王 坤，陳 林，龐丹波，李學(xué)斌*，沙 歡，彭 妞

（1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021；4.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，銀川 750021）

寧夏中部干旱區(qū)降水量及可利用降水量多時間尺度變化特征分析

王 坤1,3,4，陳 林2,3,4，龐丹波2,3,4，李學(xué)斌2,3,4*，沙 歡1,3,4，彭 妞1,3,4

（1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021；4.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，銀川 750021）

【目的】研究1969—2020 年寧夏中部干旱區(qū)降水量及可利用降水量在不同時間尺度的變化特征，為當(dāng)?shù)氐乃Y源利用以及災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。【方法】基于1969—2020 年寧夏中部干旱區(qū)6 個氣象站降水量及月平均氣溫資料，采用高橋浩一郎蒸散發(fā)公式、氣候趨勢法、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)以及小波周期分析，對寧夏中部干旱區(qū)降水量及可利用降水量在不同時間尺度下的分配情況、豐欠演變趨勢及周期規(guī)律進(jìn)行研究?！窘Y(jié)果】①寧夏中部干旱區(qū)西北區(qū)與東南區(qū)降水資源差異較大，降水量分別為188.0 mm 和304.1 mm，可利用降水量分別為17.8 mm 和58.9 mm。②寧夏中部干旱區(qū)降水主要集中在夏季，占全年57%左右；冬季最少，僅占全年3%，且年內(nèi)和年際變化平緩；春、冬季可利用降水率低。③寧夏中部干旱區(qū)年際間降水資源年際間將由波動期向干旱期變化；東南區(qū)的極端降雨現(xiàn)象比西北區(qū)更明顯，西北區(qū)在2013 年以前可利用降水資源較為豐富。④趨勢分析表明未來東南區(qū)年降水量及可利用降水量分別以1.539、0.467 mm/a 速率顯著增加，西北區(qū)降水量以0.647 mm/a 顯著增加、可利用降水量以0.073 mm/a的降幅減少，但無顯著性；突變分析表明2010 年為寧夏中部干旱區(qū)降水量開始發(fā)生突變的年份。⑤寧夏中部降水量及可利用降水量主要以9、12～13、40 a 為主周期，對應(yīng)的振蕩周期分別為6、9、25 a?？衫媒邓兟瘦^大，對農(nóng)牧生產(chǎn)活動影響較大?！窘Y(jié)論】寧夏中部干旱區(qū)各降水資源東南區(qū)比西北區(qū)更豐富；季節(jié)年降水量及可利用降水量排序均為夏季＞秋季＞春季＞冬季；未來降水量及可利用降水量有顯著上升趨勢，降水資源向著大周期尺度演變。

寧夏中部干旱區(qū)；可利用降水量；多時間尺度；Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)法；小波分析

0 引 言

【研究意義】降水是水資源的主要來源，降水資源分量為降水量、蒸發(fā)量和可利用降水量，蒸發(fā)量直接影響可利用降水量，可利用降水是人們能實(shí)際利用的降水資源，得到了廣泛應(yīng)用并取得了較豐富的研究成果[1,3]。全球氣溫升高，干旱區(qū)日照充足、水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，對可利用降水資源產(chǎn)生的影響不可忽視[2]。寧夏位于我國西北內(nèi)陸東部，其中部屬干旱半干旱地區(qū)，包括引黃灌區(qū)南部和中部干旱帶2 種自然類型區(qū)，常年干旱少雨且降水分布不均，加之持續(xù)高溫、風(fēng)大沙多，水資源匱乏，歷史上出現(xiàn)多次干旱災(zāi)害，是我國干旱最嚴(yán)重的地區(qū)之一，當(dāng)?shù)厝诵箫嬎щy、水資源供需矛盾等問題日益突出。一些學(xué)者[4-8]對寧夏地區(qū)降水資源在時間序列上的特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)寧夏正處于向暖干變化的過程，并且在不同時間尺度以及區(qū)域中存在較大差異，因此對降水資源的變化特征還需進(jìn)一步研究。【研究進(jìn)展】有學(xué)者指出，中國降水量以及寧夏回族自治區(qū)降水量均呈現(xiàn)出不顯著的上升態(tài)勢，利用周期分析劃分降水序列在時間尺度的周期性變化規(guī)律，得出全國多數(shù)地區(qū)第一主周期都為20 a 左右[9]。張志高等[10]對安陽市大氣降水資源研究結(jié)果表明，降水對可利用降水有決定性作用，氣溫與可利用降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而葛朝霞等[11]對南疆的降水資源研究發(fā)現(xiàn)氣溫升高不一定造成可利用降水量減少，還需考慮其他影響因素的影響。徐曉明等[12]通過對深圳市多年日降水量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降水異常年份及極端降水變化規(guī)律，以此實(shí)現(xiàn)對極端降水的預(yù)估預(yù)報(bào)。Qin 等[13]以貴州省的連續(xù)無有效降水天數(shù)的干旱指標(biāo)（Dnp）為研究對象，發(fā)現(xiàn)年度和季節(jié)性Dnp 在空間內(nèi)存在顯著差異，且逐年呈顯著性上升趨勢，揭示了年度變化、季節(jié)變化和空間差異是降水資源的研究重點(diǎn)。寧夏中部干旱帶的減少幅度較大，而處于中北部的引黃灌區(qū)減少幅度較小[8,14]，降水資源存在較大差異，因此開展寧夏中部區(qū)域降水資源研究，對干旱少雨地區(qū)水資源利用有著重要的借鑒意義?！厩腥朦c(diǎn)】目前許多學(xué)者對我國西北地區(qū)降水以及可利用降水進(jìn)行了廣泛的研究，在時空演變格局的研究上做出大量貢獻(xiàn)，而寧夏作為黃河流域與高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)，其中部干旱地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)旱情，近年來對寧夏中部干旱帶的降水資源的研究居多，但對寧夏中部引黃灌區(qū)的研究較少。本文對引黃灌區(qū)與中部干旱帶過渡區(qū)域降水資源變化進(jìn)行對比分析，以揭示寧夏中部區(qū)域之間的降水資源在多時間尺度上的變化格局?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以寧夏中部6 個氣象站的降水量及氣溫等氣象資料為依據(jù)，利用高橋浩一郎蒸散發(fā)公式、氣候趨勢法、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)以及小波周期分析對寧夏中部干旱區(qū)1969—2020 年降水及可利用降水在多時間尺度上的變化特征進(jìn)行研究，為當(dāng)?shù)亟邓Y源的利用以及旱災(zāi)防治工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

寧夏回族自治區(qū)地處我國西部黃河上游，研究區(qū)域位于寧夏中部干旱區(qū)，如圖1 所示，該區(qū)域位于104°17′—107°39′ E、36°09′—38°10′ N 之間，東鄰內(nèi)蒙古鄂爾多斯市、陜西榆林市和甘肅慶陽地區(qū)，西與內(nèi)蒙古阿拉善盟為鄰，南與固原市接壤，北靠首府銀川，總面積為3.88 萬km2，約占寧夏面積58.4%，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地貌類型為黃河沖擊平原、沙漠、山地、臺地和丘陵，四季分明，氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫差較大，無霜期短且風(fēng)沙較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/），本研究主要針對寧夏中部地區(qū)降水資源變化特征進(jìn)行分析，因此選用吳忠、中寧、中衛(wèi)、海原、同心以及鹽池6 個氣象站的1969—2020年月平均氣溫及月降水量資料。由于同心站點(diǎn)數(shù)據(jù)存在缺失，且氣象要素在時間序列上的變化屬于隨機(jī)缺失，為保證數(shù)據(jù)的完整性，本文使用IBM SPSS Statistics 21 軟件中多重插補(bǔ)的方法進(jìn)行補(bǔ)齊[15-16]。另外按照3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12—2 月為冬季，劃分四季。利用QGIS 3.24.2繪制研究區(qū)站點(diǎn)分布圖，采用IBM SPSS Statistics 21及Matlab 2016 年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用WPS Office 2019 軟件進(jìn)行繪圖及表格制作，確定小波變換系數(shù)后使用Origin 2018 繪制小波實(shí)部等值線圖。

圖1 寧夏中部站點(diǎn)分布Fig.1 Site distribution map in central Ningxia

1.3 研究方法

1.3.1 陸面蒸發(fā)

關(guān)于蒸發(fā)量的測算一直是大氣科學(xué)里的一個難題，宋正山等[17]從定性和定量的角度驗(yàn)證了陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式[18]在華北地區(qū)的可用性，且該公式考慮了物理上影響蒸發(fā)的主要因素（氣溫和降水量），適用于各種氣候特征的地區(qū)，在我國北方地區(qū)陸面蒸發(fā)計(jì)算的應(yīng)用較為廣泛[19-20]，因此，本文根據(jù)高橋浩一郎陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算蒸發(fā)量，利用月降水量以及月平均氣溫對蒸發(fā)量進(jìn)行估算，計(jì)算式為：

利用降水資源各分量之間的關(guān)系，進(jìn)而得到可利用降水量，計(jì)算式為：

式中：Pe為可利用降水量（mm）；P為月平均降水量（mm）；E為陸面蒸發(fā)量（mm）；T為月平均溫度（℃）；α為蒸發(fā)系數(shù)；β為可利用降水率。

1.3.2 氣候趨勢法

為研究寧夏中部降水及可利用降水在年際間的變化規(guī)律，利用一元線性回歸方程擬合多年降水資源變化特征，一元線性氣候趨勢法是分析氣象要素在時間序列上變化幅度特征最常用的方法，趨勢系數(shù)能夠反映出某種氣象要素的升降狀況，該方法能分析研究區(qū)域多年降水資源的變化趨勢，以此來預(yù)測未來降水變化趨勢。以回歸系數(shù)表示其氣候傾向率，計(jì)算式為：

式中：a為回歸系數(shù)或氣候傾向率（mm/a）；xi為年份序列（i=1，2，…，n）；b為常數(shù)。

1.3.3 Mann-Kendall 檢驗(yàn)

1）Mann-Kendall 秩次相關(guān)法，用于對氣候趨勢的顯著性檢驗(yàn)，n個獨(dú)立隨機(jī)變量分布樣本時間序列數(shù)據(jù)（x1,x2,…,xn），定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S：

式中：sign( )為符號函數(shù)，當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于0 時，函數(shù)值分別為-1、0、1。其方差為var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。在雙邊檢驗(yàn)中，對于給定的置信水平，M-K 統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)Z值的計(jì)算式分為3 種情況。

式中：Z值＞0 時，表示有增加趨勢，反之則減少趨勢，Z的絕對值≥1.96、2.32 時分別表示通過了97.5%、99%可信度的顯著性檢驗(yàn)。

2）Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法，利用數(shù)據(jù)的正序列與逆序列變量，能夠診斷氣候序列的變化趨勢以及突變點(diǎn)，并確定突變發(fā)生的時間[21-22]。對于具有n個樣本量的時間序列x1,x2,…,xn，定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：Sk為第i個樣本xigt;xj的累計(jì)數(shù)；當(dāng)xigt;xj時ri=1；當(dāng)xi≤xj時ri=0。

在時間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

其中UF1=0。給定顯著性水平α，當(dāng)|UFk|gt;Uα，表明序列具有顯著變化。同理，按時間逆序列xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述過程，令UBk=-UFk（k=n，n-1，…，-1），其中UB1=0。繪制出UFk和UBk曲線圖，若UFk或者UBk＞0，說明數(shù)據(jù)按時間序列趨勢上升，反之，則趨勢下降。若曲線超過臨界線，則上升或者下降趨勢顯著。

1.3.4 小波周期分析

降水序列隨著時間的變化，大多具有非平穩(wěn)性，基于小波理論的多時間尺度分析可將非平穩(wěn)時間序列分解為較為平穩(wěn)的原始序列，通過小波分析可以將時間序列數(shù)據(jù)在多時間尺度下分解，從中提取出水文時間序列的多種變化周期。本文選取Morlet 連續(xù)復(fù)小波函數(shù)，對于給定的水文序列，其連續(xù)小波變換為：

式中：Wf(a,b)為小波變換系數(shù)；a為尺度因子，用以表示小波的周期長度；b為時間因子，用以表示時間上的位移；f(t)為原始信號；φ(t)為小波母系數(shù)；*為復(fù)共軛。

將按照時間域選取的所有小波系數(shù)的平方進(jìn)行積分得到小波方差：

依照小波系數(shù)在時間尺度上能量的分布繪制方差值圖，以此來確定水文序列在周期變化中的主要時間尺度即主周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏中部年均降水量及可利用降水量分布特征

2.1.1 各站點(diǎn)年均降水量及可利用降水量分布特征

表1 為寧夏中部干旱區(qū)1969—2020 年各站點(diǎn)多年平均降水資源各分量，表2 為季節(jié)特征表，結(jié)合圖1 各站點(diǎn)位置來看，寧夏中部1969—2020 年平均降水量為246.0 mm，平均可利用降水量為38.3 mm，吳忠、中衛(wèi)和中寧站點(diǎn)降水資源明顯低于此平均值，這3 個站點(diǎn)處于寧夏中部西北區(qū)，而鹽池、海原和同心站點(diǎn)降水資源高于此平均值且處于東南區(qū)。從表2可知，西北區(qū)與東南區(qū)降水量分別為188.0 mm 和304.1 mm，可利用降水量分別為17.8 mm 和58.9 mm，西北區(qū)年平均降水量及可利用降水量較東南區(qū)更少。根據(jù)年降水劃分標(biāo)準(zhǔn)，西北區(qū)為干旱區(qū)，東南區(qū)為半干旱區(qū)。因此降水及可利用降水在寧夏中部沿西北-東南呈增加的趨勢。另外東南區(qū)多年平均可利用降水率為0.19，而西北區(qū)僅為0.09（表2），表明西北區(qū)降水利用率低，這可能與該地區(qū)風(fēng)速大和氣溫高有關(guān)。東南區(qū)比西北區(qū)不僅在各降水資源的分量上更多，其降水利用率也更大，因此寧夏中部降水資源存在較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。

表1 寧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 寧夏中部分區(qū)多年平均降水量及可利用降水量季節(jié)特征Table 2 Characteristics of seasons of multi-year average precipitation and available precipitation in central Ningxia Subregion

注 括號內(nèi)數(shù)值為該季節(jié)對應(yīng)所占全年的百分比。

2.1.2 多年平均月季分布特征

圖2 為寧夏中部降水資源年內(nèi)分配狀況。從圖2可知，東南區(qū)在全年各月份降水量及可利用降水量均豐于西北區(qū)，可利用降水率均大于西北區(qū)，僅蒸發(fā)系數(shù)與前者規(guī)律相反，因此降水資源以東南區(qū)較為豐富。東南區(qū)和西北區(qū)降水資源年內(nèi)分配特征一致，寧夏中部降水資源逐月分布不均勻，結(jié)合表2 中的季節(jié)變化特征，5—9 月為降水較豐期，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時期，而在冬季（1、2、12 月）占比均不足3%，且存在長時段無降雨現(xiàn)象。從各降水分量來看，可利用降水量、可利用降水率與降水量有相似的逐月分布特征，因此降水量決定著蒸發(fā)量和可利用降水量的大小。從季節(jié)分布來看，降水量、蒸發(fā)量及可利用降水量從大到小排序均為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季在全年中的占比遠(yuǎn)小于其他季節(jié)，春季和秋季較為接近。雖然夏季各降水?dāng)?shù)值均為最大，但在全年中蒸發(fā)系數(shù)最小，春季和冬季蒸發(fā)系數(shù)較高，蒸發(fā)系數(shù)在0.9 以上，大部分降水資源被蒸發(fā)。表3 為多年平均氣溫及平均2 min 風(fēng)速，從表3 可知?dú)鉁剌^低的春、冬季，其風(fēng)速較高，因此該地區(qū)春、冬季可利用降水率低可能與風(fēng)速對蒸發(fā)的影響有關(guān)。

圖2 寧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 寧夏中部季節(jié)平均氣溫及平均2 min 風(fēng)速Table 3 Average seasonal temperature and average wind speed of 2 minutes in central Ningxia

2.2 寧夏中部降水量及可利用降水量年際變化特征

2.2.1 年際間變化特征

圖3 為寧夏中部干旱區(qū)1969—2020 年降水指標(biāo)年際變化過程圖，52 a 的陸面蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)變化過程線、年降水量和蒸發(fā)量變化過程相似；可利用降水量與可利用降水率變化過程也相似；蒸發(fā)量和可利用降水量隨著降水量的變化呈相同的變化規(guī)律。說明該地區(qū)的陸面蒸發(fā)狀況較為穩(wěn)定，各降水資源的多少主要以降水量為主導(dǎo)。年降水量值最大的年份為1985年，降水量為290.5 mm（西北區(qū)）和477.7 mm（東南區(qū)），最小值為66.7 mm（西北區(qū)2005 年）和192.7 mm（東南區(qū)1980 年），極值比分別為4.35（西北區(qū)）和2.32（東南區(qū)），因此西北區(qū)降水變化幅度更大。另外，降水資源有明顯周期性，其中1985—1995 年降水量變化劇烈，在研究時域內(nèi)降水及可利用降水豐欠交替，可見到一些峰值和谷值。

2.2.2 年際間距平變化過程

圖4 為寧夏中部各分區(qū)降水及可利用降水距平和累計(jì)距平變化過程。從距平變化來看，西北區(qū)與東南區(qū)降水及可利用降水基本一致：1969—1975 年降水相對較少、1976—1978 年和2016—2020 年相對較豐，1978—2015 年豐枯交替變化較為頻繁，每1～4 a就會發(fā)生交替變化，但東南區(qū)降水較豐年份的個數(shù)明顯多于西北區(qū)，這表明東南區(qū)的極端降雨現(xiàn)象比西北區(qū)更明顯。從累計(jì)距平變化過程來看，除了西北區(qū)可利用降水量長時段處于正累計(jì)距平，其余一直處于負(fù)累計(jì)距平，屬于少雨期，說明西北區(qū)可利用降水資源在2013 年以前較為豐足（圖4）。

圖3 寧夏中部干旱區(qū)降水指標(biāo)年際變化過程Fig.3 Interannual variation of precipitation indicators in the arid region of central Ningxia

圖4 寧夏中部降水量及可利用降水量距平變化過程線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 年際間四季變化過程

圖5 為四季降水量及可利用降水量隨著時間序列的變化過程，從圖5 可以看出，除冬季變化較為平緩，其他季節(jié)變化較為劇烈；夏季降水量及可利用降水量均較其他季節(jié)大，秋季次之，且秋季和春季相近。西北區(qū)與東南區(qū)四季變化過程相似，且東南區(qū)不僅年均降水量及可利用降水量高，四季的降水資源也高于西北區(qū)。

圖5 寧夏中部降水量及可利用降水量四季變化過程Fig.5 Four-season variation process of precipitation and available precipitation in central Ningxia

2.2.4 年代際變化特征

以寧夏中部干旱區(qū)降水量及可利用降水量各年代的平均值及相對多年平均距平值，來分析其在年代際的變化特征，其中，各年代際1969—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009 年和2010—2020 年分別簡便表示為1970s，1980s、1990s、2000s 和2010s，結(jié)果如表4 所示。在年代際間各個年代東南區(qū)均比西北區(qū)各降水資源豐富，如在2010s，東南區(qū)降水量及可利用降水量分別為348.5、71.7 mm，西北區(qū)分別為208.9、17.0 mm。寧夏中部干旱區(qū)以1990s 和2010s年代累計(jì)距平均為正，為降水豐水期，而可利用降水量中除西北區(qū)2010 s 累計(jì)距平為-7.8 mm，其他與降水豐枯狀況一致，因此，雖然西北區(qū)在2010s 降水處于豐水期，但可利用降水量相對較欠。1970s、1980s、2000s 為降水枯水期，其中1980s 是西北區(qū)顯著的枯水期，降水量累計(jì)距平為-196.8 mm 可利用降水也低于其他年代。東南區(qū)與西北區(qū)不一致，其最顯著的枯水期是1970s，降水量累計(jì)距平為-356.2 mm，可利用降水量累計(jì)距平為-104.2 mm。因此西北區(qū)與東南區(qū)的降水資源不僅在數(shù)量上差異大，豐欠時期也有差異。

2.3 趨勢分析及突變檢驗(yàn)

2.3.1 趨勢分析

利用氣候趨勢法和M-K 秩次相關(guān)法，計(jì)算寧夏中部西北區(qū)及東南區(qū)的降水量及可利用降水量在1969—2020 年間的趨向率和Z值，結(jié)果如表5 所示。

表5 寧夏中部降水量及可利用降水量趨向率Table 5 Precipitation and available precipitation trend rates in central Ningxia

注 “*”、“**”分別表示通過置信度97.5%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

寧夏中部的降水資源除西北區(qū)的可利用降水量有不顯著的下降趨勢，總體呈上升趨勢，預(yù)測未來東南區(qū)降水資源的降水量和可利用降水量分別以1.539 mm/a 和0.467 mm/a 的速率增加，均比西北區(qū)的0.647、-0.073 mm/a 有著更顯著的增加趨勢，通過了97.5%的顯著性檢驗(yàn)；降水量的Z值比可利用降水量更大，說明降水量趨向率比可利用降水量有著更顯著的增加趨勢，因此，東南區(qū)比西北區(qū)降水量及可利用降水量有著更強(qiáng)的增速。

2.3.2 突變檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)對寧夏中部西北及東南分區(qū)的降水量及可利用降水量進(jìn)行突變分析，臨界線為±1.96。圖6 為西北及東南分區(qū)的降水量及可利用降水量的突變檢驗(yàn)曲線圖。由圖6（a）可知西北區(qū)降水量UF曲線大部分時段為正值，1974—1975 和1980—1984 年為降水為降低趨勢的年份，其他年份均呈升高趨勢，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，UF與UB的2 條曲線在1995—2010 年有7 個交點(diǎn)，突變較為頻繁，且均在2 條臨界線水平線之間，僅2010 年突變點(diǎn)較明顯，突變后降水量呈上升趨勢。由圖6（c）可知，東南區(qū)僅1971—1976 年為降水降低的年份，其他均呈升高趨勢的年份，其中1994—2004、2016—2020年為顯著升高的年份，突變點(diǎn)在1983—2010 年內(nèi)突變狀況復(fù)雜多變，僅2010 年突變較為明顯，突變后降水量呈上升趨勢，并且在2016 年往后突破臨界線。對于可利用降水，從圖6（b）、圖6（d）可以看出，西北區(qū)可利用降水在1969—1973，1977—1979、2001—2004 年和2019—2020 年呈升高趨勢，其余年份為降低趨勢，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，研究期內(nèi)無顯著突變點(diǎn)；東南區(qū)可利用降水量趨勢變化與降水量基本一致，在2019 年突破臨界線，為顯著上升趨勢，全時段無突變點(diǎn)。因此2010 年為寧夏中部干旱區(qū)降水量顯著發(fā)生突變的年份，西北區(qū)降水及可利用降水量上升趨勢不顯著，東南區(qū)降水量在2016 年后有顯著突變的上升趨勢，可利用降水量延后至2019 年達(dá)到顯著上升效果。

圖6 寧夏中部降水量及可利用降水量M-K 統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.6 M-K statistical curve of precipitation and available precipitation in central Ningxia

2.4 周期分析

對1969—2020 年寧夏中部年降水量及可利用降水量進(jìn)行小波分析，對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行中心化處理，利用Morlet 小波分析進(jìn)行小波變換，對時間尺度進(jìn)行前后延長至128 a，而后選取中部周期尺度64 a 進(jìn)行研究，得到小波方差和小波變換系數(shù)，以此繪制小波方差圖如圖7 所示。

圖7 寧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值得到模平方和實(shí)部，小波變換實(shí)部等值線圖，如圖8 所示，可以觀察出年降水量隨著不同的時間尺度呈多、少交替的變化特征，同時可對未來降水變化趨勢進(jìn)行短期預(yù)測。圖8 中紅色區(qū)域表明在此時間段降水量或可利用降水量較多，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樨?fù)值即降水量較少。52 a 時間序列上的年降水量有一定的周期演化規(guī)律，但是不存在唯一且確定的周期，而是隨著觀測時間的不同存在多時間尺度的周期演化規(guī)律。降水量及可利用降水量存在著不同的時間尺度演化特征，從圖7 的峰值可以看出，寧夏中部降水量均存在9、12～13、40 a 三類較為明顯的時間尺度主周期變化規(guī)律，主導(dǎo)著寧夏中部地區(qū)降水資源在時間序列上的變化特征。結(jié)合等值線圖來看，以9、12～13、40 a 為主周期，其震蕩周期分別為6、8～9、25 a 左右。在研究時域內(nèi)，首先在9 a 時間尺度上，西北區(qū)降水量呈少-多交替震蕩，主要發(fā)生在2010 年以前，往后震蕩強(qiáng)度減弱至消失，而東南區(qū)則主要集中在1974—2010 年。12～13 a 時間尺度上，西北區(qū)主要存在于2003 年以前，呈多-少交替震蕩，而東南區(qū)主要發(fā)生在2000 年以前。對于大主周期40 a，寧夏中部降水量及可利用降水量在研究時域內(nèi)波動時間長且范圍更廣，且隨著時間序列變化此周期演變特征越顯著。40 a 時間尺度往后，方差值曲線變化平緩（圖7），2000s 初往后，40 a 逐漸趨于顯著，可能正處于46～55 a 時間尺度演變的過程中，并且最后等值線未閉合，表明未來降水量及可利用降水量將繼續(xù)處于升高趨勢（圖8），這與前面的研究結(jié)果一致。

圖8 寧夏中部降水量及可利用降水量小波實(shí)部等值線Fig.8 Solid contour plot of precipitation and available precipitation wavelets in central Ningxia

3 討 論

在全球氣候變化的大環(huán)境下，降水量及可利用降水量必會受到不同程度的影響，各區(qū)域范圍內(nèi)的氣候異質(zhì)性明顯。從多年平均降水量角度出發(fā)，在本研究中發(fā)現(xiàn)寧夏中部降水量及可利用降水量從西北至東南為升高趨勢，區(qū)域差異較大，這與王素艷等[8]對寧夏的降水資源研究結(jié)果一致，寧夏全區(qū)降水量差異性也較大，同時表明降水量的多寡是降水資源各分量的主導(dǎo)因子，也是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展和人畜飲水問題的關(guān)鍵因素。黃小燕等[24]研究得出的我國西北全區(qū)年平均降水量276.1 mm，高于本研究中寧夏中部年均降水量，同時也介于2 個子區(qū)域的年均降水量之間，這進(jìn)一步表明降水資源分布在空間上極不均勻。隨著氣候變暖以及工業(yè)的發(fā)展，溫室氣體大量排放對氣候突變有著很大的不確定性[25]，由突變特征可知1990s和2000s 發(fā)生多次突變，自我國2009 年提出第一個碳減排目標(biāo)后，這或多或少影響了寧夏中部的降水狀況，降水量以2010 年為突變起始點(diǎn)并呈上升趨勢。隨著時間序列的變化，降水資源在不同時段階段之間會有著不同的“干、濕”轉(zhuǎn)化趨勢，降水資源的豐枯變化情況與杜靈通等[4]對寧夏干旱變化特征得出的研究結(jié)果基本一致，逐漸由濕潤期向干旱期轉(zhuǎn)變。本研究針對寧夏中部地區(qū)降水量在近52 年時間序列上整體呈上升趨勢，這表明近年來降水資源向著暖濕趨勢變化，也有研究表明我國西北地區(qū)存在降水增加的現(xiàn)象，主要由極端降水及短時對流降水引起，因此僅是一種短期的濕潤改善，并不會改變西北地區(qū)干旱少雨的基本氣候特征[26]。

可利用降水資源由于受到蒸發(fā)的影響而變化，導(dǎo)致不同區(qū)域蒸發(fā)系數(shù)產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響可利用降水量的變化，是由各種氣象因子或者環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，主要影響因子包括氣溫、風(fēng)速、水汽壓、日照、人類活動等[27-28]。張耀宗等[27]在黃土高原地區(qū)探究了各氣候因素對不同季節(jié)蒸發(fā)狀況的影響，發(fā)現(xiàn)引起夏季與冬季變化的主導(dǎo)因子分別為水分因子和熱力因子，而風(fēng)速是影響春、秋季節(jié)的主導(dǎo)因子。本研究中氣溫較高的夏季蒸發(fā)率在全年中最低，而春、冬季最高，因此，該地區(qū)春、冬季可利用降水率低可能與風(fēng)速對蒸發(fā)的影響大于氣溫有關(guān)。今后對風(fēng)沙較大地區(qū)的可利用降水量的影響因素還需要進(jìn)一步探究。以上分析結(jié)果表明，寧夏中部近52 年來均存在降水資源短缺問題，且分布不均，給旱災(zāi)防治工作帶來困難，水資源的供應(yīng)是該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善的重要工作。

4 結(jié) 論

1）年均降水量及可利用降水量沿西北—東南呈增加趨勢，西北區(qū)各降水資源均低于東南區(qū)。

2）年降水量及可利用降水量在季節(jié)上的分布排序均為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季稀少且年際間變化平緩。

3）年際間降水資源豐枯交替變化頻繁，不利于該區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動。未來降水量及可利用降水總體呈顯著上升趨勢，且東南區(qū)增幅大于西北區(qū)，但仍不會改變干旱少雨的基本氣候特征。

4）2010 年為降水資源開始發(fā)生突變增加的年份，西北區(qū)突變狀況不顯著，東南區(qū)降水量及可利用降水量分別在2016 年和2019 年后突變達(dá)到顯著。

5）降水量及可利用降水量主要以9、12～13、40 a為主周期，對應(yīng)振蕩周期分別為6、9、25 a。未來降水資源向著大周期尺度演變。

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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

寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021BEG02005）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31960359）；第三批寧夏青年科技人才托舉工程項(xiàng)目（TJGC2018068）和中央引導(dǎo)地方項(xiàng)目（2022FRD05001）

王坤（1999-），男。碩士研究生，主要從事森林生態(tài)研究。E-mail: wang_k_12138@163.com

李學(xué)斌（1972-），男。研究員，主要從事植物生態(tài)學(xué)/林草生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail: lixuebin@nxu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍