岳 江，胡良溫，王小蘭，溫漢光，楊愛琴

（1.山西省氣象科學(xué)研究所，山西 太原 030002；2.山西省氣象學(xué)會(huì)，山西 太原 030002）

在全球變暖和我國(guó)北方干旱化氣候背景下，全國(guó)不同地區(qū)的氣候條件也發(fā)生了相應(yīng)的改變。有研究表明：華北氣候區(qū)年降水的年際變化在1970—1990年的周期變化較弱，年降水量處在一個(gè)下降通道內(nèi)，下降趨勢(shì)在夏季最為明顯。華北地區(qū)1951—2009年間多年平均降水序列無(wú)顯著跳躍趨勢(shì)，年降水距平大致以1976年為多雨期與少雨期的分界線，年代際距平百分率持續(xù)減少[1]。而在全球變暖背景下，絕大多數(shù)模式預(yù)估結(jié)果表明，在未來(lái)百年我國(guó)大部分地區(qū)夏季降水將會(huì)顯著增加[2]。此外，有研究結(jié)果表明，局地氣候變化顯著的地區(qū)，降水量時(shí)空分布和暴雨發(fā)生的幾率隨之響應(yīng)[3-10]。大同地區(qū)（39°30′～40°44′N，112°34′～114°33′E）位于山西省最北端，地處黃土高原東北邊緣，屬大陸性季風(fēng)氣候。復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)使大同地區(qū)成為全省氣溫較高、降水較少、風(fēng)力較大的地區(qū)[11]，常年遭受干旱災(zāi)害、水土流失、土地沙化的困擾，素有十年九春旱的說(shuō)法。因此開展對(duì)大同地區(qū)氣候變化的研究有深遠(yuǎn)意義，同時(shí)降水量作為氣候變化的一個(gè)重要指標(biāo)，其發(fā)生規(guī)律不斷響應(yīng)當(dāng)今氣候環(huán)境的變化，引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。通過對(duì)黃土高原地區(qū)年降水量、汛期降水量和暴雨量等3個(gè)降水指標(biāo)的時(shí)空變化研究表明，在黃土高原地區(qū)，近50 a年降水量變化和汛期降水量變化的空間分布總趨勢(shì)基本一致，從東南向西北，降低幅度逐漸變小，至西北部和最西部甚至呈微弱增加趨勢(shì)，而其年暴雨量變化的空間趨勢(shì)則不大明顯[12]。

1 資料和方法

本文所使用的數(shù)據(jù)為大同市、陽(yáng)高縣、左云縣、大同縣、靈丘縣、廣靈縣、渾源縣、天鎮(zhèn)縣氣象站1972—2009年逐日降水量資料。采用趨勢(shì)分析、Mann－Kendall 突變檢驗(yàn)和小波分析對(duì)大同市年降水量的時(shí)間序列的變化趨勢(shì)做出研究，了解汛期降水量的距平變化和周期變化；使用R/S（重標(biāo)極差）分析法[13]預(yù)測(cè)大同地區(qū)各縣市降水量的變化趨勢(shì)。

2 研究結(jié)果

2.1 降水量年際、年代際變化

圖1 給出了1972—2009年大同地區(qū)8個(gè)縣市平均年降水量變化情況?？梢钥闯?，38 a 間，大同地區(qū)降水量基本呈緩慢減少趨勢(shì)，傾向率為-9.4 mm/10 a，通過0.5 顯著性檢驗(yàn)；自1972—2009年大同地區(qū)年平均降水量有3個(gè)高峰期和2個(gè)低谷期，1973—1978年、1990—1997年以及2004—2009年降水偏多，陽(yáng)高縣1978年降水量為629.0 mm，達(dá)到該區(qū)最大年降水量；1982—1986年、1993年、1997—2001年降水偏少，最小降水量?jī)H為大同市的226.7 mm；2005年以后，大同地區(qū)年降水量變化幅度較小，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

圖1 1972—2009年大同地區(qū)年降水量變化

有研究表明，華東地區(qū)降水與ENSO 在準(zhǔn)2～4 a 周期變化上呈正相關(guān)關(guān)系，在年代際和8 a 以上年際間呈正負(fù)有規(guī)律交替且以正相關(guān)為主[14]。山西位于東亞季風(fēng)邊緣，其降水量受季風(fēng)影響顯著。北太平洋海溫的年代際變化影響著山西降水量的突變[15]。北太平洋海表溫度不僅有周期為3～6 a 的年際變化，還疊加周期分別為10 a、20 a 的年代際變化，另外北太平洋海溫變化在1970—1980年、1990年左右存在突變點(diǎn)[16]?？梢钥闯觯煌貐^(qū)降水量的年際變化與海溫存在相關(guān)關(guān)系。受北太平洋海溫導(dǎo)致的東亞季風(fēng)影響，大同地區(qū)在1970—1980年、1990年左右降水量偏多。1995年由于天鎮(zhèn)、陽(yáng)高2個(gè)縣市年降水量達(dá)到了670 mm 以上，導(dǎo)致該年各站年降水量突增；2003—2007年，大同地區(qū)年降水量較多，與北太平洋海溫10 a 的周期變化相互呼應(yīng)。

利用Mann－Kendall 突變檢驗(yàn)法對(duì)大同市38 a的年平均氣溫序列進(jìn)行了突變檢測(cè)（圖2），結(jié)果表明:UFk 值大于0 指示氣溫呈升高趨勢(shì)，UFk 和UBk交點(diǎn)在1993年，說(shuō)明1993年大同市年平均氣溫發(fā)生了突變，而大同氣溫突變后，干旱的比例在不斷增加，且在氣溫增暖影響下降水變化與氣溫變化呈負(fù)相關(guān)[17]。此外，有研究表明，北疆地區(qū)年降水量突變前，降水量表現(xiàn)為大幅度振蕩，UF 多為負(fù)值，降水量偏少；突變后，年降水量開始震蕩上升，UF為正值，降水量偏多[18]。統(tǒng)計(jì)可知，1993年、1997—2011年是大同地區(qū)各縣市降水量均偏少，干旱災(zāi)害頻發(fā)，且以上時(shí)期，大同地區(qū)年降水量存在大幅震蕩的現(xiàn)象，印證了以上結(jié)論。此外，利用Mann－Kendall突變檢驗(yàn)可知，大同地區(qū)平均年降水量和各縣市年降水量均無(wú)顯著突變情況，且UFK 曲線未超過臨界值。

圖2 大同地區(qū)年降水量M-K 突變檢驗(yàn)結(jié)果

橫向?qū)Ρ却笸貐^(qū)各縣市平均年降水量可知（圖3）：左云、渾源、靈丘等地降水量偏多，大同、大同縣降水量偏少，廣靈、陽(yáng)高、天鎮(zhèn)等地降水接近各縣市年降水平均值；且大同縣年降水量變化幅度最大。結(jié)合各縣市地形可知，左云、渾源、陽(yáng)高等多山地區(qū)降水量偏多；究其原因可能是由于地形影響所致。有學(xué)者對(duì)亞洲夏季風(fēng)期間中尺度山脈對(duì)不同性質(zhì)降水垂直結(jié)構(gòu)和水平分布的研究表明：中尺度山脈迎風(fēng)、背風(fēng)坡均以層云降水為主，層云降水強(qiáng)度在迎風(fēng)坡強(qiáng)于背風(fēng)坡；對(duì)流降水在迎風(fēng)坡主要為淺對(duì)流，背風(fēng)坡主要為深對(duì)流，對(duì)流降水強(qiáng)度在背風(fēng)坡強(qiáng)于迎風(fēng)坡[19]。另有研究表明：地形的強(qiáng)迫抬升導(dǎo)致純粹性地形降水，山區(qū)發(fā)生降水的頻率高于平原地區(qū)，這是造成山區(qū)降水量增多的原因之一。另一方面，地形作用也可能致使山區(qū)降水強(qiáng)度和歷時(shí)較平原區(qū)大[20]。結(jié)合大同地區(qū)地形分布情況來(lái)看，大同市和大同縣位于大同盆地內(nèi)，地勢(shì)平坦，降水量偏少。其余縣市大多位于山區(qū)，鋒面過境由于大地形抬升作用，易成云致雨。

圖3 1972—2009年大同各縣市降水量對(duì)比（紅線表示大同地區(qū)年降水量平均值）

表1 大同地區(qū)各縣市年代際降水量變化/mm

由大同地區(qū)1972—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2009年4個(gè)時(shí)期年代際降水量分布情況（表1）分析可知，大同地區(qū)年降水量變化傾向率為-10.05 mm/10 a，相關(guān)系數(shù)為0.18，通過0.5 顯著性檢驗(yàn)。8個(gè)縣市中，陽(yáng)高縣降水變化傾向率最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.35，通過0.05 顯著性水平檢驗(yàn)，除大同、左云和靈丘縣降水量呈少量增加趨勢(shì)外，大部分縣市降水量呈減少趨勢(shì)，且減少的幅度差異較大。從年代際變化來(lái)看，大同地區(qū)平均年降水量呈緩慢減少趨勢(shì)；橫向?qū)Ρ葋?lái)看，左云、大同、渾源和廣靈等縣在2001年之前降水量均呈減少趨勢(shì)，2001年以后呈增加趨勢(shì)；陽(yáng)高、天鎮(zhèn)兩縣20世紀(jì)70—80年代降水量減少，80—90年代降水量增加，2001年以后降水量減少；大同縣在2001年以前降水量呈增加趨勢(shì)，2001年以后降水量減少。由此可知，20世紀(jì)90年代至2001年前后是一大同地區(qū)降水量變化的關(guān)鍵時(shí)期，該地區(qū)各縣市降水量趨勢(shì)均在此時(shí)期發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，這可能是對(duì)全球變暖的氣候趨勢(shì)的響應(yīng)及一個(gè)小的調(diào)整，但降水量增加趨勢(shì)并不明顯，增加幅度也偏小。

根據(jù)大同地區(qū)不同縣市年代際平均年降水量時(shí)空分布情況可知：1972—1980年各地市降水量分布不均，基本呈現(xiàn)自東北—西南走向遞減特征，局地差異較為明顯；1981—1990年間，大同地區(qū)降水量分布情況較20世紀(jì)70年代發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)自西南—東北走向遞減特征，大同、大同縣等地處于過渡帶，降水量較70年代未發(fā)生明顯改變；90年代降水分布特點(diǎn)與70年代基本一致，但全區(qū)范圍降水量普遍減少，各地差異較大；2001—2009年間，大同地區(qū)降水量與20世紀(jì)80年代類似，自西向東均勻遞減，總體降水量較前10 a 普遍減少。

2.2 汛期降水

氣象學(xué)上規(guī)定，每年6、7、8、9月為汛期[21]，通過對(duì)1972—2009年逐年6—9月總降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圖4。根據(jù)5 階滑動(dòng)平均曲線可知大同地區(qū)汛期降水距平（汛期總降水量平均值為301.6 mm）呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，大同地區(qū)汛期降水量變化幅度越來(lái)越小。38 a 間汛期降水量正距平占47.37%，負(fù)距平占52.63%；其中20世紀(jì)70、80、90年代和2001年以后正距平值分別占：13.16%、15.19%、10.53%和7.89%，汛期降水正距平基本呈減少趨勢(shì)，負(fù)距平呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明大同地區(qū)汛期降水量逐年減少。通過計(jì)算可得大同地區(qū)汛期降水傾向率為-11.81 mm/10 a，通過0.2 顯著性水平檢驗(yàn)。汛期降水量在1975—1980年、1994—1996年存在正距平突增情況，與大同地區(qū)年降水量變化趨勢(shì)基本一致。38 a 間，汛期最大降水量發(fā)生在1995年，為638.1 mm，汛期最小降水量發(fā)生于1976年，僅為140.8 mm。

圖4 大同地區(qū)汛期總降水量距平變化趨勢(shì)

大同地區(qū)1972—2009年汛期降水具有一定周期性，由小波分析可知，1972—2009年，大同地區(qū)汛期降水高頻周期準(zhǔn)3 a 周期為主，同時(shí)一直存在準(zhǔn)15 a 的低頻周期；從低頻周期變化可以看出1973—1978年、1990—1997年、2004—2009年進(jìn)入大同地區(qū)多雨期；1982—1986年、1997—2001年為少雨期。在1993—1996年間，大同地區(qū)高頻周期轉(zhuǎn)為準(zhǔn)5 a，同時(shí)疊加準(zhǔn)15 a 的低頻振蕩周期。因此，大同地區(qū)降水具有一定周期性。

2.3 大同各縣市降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)

本文引入R/S 相關(guān)性分析預(yù)測(cè)大同市降水量變化趨勢(shì)，由圖5 可知，大同地區(qū)各縣市年降水量存在Hurst 現(xiàn)象，但各站年降水量未來(lái)變化保持現(xiàn)有趨勢(shì)性不強(qiáng)。比較而言，大同、大同縣年降水量未來(lái)變化趨勢(shì)與當(dāng)前年發(fā)展趨勢(shì)一致性略強(qiáng)，左云縣年降水量未來(lái)變化趨勢(shì)具有不確定性。

表2 給出了大同地區(qū)各縣市H 值，可以看出各縣市年降水量未來(lái)變化趨勢(shì)基本與圖5 顯示的結(jié)果一致：大同、大同縣、陽(yáng)高、天鎮(zhèn)、渾源等地H 值≥0.65，說(shuō)明以上縣市年降水量未來(lái)變化趨勢(shì)與當(dāng)前保持一致，即保持緩慢減少趨勢(shì)；左云、廣靈、靈丘等地H 值均在0.5～0.53 之間，表示以上縣市未來(lái)年降水量將保持微弱的與當(dāng)前緩慢減少一致的趨勢(shì)，顯著性不強(qiáng)。

表2 大同各縣市Hurst 指數(shù)

3 結(jié)論

經(jīng)過系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：

圖5 大同各縣市年降水量R/S分析結(jié)果（樣本數(shù)=38）

（1）大同地區(qū)降水量基本呈緩慢減少趨勢(shì)；自1972—2009年大同地區(qū)年平均降水量有3個(gè)高峰期和2個(gè)低谷期，受東亞季風(fēng)影響，1973—1978年、1990—1997年以及2004—2006年降水偏多；1983—1986年、1993年、1997—2001年降水偏少，特別是氣溫突變后，降水量急劇減少；2005年以后，大同地區(qū)年降水量變化幅度較小，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；經(jīng)過對(duì)比可知，大同地區(qū)地形因素對(duì)降水量影響很大，鋒面系統(tǒng)過境時(shí)由于大地形強(qiáng)迫形成重力波，以及迎風(fēng)坡山脈抬升作用，易成云致雨；而地勢(shì)平坦地區(qū)，降水量偏少。

（2）2001年前后，大同地區(qū)各縣市降水趨勢(shì)均發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，局地降水差異趨于減??；大同地區(qū)汛期降水距平的年際、年代際變化呈現(xiàn)波動(dòng)減少并以負(fù)距平為主的趨勢(shì)。說(shuō)明大同地區(qū)汛期平均年降水量與年降水量變化趨勢(shì)基本一致，均呈減少趨勢(shì)；汛期降水具有一定周期性：1972—2009年，大同地區(qū)汛期降水高頻周期以準(zhǔn)3 a 周期為主，同時(shí)一直存在準(zhǔn)15 a 的低頻周期；從低頻周期變化可以看出1976—1982年、1990—1996年、2003—2009年進(jìn)入大同地區(qū)多雨期；1982—1988年、1997—2002年為少雨期。在1993—1996年間，大同地區(qū)高頻周期轉(zhuǎn)為準(zhǔn)5 a，同時(shí)疊加準(zhǔn)15 a 的低頻振蕩周期。

（3）大同地區(qū)各縣市年降水量均存在的Hurst現(xiàn)象，大部分縣市未來(lái)變化將保持現(xiàn)有的逐年減少趨勢(shì)，個(gè)別縣市變化趨勢(shì)較不明顯，可能保持當(dāng)前略有減少的趨勢(shì)。

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