逯玉蘭， 李 廣， 閆麗娟， 董莉霞， 李 杰， 聶志剛， 王 鈞

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

全球氣候變化造成極端洪澇、干旱等天氣頻發(fā)，導(dǎo)致環(huán)境和生態(tài)惡化，進(jìn)而影響社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展[1-3]。北方農(nóng)牧交錯帶是生態(tài)系統(tǒng)最為脆弱和生態(tài)環(huán)境最為嚴(yán)酷的地區(qū)，屬于干旱、半干旱地區(qū)，半農(nóng)、半牧生態(tài)過渡區(qū)，也是全球氣候變化反應(yīng)最為敏感的地區(qū)之一[4-6]。一方面，北方農(nóng)牧交錯帶抗干擾能力弱，生態(tài)系統(tǒng)很容易發(fā)生演變；另一方面，其對環(huán)境因素的改變反應(yīng)靈敏，但維持自然穩(wěn)定的可塑性較小[7]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，氣溫和降水量變化是導(dǎo)致農(nóng)牧交錯帶環(huán)境變化的重要因素[8]，而且自然降水是該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)供水的主要來源，降水量變化對該區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)有著顯著的影響[9]。因此，深入研究北方農(nóng)牧交錯帶長時間序列降水量變化的特征對北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)建設(shè)及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。

近年來，北方農(nóng)牧交錯帶的氣候要素變化深受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，許多專家學(xué)者從不同角度出發(fā)對北方農(nóng)牧交錯帶的氣候變化做了大量研究。劉瞳等[10]研究了1956—2009年北方農(nóng)牧交錯帶中部地區(qū)降水量變化過程及其持續(xù)性特征，結(jié)果表明研究區(qū)54年間降水量呈劇烈波動態(tài)勢，全年降水量呈下降趨勢，夏季降水與年降水變化趨勢一致，春季降水呈略微增加趨勢；趙威等[11]基于中國氣象局1964—2013年溫度和降水量格點數(shù)據(jù)，分析了北方農(nóng)牧交錯帶近50年的溫度和降水量變化特征，研究表明近50年研究區(qū)年降水量略有減少，夏季減少最多，西區(qū)、中區(qū)與東區(qū)南段年降水量呈減少趨勢，而東區(qū)北段年降水量主要由于春季降水的增加導(dǎo)致全年降水增加；杜華明等[5]利用反距離加權(quán)空間插值法和線性回歸法對北方農(nóng)牧交錯帶1961—2012年的降水量氣候要素的時間演變特征進(jìn)行了分析，并采用Morlet小波變化法分析了該地區(qū)的干旱狀況，結(jié)果顯示北方農(nóng)牧交錯帶近52年來降水量減少速度為7.35 mm·(10a)-1，西北段干旱災(zāi)害發(fā)生頻率最高，干旱災(zāi)害的主周期為7 a和8 a；曾晟軒等[12]研究了西北農(nóng)牧交錯帶中部近60年溫度和降水量在年和季節(jié)尺度的變化趨勢及其持續(xù)性特征，研究表明溫度呈增加趨勢和較強(qiáng)的持續(xù)性特征，年降水量總體呈微弱減少趨勢和反持續(xù)性特征，各季節(jié)降水變化趨勢不一致。北方農(nóng)牧交錯帶東西跨度大，東西區(qū)域氣候變化差異大[13-14]，而上述研究主要側(cè)重于整個北方農(nóng)牧交錯帶大區(qū)域氣候變化研究，且多以趨勢性研究為主，對各月間、季節(jié)性、周期性及突變特征等缺乏較為深入細(xì)致地研究和分析。目前，對甘肅農(nóng)牧交錯帶降水量的多時間尺度時空變化規(guī)律的研究少有涉及。因此，本文選取甘肅農(nóng)牧交錯帶30個氣象站點1971—2019年的觀測數(shù)據(jù)，運用線性傾向率、Mann-Kendall突變檢驗法和小波分析法詳細(xì)分析甘肅農(nóng)牧交錯帶不同時段降水量的時空變化規(guī)律、突變特征和周期特征，以期為調(diào)整研究區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)管理方式、改善生態(tài)環(huán)境、合理開發(fā)水資源提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本文研究區(qū)范圍是參考陳全功等[15]所劃分的范圍，包括甘肅農(nóng)牧交錯帶范圍內(nèi)30個氣象站點(圖1)。30個氣象站點1971—2019年的降水量觀測數(shù)據(jù)由甘肅省氣象局提供，個別異常值和缺失值用插值法確定。

1.2 數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)甘肅農(nóng)牧交錯帶30個氣象站點1971—2019年歷年逐日降水量數(shù)據(jù)計算出月平均、季平均和年平均降水量。采用一元線性回歸模型擬合方法對年、季、月降水量的線性變化趨勢進(jìn)行分析，用氣候傾向率表征降水量變化程度；用ArcGIS軟件對年降水量空間分布進(jìn)行分析；用Mann-Kendall突變檢驗法對降水量進(jìn)行突變檢驗；運用小波分析法分析降水量的多時間尺度變化。文中3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。

1.3 數(shù)據(jù)的分析方法

(1)氣候傾向率

本文采用氣候傾向率法分析甘肅農(nóng)牧交錯帶降水量的長期變化趨勢。一般來講，氣溫和降水量的氣候趨勢用一次直線方程來定量描述，即：

y(t)=a0+a1t

(1)

上式中，t為時間，單位為a；a1用最小二乘法確定，a1×10(即10年)稱作氣候傾向率。

(2)Mann-Kendall突變檢驗方法

本文采用Mann-Kendall突變檢驗法對降水量變化進(jìn)行突變檢驗，此方法最初是由Mann和Kendall提出，被世界氣象組織推薦的廣泛應(yīng)用于水質(zhì)、氣溫、徑流和降水量等氣象要素時間序列的趨勢分析及突變檢驗的非參數(shù)突變檢驗統(tǒng)計方法。原理如下:

圖1 甘肅省境內(nèi)農(nóng)牧交錯帶氣象站點分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in agro-pastoral ecotone of Gansu Province

對于一個含有n個樣本的時間序列x，構(gòu)造一個秩序列：

(2)

其中

(3)

定義統(tǒng)計量：

(4)

UFk是按時間序列X的順序(x1,x2,…,xn)計算出的統(tǒng)計量序列。

再按X的逆序(xn,xn-1,…,x1)重復(fù)上述計算，并且令

(5)

若UFk的值小于0，表明序列呈下降趨勢；否則，序列呈上升趨勢。若UFk曲線超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。將UFk和UBk兩條曲線的交點稱為突變點。

(3)小波分析法

本研究采用小波分析法對研究區(qū)的降水量進(jìn)行周期檢驗。小波分析法可以準(zhǔn)確地揭示時間序列中瞬時頻率結(jié)構(gòu)隨時間的變化，適用于分析系統(tǒng)的多時間尺度變化[16]。利用小波分析法分析時間序列變化的局部特征，能更清楚地獲得周期結(jié)果和突變規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量變化特征分析

2.1.1年降水量變化特征分析 圖2為甘肅農(nóng)牧交錯帶近49 a年降水量隨時間變化的曲線。近49 a內(nèi)，研究區(qū)平均年降水量為442.24 mm，各年間降水量波動強(qiáng)烈，但年降水量總體呈現(xiàn)增加趨勢，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，49 a增加了26.43 mm。

從圖3研究區(qū)近49 a年降水量距平變化可以看出，不同時期的年降水量有顯著差異：1971—1979年為平水年時期，年降水量正距平年份占66.67%，年降水量增加幅度相對較大，年降水量波動劇烈年份處于此時期內(nèi)；1980—2002年為持續(xù)時間較長的干旱期，年降水量正距平年份僅占34.78%，年降水量呈現(xiàn)減少趨勢；2003—2019年為濕潤期，且近49 a年降水量最大值出現(xiàn)在此時期內(nèi)。

圖2 研究區(qū)1971-2019年平均降水量變化Fig.2 The trend of annual mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

圖3 研究區(qū)1971—2019年降水量距平變化Fig.3 Annual precipitation anomaly changes from 1971 to 2019

2.1.2季節(jié)降水量變化特征分析 通過對4季平

均降水量回歸分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，只有夏季降水量呈減少趨勢，以—0.54 mm·(10a)-1的速率減少，其他3個季節(jié)的降水量均呈增加趨勢，春季、秋季、冬季降水量傾向率分別為1.95 mm·(10a)-1,2.17 mm·(10a)-1,0.74 mm·(10a)-1，其中秋季的增加幅度最大，49 a降水量增加了10.61 mm。春季平均降水量為93.22 mm；夏季降水量雖然呈減少趨勢，但為一年中降水量最多的季節(jié)，為237.10 mm；秋季降水量與春季相當(dāng)，為101.29 mm；冬季降水量最少，僅為9.74 mm。相關(guān)分析表明，年平均降水量與夏季降水量相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.83；與秋季的相關(guān)性次之，相關(guān)系數(shù)為0.44；與春季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.29；與冬季降水量的相關(guān)性最小，僅為—0.07。

從各季節(jié)距平(表1)來看，春季降水量呈波動式增加趨勢，20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)00年代為負(fù)距平，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代為正距平，特別是進(jìn)入10年代后降水量顯著增加；夏季降水量呈劇烈波動式減少趨勢，20世紀(jì)70,90年代和21世紀(jì)10年代為正距平，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代為負(fù)距平，尤其是21世紀(jì)00年代降水量減少特別明顯；秋季，在20世紀(jì)80—90年代為負(fù)距平，70年代和21世紀(jì)以來為正距平，說明進(jìn)入21世紀(jì)后秋季降水量顯著增加；冬季在20世紀(jì)90年代以前為負(fù)距平，90年代以來為正距平，說明1990年以來冬季降水量呈增加趨勢。

圖4 研究區(qū)1971—2019季節(jié)平均降水量變化Fig.4 The trend of seasonal mean precipitation in the study area from 1971 to 2019

表1 研究區(qū)1971—2019季節(jié)平均降水量距平的年代際變化Table 1 Decadal variations of seasonal mean precipitation anomalies in the study area during 1971—2019

2.1.3月降水量變化特征分析 由圖5研究區(qū)月平均降水量變化趨勢圖可知，3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量都呈增加趨勢，全年降水量的增加主要集中在4,5,7,9和10月。春季是甘肅農(nóng)牧交錯帶作物生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，春季的降水量直接決定著作物的產(chǎn)量。近49 a內(nèi)，研究區(qū)春季各月份降水量的變化不一致，其中3月份降水量呈平穩(wěn)地減少趨勢，減少傾向率為—0.49 mm·(10a)-1；4月平均降水量為27.08 mm，降水量呈波動式增加趨勢，以0.96 mm·(10a)-1的速率增加；5月是全年中降水量增加最明顯的月份，增加速率為1.48 mm·(10a)-1。夏季也是作物生長最關(guān)鍵的時期之一，夏季降水量對全年降水量貢獻(xiàn)最大。近49 a內(nèi)，夏季各月份中，6月降水量微增，各年間變化比較平穩(wěn)；7月降水量為87.43 mm，以0.98 mm·(10a)-1的速率呈波動式增加趨勢；8月降水量全年最高，為88.24 mm，但呈明顯地減少趨勢，減少幅度為1.81 mm·(10a)-1，70年代波動性很大，進(jìn)入80年代后變化趨于平穩(wěn)。近49 a內(nèi)，秋季各月份的降水量均呈不同程度的增加趨勢，9月和10月的降水量增加顯著，增加速率分別為1.22 mm·(10a)-1和1.05 mm·(10a)-1，但年際波動性很強(qiáng)；11月的降水量以0.055 mm·(10a)-1的速率緩慢增加。冬季各月份降水量雖少但總體均呈微弱地增加趨勢，12，1，2月平均降水量分別以0.029 mm·(10a)-1，0.27 mm·(10a)-1，0.49 mm·(10a)-1的速率增加，2月份年際波動很大，12月份年際波動較小。

圖5 研究區(qū)1971—2019月平均降水量變化Fig.5 The trend of monthly mean precipitation from 1971 to 2019

2.2 降水量的空間分布規(guī)律

從1971—2019年的年降水量的空間分布來看，甘肅農(nóng)牧交錯帶年降水量具有明顯的區(qū)域差異(圖6 a)。南部的年降水量偏多，碌曲、和政2個站點的年降水量達(dá)600 mm，遠(yuǎn)高于全區(qū)的平均值，迭部、岷縣、卓尼3個站點的年降水量也在545 mm以上。中部的年降水量稍多，相當(dāng)于全區(qū)平均年降水量。北部的年降水量明顯較少，各個站點的年降水量都低于全區(qū)平均年降水量，其中景泰、白銀、靖遠(yuǎn)3個站點的年降水量僅為200 mm左右。而年降水量變化速率呈現(xiàn)出自南向北逐步遞增的趨勢(圖6 b)。部分南部和中部站點年降水量呈明顯地減少趨勢，其中臨洮、迭部、會寧3個站點的年降水量減少傾向率都在—10.0 mm·(10a)-1以下。大部分中部地區(qū)的年降水量變化率跟全區(qū)年降水量的變化速率(5.39 mm·(10a)-1)基本一致。北部年降水量呈明顯地增加趨勢，各站點年降水量的增加傾向率都高于全區(qū)的平均值5.39 mm·(10a)-1，其中環(huán)縣、永登、天祝3個站點的年降水量增速很大，分別為全區(qū)年降水量增速的3.53,3.02和2.91倍，環(huán)縣的降水量49 a增加了94 mm。

圖6 研究區(qū)1971—2019年降水量的空間分布規(guī)律圖Fig. 6 Spatial distribution of precipitation from 1971 to 2019

2.3 降水量的突變檢驗

2.3.1年降水量突變檢驗 利用Mann-Kendall突變檢驗法對甘肅農(nóng)牧交錯帶1971—2019年的年降水量進(jìn)行趨勢和突變分析(圖7)。1973—1994年UF統(tǒng)計值大于0，但統(tǒng)計值未達(dá)到α=0.05顯著性水平，說明此時段內(nèi)年降水量呈增加趨勢，但并不顯著；1995—2017年UF統(tǒng)計曲線在零界線以下，也未超過95%的臨界線范圍，表明此階段年降水量下降趨勢不明顯；2018—2019年年降水量呈上升趨勢，但上升趨勢不顯著。根據(jù)置信區(qū)間內(nèi)UF和UB的交點位置，可以看出年降水量發(fā)生了4次統(tǒng)計意義上的可能性突變，分別發(fā)生在1973，1980，1984和2018年。

圖7 年降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 The Mann-Kendall test for annual mean precipitation

2.3.2季節(jié)降水量突變檢驗 從研究區(qū)季節(jié)降水量的突變分析曲線發(fā)現(xiàn)(圖8)，4季降水量均發(fā)生了突變，但UF統(tǒng)計值均未達(dá)到α=0.05顯著性水平，說明4季的變化趨勢均不顯著。春季降水量波動變化，1971—1977年、1985—1995年、1998—1999年、2015—2019年UF統(tǒng)計曲線在零界線以上，表明有25 a降水量出現(xiàn)增加現(xiàn)象，但總體呈“增—減—增—減—增”的變化趨勢，春季降水量發(fā)生了6次統(tǒng)計意義上的可能性突變，分別發(fā)生在1974，1977，1984，1992，2012和2016年。夏季降水量總體呈“減—增—減”的波動變化趨勢，1975年之前和20世紀(jì)00年代后UF統(tǒng)計值小于0，表明此時段內(nèi)序列呈下降趨勢，1976—2000年UF統(tǒng)計值大于0，說明此階段降水量呈上升趨勢，降水量發(fā)生了5次統(tǒng)計意義上的可能性突變，分別發(fā)生在1972，1974，1991，1996和2018年。秋季降水量，1987年以前除個別年份有波動外總體呈增加趨勢，1987—2007年呈下降趨勢，2008—2019年呈增加趨勢，突變分別發(fā)生在1974，2005和2009年。冬季降水量，1971—1977年呈增加趨勢，1978—1988年呈減少趨勢，從1989年開始逐漸增加，總體呈“增—減—增”的變化趨勢，突變發(fā)生在1989和2015年。

圖8 季節(jié)降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.8 The Mann-Kendall test for seasonal mean precipitation

2.4 降水量變化的周期分析

采用小波分析法研究甘肅農(nóng)牧交錯帶1971—2019年不同時間尺度降水量的周期變化特征。由圖9可知，年降水量在變化過程中不存在短震蕩周期信號，其長周期變化因數(shù)據(jù)系列限制無法分析得到，但可知長周期信號高于32 a。

圖9 年降水量小波變化圖Fig.9 Wavelet variation of annual mean precipitation

3 討論

本研究揭示了1971—2019年甘肅農(nóng)牧交錯帶年降水量的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)年降水量在波動變化中總體呈上升趨勢，但不同時期的年降水量有顯著差異：1971—1979年為平水年，1980—2002年為持續(xù)時間較長的干旱期，2003—2019年為濕潤期。年降水量在1973，1980，1984和2018年發(fā)生了突變，這與方梓行等[17]的研究結(jié)論一致。就季節(jié)而言，近49 a甘肅農(nóng)牧交錯帶四季降水量均有突變。其中，夏季降水量呈減少趨勢，其他3個季節(jié)的降水量均呈增加趨勢，但變化趨勢均不明顯，這與李敏敏等[18]的研究結(jié)論一致。從月份來看，1971—2019年3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量呈增加趨勢，8月降水量最高，7月次之，這與周一敏等[19]的研究結(jié)果一致。1980年以后，西北干旱區(qū)的水平風(fēng)場發(fā)生了變化，自東西伯利亞來的東北風(fēng)及貝加爾湖南下的氣流削弱了西風(fēng)環(huán)流，加快了地氣水分循環(huán)，導(dǎo)致該區(qū)域降水量呈現(xiàn)上升趨勢[20-23]。同時甘肅農(nóng)牧交錯帶于2000年開始退耕還林還草生態(tài)工程[24-26]，這在一定程度上加強(qiáng)了研究區(qū)的暖濕化。此外，北方農(nóng)牧交錯帶降水量變化還與人類活動、全球變暖發(fā)生停滯現(xiàn)象和大尺度環(huán)流背景變化等有密切的關(guān)系[11,27-29]。

1971—2019年甘肅農(nóng)牧交錯帶年降水量具有較為顯著的區(qū)域性特征，各地區(qū)降水量變化趨勢不同，具體表現(xiàn)為南多北少，自南向北逐步遞減的空間格局；而年降水量變化率，南部呈明顯地減少趨勢，北部呈明顯地增加趨勢，自南向北逐步遞增，這與趙一飛等[30]研究的黃土高原甘肅區(qū)降水具有空間差異性的結(jié)果基本一致。地域、下墊面的差異、緯度位置、人口的分布、地形地貌、站點高程等因素嚴(yán)重影響各地區(qū)能量物質(zhì)平衡及大氣環(huán)流，從而導(dǎo)致各地區(qū)間降水量變化差異較大[7,31]。

就甘肅農(nóng)牧交錯帶而言，氣候變化會嚴(yán)重沖擊該地區(qū)的的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，而降水量則是影響該區(qū)域植被結(jié)構(gòu)和功能區(qū)域劃分的關(guān)鍵因子[32]。該區(qū)作為西北重要的生態(tài)屏障，具有維持生態(tài)平衡、保持水土、保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源等諸多功能[33-34]。因此，開展甘肅農(nóng)牧交錯帶近49 a降水量變化研究，對揭示干旱半干旱區(qū)氣候變化區(qū)域差異性，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。研究區(qū)必須因地制宜，充分重視氣候資源的開發(fā)利用，合理調(diào)整農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)格局，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

通過對甘肅農(nóng)牧交錯帶1971—2019年降水量的時空變化趨勢、突變特征和周期特征分析研究，得出以下結(jié)論：近49 a來，研究區(qū)年平均降水量為442.24 mm，以5.39 mm·(10a)-1的速率增加，并分別于1973，1980，1984和2018年發(fā)生了突變；就季節(jié)而言，夏季降水量最多，但呈微弱減少趨勢，秋季降水量增加最明顯，冬季降水量最少但呈微弱增加趨勢，4季降水量均發(fā)生了突變；年內(nèi)各月降水量變化不一致，3月和8月的降水量呈減少趨勢，其他月份的降水量均呈增加趨勢，其中5月降水量增加最為明顯；從空間分布來看，研究區(qū)年降水量南多北少，自南向北逐步遞減；而降水量變化速率自南向北逐步遞增。