王 聳，高西寧，肖 瑤，王 琪，王 寧

(1.吉林省氣象服務中心， 吉林 長春130062； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 遼寧 沈陽 110866；3.河南省氣象服務中心， 河南 鄭州450003； 4.吉林省氣象臺， 吉林 長春 130062)

IPCC第5次報告指出，全球平均陸地和海洋表面溫度于1880—2012年期間升高了0.85℃(0.65℃～1.06℃)[1]。全球氣候變暖會造成海平面氣壓場的重新調整，加速地球系統(tǒng)的水循環(huán)，進而影響全球的總降水量變化[2-3]。中國幅員廣闊，領土面積達1 430多萬km2[4]，占有熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶五種氣候帶。受不同氣候帶、不同大氣環(huán)流形勢[5]及復雜地形的影響，氣候變化特征有垂直變化和水平變化不均一的特點，中國的氣候變化特征存在一定的區(qū)域差異[6]。

降水量的變化是區(qū)域氣候變化最敏感、最直接的因素[7]。在氣候變暖背景下，極端降水事件很有可能強度增大、頻率增高，干旱、洪澇等極端氣候增加[8-9]。已有研究主要針對中國某個地區(qū)以及省、市的降水量變化研究[10-14]，而缺乏對中國整體范圍降水量變化的空間分布及年際差異等的系統(tǒng)研究。在全球氣候變化的背景下，中國過去50年氣候變化十分顯著，因此在全球氣候變化背景下對中國近50 a降水量變化的分區(qū)及其變化特征進行研究十分重要[2]。

為研究1961—2010年中國降水量變化的空間格局的穩(wěn)定性及其動態(tài)變化過程，同時考慮研究氣候變化需要至少30 a的氣候資料，本研究采用滑動時段法，將研究時段分為3個時段(1961—1990、1971—2000、1981—2010年)對其降水量變化特征進行分區(qū)，并探討分區(qū)結果的差異。通過此項研究，對進一步揭示中國降水量變化特征，研究其氣候學意義，對提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等對氣候變化的適應性，以及社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的降水量資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的1961—2010年中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，其中包含中國756個基準、基本氣象站自1951年1月以來的氣溫、氣壓、降水量等8個要素的日值數(shù)據(jù)，從中提取1961—2010年降水量數(shù)據(jù)，用于本文研究。756個氣象站中，由于建站時間有所不同，資料時間長短不同，對于降水量時間長度少于30 a的84個氣象站進行剔除；剔除因由基本(基準)站改為一般站，造成數(shù)據(jù)中斷的46個站點；剔除28個由于臺站遷址等原因造成數(shù)據(jù)10 a以上中斷的氣象站；剩余598個氣象站中，缺測降水資料用1981—2010年的標準氣候值代替[4]，最終選取此598個氣象站(站點分布見圖1)1961—2010年旬降水數(shù)據(jù)進行研究。

圖1中國598個站點分布

Fig.1 Distribution of 598 meteorological stations in China

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理 選取1981—2010年作為氣候標準期，分別計算各站1～36旬降水量平均值，并生成各個站點1961—2010年的逐旬降水距平百分率數(shù)據(jù)集。

(1)

1.2.2 經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)和旋轉經(jīng)驗正交函數(shù)(REOF) 經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解是氣候統(tǒng)計診斷中應用最為普遍的方法之一，在保持原有信息損失的前提下，把原始變量分解為正交函數(shù)的線性組合，構成為數(shù)很少的互不相關典型模態(tài)，代替原始變量場，每個典型模態(tài)都含有盡量多的原始場信息[15]。

旋轉經(jīng)驗正交函數(shù)(REOF)分解是基于經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)，采用正交旋轉矩陣，使原始要素場的特征信息集中映射到載荷場所代表的優(yōu)勢空間上，從而使得旋轉后的典型場空間結構更加清晰，能更好地表現(xiàn)地域的差異，同時反映不同地域的相關分布狀況，實現(xiàn)將氣候要素一致的地區(qū)劃分為同一區(qū)域[16-18]。

本研究EOF對598個站點的降水距平百分率進行處理，為了清晰表示要素場區(qū)域特征，采用REOF進行區(qū)域劃分，即在區(qū)域特征分析基礎上對EOF結果做方差最大正交旋轉，重新分配方差P[15,19-20]；根據(jù)REOF分解結果，形成各臺站經(jīng)方差最大旋轉后的載荷特征向量矩陣，查找各站點絕對值最大的載荷值對應的特征向量，從而確定出對該站點影響最大的特征向量，使某一特征向量的高荷載值聚為同一類型，進而對降水量變化特征進行分區(qū)[21]。

1.2.3 降水量變化趨勢分析 對分區(qū)后各區(qū)域年平均降水量的距平值進行線性趨勢分析及5 a滑動平均分析，討論各區(qū)域降水量變化特征。

5a滑動平均分析使用的計算公式為[23]：

(i=3,…,n-2)

(2)

2 結果與分析

2.1 降水量變化空間分析

采用REOF對598個站點的降水距平百分率進行分析，3個時段前11個載荷向量累積解釋方差貢獻均超過65%(表1)，第12個載荷向量以后方差貢獻率較小，即可認為取11個旋轉特征向量，基本上能夠代表分區(qū)結果[24-26]。3個時段均取前11個載荷向量進行正交旋轉，并就此進行降水量變化的空間分析。

表1 前11個載荷向量累積方差貢獻率

2.1.1 1961—1990年時段降水量變化空間特征分析 圖2為1961—1990年前11個旋轉載荷向量的空間分布圖。圖2a為第一個旋轉載荷向量場，正的高值區(qū)位于江淮地區(qū)，最高值(0.161)位于安徽省的滁縣，由圖2a可知1961—1990年以滁縣地區(qū)為中心，合肥、六安、巢湖、霍山、壽縣以及南京等地其特征向量值均達到了0.150以上。此區(qū)域包括安徽、江蘇、湖北東部和河南南部為降水量變化較大的地區(qū)，即江淮地區(qū)為1961—1990年時間段第一個降水量變化明顯地區(qū)。圖2b為第二個旋轉載荷向量場，最高值(0.158)位于河南省的三門峽地區(qū)。此區(qū)域的高值區(qū)位于山東、河南、陜西和山西南部，將此區(qū)域統(tǒng)稱為黃淮地區(qū)。圖2c是第三個旋轉載荷向量場，最高值(0.174)位于吉林省的通化地區(qū)，高值區(qū)位于遼寧、吉林、內(nèi)蒙古的通遼和赤峰，位于東北的中部和南部地區(qū)，以及內(nèi)蒙古東四盟中的通遼和赤峰區(qū)域，這些地區(qū)統(tǒng)稱為東北中南部地區(qū)。圖2d為第四個旋轉載荷向量場，高值區(qū)位于江南東部的福建、江南中部的江西與華南東部的廣東東部地區(qū)，此地區(qū)統(tǒng)稱為江南、華南東部地區(qū)。圖2e為第五個旋轉載荷向量場，高值區(qū)位于中國的西南地區(qū)東部的貴州、廣西西部和江南西部地區(qū)的湖南，最高值(0.183)位于榕江地區(qū)?？梢娢髂系貐^(qū)東部和江南西部地區(qū)為第五個降水變化較大的區(qū)域。圖2f為第六個旋轉載荷向量場，高值區(qū)位于中國東北北部地區(qū)的黑龍江以及內(nèi)蒙古東四盟中的烏蘭浩特和海拉爾，將這片區(qū)域統(tǒng)稱為東北北部地區(qū)為第六個降水變化明顯的地區(qū)。圖2g為第七個旋轉載荷向量場，最高值(0.208)位于廣東省的高要地區(qū)。華南西部的廣西和華南中部的廣東以及海南為第七個降水變化區(qū)，將華南西部和華南中部統(tǒng)稱為華南中西部地區(qū)。圖2h為第八個旋轉載荷向量場，此向量場出現(xiàn)兩個高值區(qū)，分別是中國西北東北部地區(qū)，以及新疆地區(qū)。即根據(jù)第八個旋轉載荷向量的向量場，分出兩個降水變化區(qū)，分別是中國西北東北部地區(qū)(包括甘肅、寧夏)以及新疆地區(qū)。圖2i為第九個旋轉載荷向量場，最高值(0.220)位于內(nèi)蒙古的集寧，高值區(qū)位于內(nèi)蒙古西部和包含河北、山西北部的華北北部地區(qū)。圖2j為第十個旋轉載荷向量場，最高值(0.266)位于云南省的思茅地區(qū)。高值區(qū)位于中國西南地區(qū)南部，即此地區(qū)為全國降水量變化明顯的地區(qū)。圖2k為第十一個旋轉載荷向量的向量場，高值區(qū)位于西藏地區(qū)、西北地區(qū)中部和西南地區(qū)北部，包括西藏、青海和四川。將西藏地區(qū)、西北地區(qū)中部和西南地區(qū)北部統(tǒng)稱為青藏地區(qū)。

2.1.2 1971—2000年時段降水量變化空間特征分析 分析1971—2000年時段前11個旋轉載荷向量的空間分布(圖略)。與1961—1990年時段不同的是第4個旋轉載荷向量的向量場，此區(qū)有兩個高值區(qū)，其中之一是位于內(nèi)蒙古西部、青海北部、甘肅、寧夏、山西北部大片區(qū)域，屬于西北地區(qū)東北部、華北北部和內(nèi)蒙古西部，在此統(tǒng)稱為中國北部地區(qū)。第二個區(qū)域為新疆地區(qū)，可見此兩個地區(qū)為1971—2000年時間段兩個降水量變化明顯地區(qū)。第10個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區(qū)所占面積較小，位于福建和廣東地區(qū)，與第三個和第六個特征向量所表示的區(qū)域接近，這個區(qū)域所凸顯出的降水變化已經(jīng)被第三和第六個區(qū)域表示出來。

圖2 1961—1990年前11個特征向量場的空間分布圖

Fig.2 The spatial distribution map of the first 11 eigen vector fields during 1961—1990

2.1.3 1961—1990年時段降水量變化空間特征分析 分析1981—2010年時段前11個旋轉載荷向量的空間分布(圖略)，與1961—1990年、1971—2000年時段不同的是，第10個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區(qū)有兩個，分別位于河北地區(qū)與新疆地區(qū)，河北地區(qū)與第4個和第5個特征向量所表示的區(qū)域接近，這個區(qū)域所凸顯出的降水變化已經(jīng)被第4和第5個區(qū)域所表示出來,只將新疆地區(qū)劃分為一個區(qū)域。第11個旋轉載荷向量的向量場顯示出高值區(qū)所占面積較小，位于福建和廣東地區(qū)，與第2和第6個特征向量所表示的區(qū)域接近，這個區(qū)域所凸顯出的降水變化已經(jīng)被其表示出來。

2.2 降水量變化的空間分區(qū)

2.2.1 3時段空間分區(qū) 以1961—1990年EOF及REOF分析計算結果為例，前11個載荷向量累積解釋方差貢獻達到65.48%，基本上能夠代表分區(qū)結果，1961—1990年降水量變化可分成12個區(qū)域。根據(jù)旋轉經(jīng)驗正交函數(shù)分解結果，結合實際地理分布情況，確定各個分區(qū)的邊界線位置，分區(qū)結果見圖3。其它兩個時段的分區(qū)過程與此相同，分區(qū)結果見圖4、圖5。

圖3 1961—1990年降水量變化分區(qū)

圖4 1971—2000年降水量變化分區(qū)

圖5 1981—2010年降水量變化分區(qū)

Fig.5 Precipitation change division during 1981—2010

2.2.2 1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3時段分區(qū)圖疊加 分析1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年三個時段的分區(qū)結果，將三個分區(qū)圖(圖3～5)疊加(圖6)，可知江淮地區(qū)、東北中南部地區(qū)、西南地區(qū)東部和江南西部地區(qū)、新疆地區(qū)和東北地區(qū)北部這五個地區(qū)三個時間段降水量變化情況相同。而中國北部地區(qū)，在1961—1990年時段，由于東西變化不同，分為東西兩區(qū)，而1971—2000年和1981—2010年兩個時段的分區(qū)情況基本相同，1971—2000年時段，青海北部與甘肅西部也被并入中國北部地區(qū)，說明在1971—2010年間，中國北部地區(qū)降水量出現(xiàn)了明顯的變化；江南和華南東部地區(qū)，1961—1990年時段，較1971—2000年和1981—2010年時段包含的地區(qū)增加了廣東東部區(qū)域，可以看出自1971年起，降水在此地區(qū)有變化；黃淮地區(qū)，1961—1990年和1971—2000年較為相近，1981—2010年時段黃淮地區(qū)與西北東部地區(qū)的降水量變化情況相似，歸在同一區(qū)域；華南中西部地區(qū)，1971—2000年和1981—2010年時段區(qū)域相同，在1961—1990年時段，區(qū)域包含地區(qū)小，比后兩個時間段缺少廣東東部地區(qū)，表明自1971年起，此地區(qū)的降水開始出現(xiàn)變化；西南地區(qū)，青海、西藏、四川、云南變化情況相似，而云南部分地區(qū)與整體西南地區(qū)的變化略有不同，1961—1990年時段，云南獨自劃分成一區(qū)，1971—1990年云南西部獨自成一區(qū)，1981—2010年時段，云南又恢復獨自成為一區(qū)，表明1980年左右，云南的降水有所變化。

2.2.3 1961—2010降水量變化分區(qū)結果 根據(jù)3時段分區(qū)疊加結果，可較為清晰地看出1961—2010年降水量變化的空間格局的穩(wěn)定性及其動態(tài)變化過程。根據(jù)前面的分析，除中國北部地區(qū)之外，其它地區(qū)空間位置點發(fā)生變化的站點相對較少，可以認為研究時段內(nèi)降水量變化的空間結構比較穩(wěn)定，因此利用3時段分區(qū)疊加結果，對研究時段內(nèi)降水量變化進行分區(qū)[26]。綜合3時段分區(qū)結果，中國1961—2010年近50 a的降水量變化分為11個區(qū)域，如圖7。11個區(qū)域分別為：Ⅰ 江淮地區(qū)；Ⅱ 東北中南部地區(qū)；Ⅲ 中國北部地區(qū)；Ⅳ 新疆地區(qū)；Ⅴ 江南和華南東部地區(qū)；Ⅵ 黃淮地區(qū)；Ⅶ 西南地區(qū)東部和江南西部地區(qū)；Ⅷ 東北北部地區(qū)；Ⅸ 華南中西部；Ⅹ 青藏地區(qū)；Ⅺ 西南地區(qū)西部。

圖6 1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3時段疊加分區(qū)圖

圖7 1961—2010年降水量變化分區(qū)

Fig.7 Precipitation change division during 1961—2010

2.3 各分區(qū)降水量變化趨勢分析

圖8為1961—2010年全國及全國各區(qū)域降水量距平變化曲線圖。圖8(a)為1961—2010年全國降水量距平變化曲線圖，由此看出，過去50 a中國全區(qū)年平均降水量呈現(xiàn)出微小的減少趨勢，氣候傾向率為-0.0183 mm·10 a-1，相關系數(shù)為-0.0005，未達到顯著性水平，該結果與以往的研究結果[27-31]基本一致；降水年際變幅較大，年降水量較多的年份分別為：1973年、1998年、1983年和2010年；降水量較少，較為干旱的年份分別為：2004年、1986年、2009年和1978年。5 a滑動平均曲線表明，1961—2010年間降水距平呈波動式變化并略有減少，1963—1970年間中國降水量除個別年份外，多數(shù)年份為負距平，表明此時段降水相對較少，且降水量在波動中呈現(xiàn)不斷下降的趨勢；70、80年代出現(xiàn)了兩個降水距平由正轉負的10 a準周期變化。1991—2001年，中國降水量除個別年份外，多數(shù)年份為正距平，表明此時段降水量相對較多；2002—2008年，又出現(xiàn)了較長時間的負距平，隨后降水距平逐漸增大，降水量逐漸增多。

圖8(b～l)為1961—2010年全國各區(qū)域降水量距平變化曲線圖。分析圖8(b～l)中中國各分區(qū)的降水量距平變化得出，中國各區(qū)域降水存在明顯的差異性，其中東北中南部地區(qū)、中國北部、黃淮地區(qū)、西南地區(qū)東部和江南西部地區(qū)、東北北部地區(qū)、西南地區(qū)西部降水量變化的氣候傾向率依次為：-6.2237、-8.5088、-13.9415、-7.8451、-1.4029、-7.5658 mm·10a-1，相關系數(shù)分別為-0.1092，-0.2342，-0.1941，-0.1017，-0.0327，-0.1941，均未達到顯著性水平，降水量均表現(xiàn)為減少的趨勢；江淮地區(qū)、新疆地區(qū)、江南和華南東部地區(qū)、華南中西部、青藏地區(qū)氣候傾向率依次為12.9260、8.7274、23.2075、14.3882、7.3256 mm·10 a-1，相關系數(shù)分別為0.1187，0.5294，0.1646，0.0960，0.4214，均未達到顯著性水平，降水量均表現(xiàn)為增加的趨勢。由5 a滑動平均曲線可以看出，江淮地區(qū)的降水距平波動較小，20世紀60年代開始減少，60年代中期趨于上升，于70年代中期開始下降，到了80年代開始上升，直到1995年又開始下降，之后降水變化趨于平緩(圖8b)。這個區(qū)域的降水增加主要是因為1980年到1995年，江淮流域不斷出現(xiàn)夏秋季洪澇[32]；東北中南部地區(qū)在1975年和1996年均出現(xiàn)了明顯的降水距平減少的趨勢，80年代之前，降水距平波動較小，80年代后期降水距平波動變大(圖8c)；中國北部地區(qū)降水距平具有較強的變化性，降水距平由70年代開始減少，由70年代中期回升，又在80年代初期開始減少，之后呈波動性變化。在90年代中后期降水略有下降(圖8d)，該地區(qū)整體降水趨勢下降與極強降水頻率的減少有很大關系，此地區(qū)在1965年和1980年出現(xiàn)了降水異常的兩次躍變，65年之前為澇年，之后為旱年，以1980年為界，1965—1980年初是重旱年，隨后旱澇相間[33]，近50 a間，此區(qū)域的降水變化非常大，這也是3個時間段，區(qū)域劃分界限不好明確的原因；新疆地區(qū)60年代降水為正距平，到了70年代初期降水略微減少，之后波動性上升，總降水趨勢沒有明顯的突變情況(圖8e)；江南和華南東部地區(qū)在60年代初期降水量有下降的趨勢，到了60年代中期開始上升，70年代中期到80年代初期降水量距平有所減少，之后一直是波動性增加趨勢，到2000年有所降低，2009年降水距平回升(圖8f)；黃淮地區(qū)降水量波動性較小，降水量從2000年開始有回升的趨勢，70年代到2000年之間，降水距平的變化不大(圖8g)；西南地區(qū)東部和江南西部地區(qū)60年代到80年代初期，降水量距平值正負相互抵消，總的氣候傾向率為負值的原因是在80年代降水量急劇下降，雖在90年代有所回升，但到了2000年降水量又開始下降(圖8h)；東北北部地區(qū)降水距平變化的總趨勢與東北中南部地區(qū)較為接近，在80年代到2000年降水距平相對較大，但變化幅度明顯高于東北中南部地區(qū)，這也是兩將東北分成南部和北部的原因，此地區(qū)從60年代初期開始下降，在70年代后期達到了最低點，然后又開始急劇上升，在80年代的前中期達到了最大值，此后上下波動，到了90年代中期又開始下降(圖8i)，東北地區(qū)的降水量減少與極強降水頻率的減少有關[34]，東北地區(qū)為中國的少雨區(qū)，降水不足，干旱等氣象災害時有發(fā)生[9]；華南中西部降水波動較大，60年代降水距平為負值，70年代和80年代前期降水距平為正值，80年代末期，降水距平減小變?yōu)樨撝?，之后?0年代降水距平回升，2000年降水距平又有減少趨勢(圖8j)；青藏地區(qū)持續(xù)波動性上升，只有在90年代初期，降水距平有所減少，但在2000年降水距平恢復增加的趨勢，此地區(qū)降水量的增加是由極強降水頻率的增加和強度增強而產(chǎn)生。此地區(qū)受高原氣候的影響，降水量等其它氣候條件多變，導致在用30 a為周期進行滑動分析時，3個時間段對此區(qū)域的劃分有所不同(圖8k)；西南地區(qū)西部區(qū)域降水變化的波動性很大，降水距平從60年代到70年代末期，降水趨于減少，之后降水量開始上升，到80年代后期開始下降，1990年降水距平回升，之后又下降，2000年有一個降水距平高值區(qū)，2000年后降水量趨于下降(圖8l)。

圖8 1961—2010年全國及全國各區(qū)域降水量距平變化曲線圖

Fig.8 Zones of precipitation anomaly graphs in China and the whole of China during 1961—2010

3 討論與結論

(1) 由于經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解的局限性，即分離出的空間分布結構不能清晰地表示不同地理區(qū)域的特征[15]。然而，采用旋轉經(jīng)驗正交函數(shù)(REOF)分解分區(qū)時，由于載荷場經(jīng)過正交旋轉后，載荷平方的方差和達到最大，使各特征向量的高載荷值更加突出，因而該方法對降水量變化特征進行分區(qū)具有一定的客觀性[16,18,20]；但是，個別邊界區(qū)域站點，雖然按照載荷值絕對值最大的特征向量確定分區(qū)歸類，但該最大值與其它特征向量對應的載荷值差異是否顯著導致分區(qū)可能存在一定的主觀性和模糊性；這一方面說明了降水量變化的復雜性，另一方面體現(xiàn)了內(nèi)外因子年際變化對區(qū)域降水量變化的影響。因此在方法研究的基礎上，結合區(qū)域降水量變化的氣候學原因研究，對分區(qū)的客觀性有重要的意義，同時更有利于研究氣候變化。本研究以30 a為研究尺度，分析了1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年中國降水距平百分率空間分布的動態(tài)過程，3個時段分別將中國降水量分成12個、11個和11個變化區(qū)。中國北部地區(qū)、黃淮地區(qū)、江南和華南東部地區(qū)、華南中西部地區(qū)和西南地區(qū)西部這五個地區(qū)1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3個時間段區(qū)域界限變動比較明顯，其中黃淮地區(qū)與中國北部地區(qū)的分界線隨著時間的變化逐年向南移動、黃淮地區(qū)與西南地區(qū)西部的分界線逐年向西北方向移動、華南中西部地區(qū)與西南地區(qū)東部和江南西部地區(qū)的分界線隨著時間變換逐漸向西北方向移動。綜合3個時間段的降水變化情況，將中國分成了11個降水量變化區(qū)。

(2) 已有的研究表明，中國降水量有減少的趨勢，同時也有研究表明減少趨勢并不顯著[30]；本研究利用1961—2010年降水量距平數(shù)據(jù)分析了中國各區(qū)域的降水量變化特征，所得結論與多數(shù)研究一致[2,4,9,21,24,26,34]：研究時段內(nèi)中國的年降水量下降趨勢未達到顯著性水平；結合分區(qū)研究各個區(qū)域降水量的特征，各區(qū)域與全區(qū)年降水量變化趨勢有所不同，年降水量趨于減少的6個區(qū)域中，減少趨勢最大的是黃淮地區(qū)，最小的是東北北部地區(qū)，各區(qū)年降水量減少趨勢未達到顯著性水平；年降水量趨于增加的5個區(qū)域中，增加趨勢最大的是江南和華南東部地區(qū)，最小的是青藏地區(qū)，各區(qū)年降水量增加趨勢也未達到顯著性水平。

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