胡 勝，曹明明，李 婷，邱海軍，張中旺，劉 琪，劉 聞

(1.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西西安 710127;2.湖北文理學院地理系，湖北襄陽 441053)

全球氣候變化是毋庸置疑的，特別是以全球氣候系統(tǒng)變暖為代表的全球性環(huán)境問題已受到廣泛關注［1-5］。近百年來，全球平均氣溫已上升了0.74℃［6］，中國年均地表氣溫比同期全球升溫幅度平均值(0.6℃ ±0.2℃)略高［7］。陜西省在過去的50多年間，氣溫也有所增加，年均降水量的線性減少率為19.6 mm/10a［8］。由于陜西省地處我國中西部地區(qū)，受秦嶺和黃土高原的阻擋，區(qū)內(nèi)氣候差異十分顯著［9-10］，是東亞季風氣候的敏感區(qū)域。20世紀90年代，陜北地區(qū)的干旱化趨勢沒有得到緩解，而陜南地區(qū)蒸發(fā)量也明顯增加［11］。

本文將陜西省作為研究區(qū)域，采用距平均法、R/S分析法和小波分析等方法，并利用ArcGIS平臺，旨在分析陜西省降水特征及其時空演變規(guī)律，判斷陜西省降水及干旱發(fā)生的記憶性特征，揭示陜西省降水變化的多時間尺度的復雜結構，并根據(jù)主周期對未來降水變化進行趨勢判斷，以便為研究陜西省水資源演變、西部氣候變化以及農(nóng)牧業(yè)結構調整、生態(tài)建設與恢復提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的氣象數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象局和中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，從數(shù)據(jù)集中獲取研究區(qū)境內(nèi)22個氣象站點(圖1a)1957—2011年的逐月降水量;DEM數(shù)據(jù)來源于國際科學數(shù)據(jù)服務平臺(http://datamirror.csdb.cn)全球30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1.2 距平分析法

距平分析法主要利用變差系數(shù)cv來反映時序變量xi隨時間變化的劇烈程度，若cv越大，表明離散程度越大，時序變量xi的波動程度也越強烈。

1.3 R/S分析法

R/S分析法是最初由英國水文專家Hurst在研究尼羅河水文問題時提出的一種時間序列統(tǒng)計分析方法，后經(jīng) Mandelbrot，Wallis，Lo等多人發(fā)展使其更加成熟。尤其在時間序列變化研究方面，R/S分析法得到了充分的應用［12-16］。

1.4 小波分析

小波分析(Wavelet Analysis)是一種時、頻多分辨率方法，基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)。本研究采用常用的墨西哥帽小波(Mexican Hat)函數(shù)對陜西省的降水時間序列進行連續(xù)小波變換［15］。

2 分析與結果

2.1 降水量空間演變格局分析

研究表明1957—2011年，400 mm和800 mm等降水量線均有總體南移的趨向，但由于受降水量增加的影響，2007—2011年兩條曲線有所北移。800 mm等降水量線移動的速度和范圍要比400 mm大很多。400 mm等降水量線西段移動緩慢，而中段和東段移動范圍較大。陜西省平均降水量在323.4～917.6 mm范圍內(nèi)變動，受地帶性規(guī)律的影響，降水量隨著緯度增高而減少。

2.2 降水量年際變化分析

2.2.1 年降水量變化特征 22個站點的降水特征值最大年降水量在553.5～1 462.8 mm內(nèi)變動，最大降水年出現(xiàn)在1983年(漢中站)，最小年降水量在159.1～603.8 mm之間變動，最小降水年份為1965年(榆林站)，最大降水量是最小降水量的9倍多，兩站點降水量相差1 300多mm。各站點的變差系數(shù)cv都較大，其中變差系數(shù)最大的是位于陜北農(nóng)牧交錯區(qū)的定邊站(0.28)，最小的是洛川、鎮(zhèn)安和安康3個站點，變差系數(shù)均為0.20。22個站點變差系數(shù)均高于0.20，說明區(qū)內(nèi)降水量年際變化較大，震蕩劇烈。

2.2.2 季節(jié)降水量變化特征 圖1顯示，1年時間尺度上，春季降水量在20世紀60～80年代的距平值基本為正值，這一時段為豐水期。然而90年代以后，70%年份的距平值處于負值，說明近20多年來春季降水量呈減少趨勢，處于缺水狀態(tài);夏季降水量距平值呈震蕩狀態(tài)的變化，豐水期集中在1978—1990年，其余大多數(shù)年份處于缺水狀態(tài);而55年間負值在秋季距平值序列中占主導地位，與夏季和冬季比較，秋季距平變化更為劇烈，1985年以后明顯處于缺水期，這種狀況持續(xù)了近25年;冬季距平值1989年比較特殊，偏離均值40 mm，其他年份波動較為平穩(wěn)。此外，秋季降水量滑動趨向變化趨勢與年平均降水量滑動平均曲線波動極為吻合，主要是因為秋季處于夏季與冬季之間，屬于降水變化的過渡階段，總體呈下降趨勢。

2.3 降水量R/S分析

2.3.1 年降水序列持續(xù)特征 1年時間尺度上，三大地形區(qū)的H值均大于0.5。這表明三大地形區(qū)降水過程具有持續(xù)性特征，未來趨勢與歷史時期變化趨勢關聯(lián)性強。其中，關中平原和秦巴山區(qū)H值分別為0.709，0.686，持續(xù)性等級均為較強，黃土高原H值為0.589，持續(xù)強度等級為較弱，陜西省總體H值為0.692，處于較強等級。

2.3.2 季節(jié)降水序列持續(xù)特征 三大地形區(qū)四季Hurst指數(shù)均大于0.5，說明4個季節(jié)的降水趨勢也具有持續(xù)性，H值最大值為0.796(4級)，最小值0.501(1級)。但每個季節(jié)的Hurst指數(shù)又有所差異，陜西省秋季Hurst指數(shù)等級最高，降水持續(xù)性特征最強，春夏其次，冬季最低。

圖1 不同季節(jié)降水量距平變化情況Fig.1 Precipitation anomaly changes of 4 seasons

2.4 降水量變化周期分析

春季降水量在34年時間尺度上，周期震蕩非常顯著，直到2011年等值線仍為閉合，說明未來幾年春季降水量將繼續(xù)偏多，目前正處于降水偏多時期;夏季降水量在34年時間尺度上震蕩最為顯著，34年為其主周期。目前等值線即將閉合，說明夏季降水偏多期也將隨之結束;秋季降水量在34年時間尺度上震蕩最為顯著，34年為其主周期，未來2～3年仍處于多水期;冬季降水量在24年時間尺度上振蕩最明顯，在此尺度上，2011年已經(jīng)開始進入降水偏少期;34年為年均降水量小波方差的峰值，說明34年為其主周期。在此尺度上，年降水量經(jīng)歷了多→少→多→少→多5個循環(huán)交替，陜西省未來2～3年仍處于多水期。

2.5 降水量未來趨勢判斷

在34年時間尺度上可以判斷未來陜西省降水變化的趨勢:從長期來看，陜西省降水量呈總體減少的趨勢，并且具有較強的持續(xù)性特征。從短期來看，陜西省降水量會經(jīng)歷多水期和少水期循環(huán)交替。春季降水量在2012—2014年仍處于多雨期，2015—2026年降水量將偏少，春季干旱的幾率隨之增加。夏季降水已經(jīng)進入少水期，這種狀況預計會持續(xù)到2022年左右，夏季暖干化趨勢加強。秋季未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后降水將偏少。冬季已經(jīng)開始進入降水偏少期，這種狀況最長會持續(xù)8年。年降水量雖然未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后的11年將會一直處于少水期?？傮w來看，陜西省降水處于多雨期末期，2015年以后降水量將會有所減少，進入長達11年的少水期，未來暖干化趨勢更加明顯。

3 結論

通過以上研究，本文認為過去50多年間陜西省降水特征明顯，規(guī)律性強。主要體現(xiàn)在以下幾方面:①陜西省降水空間變化表現(xiàn)為從東南向西北逐漸遞減，1957—2011年陜西省年降水量一直處于下降趨勢，線性傾向率為-9.7 mm/10 a，400 mm和800 mm等降水量線總體南移的趨向進一步說明了降水量呈減少的趨勢。②陜西省降水量年際變化震蕩劇烈、穩(wěn)定性差，在1年和5年時間尺度上全年降水量和各個季節(jié)降水量變化均呈波動態(tài)勢，春季和秋季波動劇烈，下降趨勢明顯。③降水變化過程持續(xù)性強，季節(jié)和年降水量H值都大于0.5，這表明陜西省降水未來變化將與過去的變化趨勢一致，但不同地區(qū)和時間尺度的持續(xù)性有所不同。④降水過程具有一定的周期性，年均降水量和春夏秋季都存在34年時間尺度的周期，冬季為24年。此外，春秋冬三季除了具有第一周期外，還具有分別以10年、13～17年和6～10年的第二周期。⑤雖然陜西省未來2～3年仍處于多水期，但2015年以后陜西省將會進入少水期，這種狀況最長會持續(xù)11年之久，這與太陽黑子周期的變化相一致，未來陜西省暖干化趨勢將凸顯。

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