降水量由東南向西北遞減。多年平均年降水量最大值出現(xiàn)在下游的泰山站，最小值出現(xiàn)在上游的臨河站。

黃河流域各季節(jié)降水空間分布（見(jiàn)圖6）雖有所不同，但大體與年降水量空間分布一致。春季降水（見(jiàn)圖6（a））表現(xiàn)出由南向北遞減的特征，降水量高值區(qū)在華山和秦嶺附近;夏季降水量高值區(qū)主要集中在下游地區(qū)，特別是山東省境內(nèi)，中上游地區(qū)降水較少（見(jiàn)圖6（b））;秋季降水空間分布表現(xiàn)出從東南向西北遞減的特征，總體上分布與春季相似（見(jiàn)圖6（c））;冬季降水（見(jiàn)圖6（d））空間分布特征與夏季相似，降水主要集中在下游地區(qū)，上游和中游降水較少。這與陳磊等[20]從干濕角度分析得到的結(jié)論基本一致。

2.2.2降水量變化空間模態(tài)分析

利用EOF分解技術(shù)對(duì)1961—2019年黃河流域降水量進(jìn)行時(shí)空分解，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到黃河流域年降水場(chǎng)主要時(shí)空分布模態(tài)。EOF分解特征向量和特征值誤差范圍表明，降水場(chǎng)前兩個(gè)特征向量累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)44.5%，且通過(guò)North顯著性檢驗(yàn)，因此第一特征向量及第二特征向量能較好地表達(dá)1961—2019年黃河流域降水量空間分布特征。

分布模態(tài)的第一特征向量貢獻(xiàn)率為32.1%，遠(yuǎn)高于其他特征向量的貢獻(xiàn)率，為黃河流域降水量的主要空間分布形式（見(jiàn)圖7（a））。該特征向量的各分量均為負(fù)值，這表明黃河流域各區(qū)域變化趨勢(shì)基本一致，即黃河流域均為降水偏多或偏少分布。泰山、延安、西峰和長(zhǎng)武的變化數(shù)值絕對(duì)值較大，屬變化量大的地區(qū)。第一模態(tài)的特征值呈從西北向東南減少的趨勢(shì)，說(shuō)明黃河流域東南部降水量波動(dòng)比西北部大。

第二特征向量的貢獻(xiàn)率為12.4%，也是1961—2019年黃河流域降水量的主要空間分布形式（見(jiàn)圖7（b））。該特征向量的各分量既有正值也有負(fù)值，說(shuō)明黃河流域有兩種分布模態(tài)，即黃河流域內(nèi)降水偏多和偏少共存。介休—延安—崆峒以北地區(qū)即流域西北部為負(fù)值地區(qū)，介休—延安—崆峒以南地區(qū)即流域東南部為正值地區(qū)。烏審召、神木為負(fù)值地區(qū)的高值區(qū)，武功為正值地區(qū)的高值區(qū)，這說(shuō)明上述地區(qū)為降水量波動(dòng)大的地區(qū)。

根據(jù)EOF分解的黃河流域降水量空間模態(tài)可知，黃河流域降水場(chǎng)存在4種形式：第一模態(tài)決定全年全流域降水偏多或偏少的分布特點(diǎn);第二模態(tài)決定流域西北部降水偏多（東南部降水偏少）或者西北部降水偏少（東南部降水偏多）的分布特點(diǎn)。

特征向量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)代表了由特征向量所表征的分布形式的時(shí)間變化特征。時(shí)間系數(shù)為正值代表與空間模態(tài)同方向，負(fù)值則相反。時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值越大，表示這種分布形式越顯著。第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)線性趨勢(shì)為上升（見(jiàn)圖8（a）），說(shuō)明黃河流域59a來(lái)降水有減少趨勢(shì)。在1961—2019年59a間，時(shí)間系數(shù)為正值的有31a，這31a全流域降水偏少，剩下的28a降水偏多。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)線性趨勢(shì)為下降（見(jiàn)圖8（b）），說(shuō)明59a來(lái)流域東南部降水呈減少趨勢(shì)，西北部降水呈增加趨勢(shì)。根據(jù)時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值對(duì)各模態(tài)各年降水情況進(jìn)行劃分，結(jié)果見(jiàn)表2。

3討論與結(jié)論

基于95個(gè)國(guó)家氣象站的月降水量數(shù)據(jù)，利用線性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法，對(duì)黃河流域1961—2019年降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與前人研究結(jié)論進(jìn)行對(duì)照，總結(jié)出黃河流域1961—2019年降水量的氣候變化特征如下。

（1）1961—2019年黃河流域降水量總體呈不顯著的下降趨勢(shì)。1961—1972年和1985—2001年為兩個(gè)年降水量下降期，1973—1984年和2002—2019年兩個(gè)時(shí)段年降水量呈上升趨勢(shì);1964年前后年降水量發(fā)生突變性減少;黃河流域年降水量主要集中在汛期（6—9月），約占全年的69%;黃河流域整體夏季和冬季降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，春季和秋季降水量呈不顯著下降趨勢(shì)。

（2）黃河流域上、中、下游年降水量差異較大，下游平均降水量最多，中游次之，上游最少;上游地區(qū)年降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，中游和下游呈不顯著減少趨勢(shì);除上游地區(qū)在冬季呈顯著增加趨勢(shì)外，各地區(qū)在四季表現(xiàn)出不顯著增加或減少趨勢(shì)。

（3）根據(jù)EOF分析，1961—2019年黃河流域年降水場(chǎng)前兩個(gè)特征向量累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)44.5%，能較好地表達(dá)其時(shí)空變化特征。其第一特征向量場(chǎng)呈一致性分布，第二特征向量場(chǎng)呈“西北-東南”反位相分布。

（4）根據(jù)第一和第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)，可將黃河流域不同年份降水特征劃分為4種分布形式：全流域偏少、全流域偏多、流域東南部偏多（西北部偏少）和流域西北部偏多（東南部偏少）。

【責(zé)任編輯 張帥】