王澄海， 楊金濤， 楊 凱， 張飛民， 張晟寧， 李課臣， 楊 毅

（甘肅省氣候資源開發(fā)及防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，蘭州大學(xué)黃河流域綠色發(fā)展研究院，蘭州大學(xué)地球系統(tǒng)模式發(fā)展研究中心，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障，也是我國的重要經(jīng)濟地帶，同時也是國家脫貧攻堅、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展與“一帶一路”倡議等重要區(qū)域，在我國的經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。黃河流經(jīng)地區(qū)大部分屬于干旱、半干旱地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境脆弱，是氣候變化的敏感區(qū)。自20 世紀60年代起，黃河流域的生態(tài)環(huán)境、水源涵養(yǎng)和人類活動等正發(fā)生著顯著的變化［1-3］。氣候變化導(dǎo)致黃河流域出現(xiàn)了冰川退縮、凍土融化、草原退化、水資源短缺等生態(tài)環(huán)境問題，對黃河流域生態(tài)安全產(chǎn)生了影響［4-6］。

自20 世紀50 年代以來，整個黃河流域平均氣溫總體呈上升趨勢，20世紀90年代以后升溫明顯加快，2000 年以后的年平均氣溫比20 世紀50 年代普遍升高了1 ℃以上［7-8］。黃河流域氣候分布存在著顯著的空間差異，受大氣環(huán)流異常和地形地貌的影響，流域內(nèi)的降水分布不均勻，總體上呈現(xiàn)出由西北向東南遞增的趨勢。黃河流域降水的季節(jié)分配也存在較大差異，夏季降水占全年降水的50%以上，而冬季降水只占3%左右［9-10］。降水作為基本的氣候要素之一，是黃河流域水資源的直接來源，影響著流域內(nèi)水資源的時空分布和利用格局以及水安全形勢［11］。20世紀50年代以來的資料分析表明，黃河流域不同地區(qū)、不同季節(jié)的降水存在著不同變化特征。由于資料長短不一，分析區(qū)域劃分差異，研究的結(jié)論存在著一定差異。有研究表明，1961—2010年黃河流域大多數(shù)測站年降水量呈減小趨勢；在季節(jié)變化方面，除冬季外，春、夏季和秋季的降水量都是減少趨勢［12］。也有研究表明，黃河流域上游具有明顯的增加趨勢，而中下游表現(xiàn)為明顯的減少趨勢［13］。最近的研究則表明，黃河流域季節(jié)性降水變化差異顯著，春季和夏季以減少為主，且減少區(qū)域主要集中在陜西和山西地區(qū)；秋季降水以增加為主，河套地區(qū)的降水增加最為明顯；冬季降水變化小，主要變化區(qū)分布在黃河流域中游地區(qū)［14］?？梢?，黃河流域降水已經(jīng)發(fā)生的變化，未來黃河流域降水如何變化，是需要進一步深入研究和厘清的問題。

黃河流域降水存在顯著的周期變化特征。已有研究［15-18］利用小波分析、最大熵譜分析法等方法對黃河流域多年降水序列的周期性進行了分析，得出了黃河流域年降水存在顯著的2～6 a 短周期、9～15 a 和20～22 a 的中周期以及60 a 的長周期，2～4 a的短周期是黃河流域多數(shù)地區(qū)普遍的周期。但是，前述研究已表明，黃河流域不同時間尺度、不同地區(qū)的降水，其周期也具有一定的差異性。隨著全球的氣候變化，區(qū)域尺度上的降水變化特征也發(fā)生著變化，例如，極端降水事件增多，降水的空間分布不均勻性更加明顯［19-20］。由此產(chǎn)生的問題是，全球變暖背景下，黃河流域的降水振蕩周期是否也發(fā)生了變化？

黃河流域未來的降水會發(fā)生怎樣的變化，是我們關(guān)注的另一個問題。區(qū)域氣候模式RegCM4.0 的預(yù)估結(jié)果表明，在RCP4.5 情景下，黃河流域年降水整體增多，春、冬兩季的增幅最為明顯；在RCP8.5情景下年降水變化不大的區(qū)域較多，但冬季降水有大范圍的增加［21］。氣候變化引起黃河流域未來的年降水在大部分地區(qū)呈增加趨勢，其中冬季河套地區(qū)為增加趨勢，下游為減少趨勢；而夏季則與冬季呈反向變化［22］。由于氣候模式選用不同的物理過程參數(shù)化方案，氣候模式預(yù)估的降水結(jié)果存在較大的不確定性，盡管多數(shù)氣候模式預(yù)估不同情景下黃河流域以增濕為主，但仍有一些模式預(yù)估黃河流域未來降水可能減少［23］。綜合M-K 檢驗和R/S 檢驗2種統(tǒng)計方法診斷的黃河流域未來降水趨勢表明，黃河流域未來的年降水在上游會持續(xù)增加，而中游的降水為減少趨勢［24］?？梢?，基于不同方法對黃河流域未來降水的預(yù)估結(jié)果存在不一致。

上述表明，盡管關(guān)于黃河流域過去降水的變化特征和未來降水的變化趨勢已有許多研究，但過去60 a間，黃河流域的降水的特征是如何變化的，未來會發(fā)生怎樣的變化，需要進一步深入理解和厘清，尤其對于未來降水變化的預(yù)估存在較大不確定性，如何結(jié)合多種方法減小結(jié)果誤差，需要深入探討。

本文將黃河流域劃分為黃河源區(qū)、河套地區(qū)和黃河下游地區(qū)，利用近60 a黃河流域氣象站點的觀測資料和CMIP6中氣候模式的預(yù)估結(jié)果，結(jié)合統(tǒng)計方法預(yù)估黃河流域未來降水的變化趨勢，分析黃河流域降水變化事實，為黃河流域水資源的合理利用及未來可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域、資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域位于32°～42°N，95°～120°E之間，其東西長約1900 km，南北寬約1100 km，流域面積7.95×105km2（黃河網(wǎng)，http://www.yrcc.gov.cn/hhyl/hhgk/hd/lyfw/201108/t20110814_103452.html）。流域內(nèi)山脈眾多，海拔落差懸殊，地形地貌差異巨大。黃河源區(qū)位于青藏高原東北部的半干旱高寒地區(qū)，季風(fēng)影響較??；中部的河套地區(qū)屬于干旱半干旱區(qū)，下游位于半濕潤區(qū)，受夏季風(fēng)影響顯著。因此，流域內(nèi)各區(qū)域的氣候各異，降水的空間分布差異顯著，降水量呈由東南向西北遞減的特征（圖1）。

為研究黃河流域內(nèi)不同地區(qū)的氣候變化特征，本文將黃河流域劃分為黃河源區(qū)（33°～37°N，96°～104°E），河套地區(qū)（34.5°～41°N，104°～112°E）以及黃河下游地區(qū)（34°～38°N，112°～119°E）分別進行分析，具體劃分見圖1。以往研究大多采用黃河水利委員會（http://www.yrcc.gov.cn/images/map3.htm）的區(qū)域劃分方案，該方案是綜合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、河谷地貌特征、水資源條件、流域社會狀況、治理開發(fā)要求等因素提出的（http://www.yrcc.gov.cn/hhyl/hhwd/zrdlp/201108/t20110812_95002.html），本文在此基礎(chǔ)上，主要根據(jù)黃河流域降水量的分布，縮小了上游地區(qū)的范圍，使其只包含黃河流域的高原地區(qū)，即黃河源區(qū)，中游地區(qū)則包含了黃河“幾”字拐彎口大部分地區(qū)，下游地區(qū)則包含了黃河山西、河南、山東段的周邊地區(qū)。

黃河流域各區(qū)域氣候差異較大，年降水量在不同區(qū)域呈現(xiàn)明顯的空間差異，黃河源區(qū)地處青藏高原東部，海拔高，支流多，年均降水量為400～800 mm，是黃河徑流量的主要供給地區(qū)；河套地區(qū)橫跨河套平原、鄂爾多斯高原、毛烏素沙地和黃土高原，地處我國西北部，屬于干旱半干旱氣候，年均降水量較少且空間差異性大，為100～500 mm；下游地區(qū)屬于半濕潤氣候，流域的山西、河南、山東三段，降水相對較多，可達600～1000 mm。

1.2 站點觀測

本文使用了1961—2018 年黃河流域及周邊地區(qū)（32°～45°N，95°～120°E；圖1）的223個氣象站點的逐日降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）提供，并經(jīng)過了質(zhì)量控制和均一性檢驗。為了方便計算，采用徑向基函數(shù)的線性插值將觀測資料插值到0.25°×0.25°的格點上，該方法可以較好的表現(xiàn)出黃河流域的空間分布。

圖1 黃河流域劃分范圍Fig.1 The Yellow River Basin

1.3 氣候模式

本文采用國際耦合比較計劃（CMIP）第6 階段的資料。鑒于CMIP6 氣候模式中SSP245 情景最接近未來實際發(fā)展?fàn)顩r，因此本文選用該情景的預(yù)估結(jié)果作為未來氣候的變化預(yù)估。根據(jù)已有研究對CMIP6多模式進行評估的結(jié)果［25-28］，本文選取了5個CMIP6全球氣候模式未來30 a（2018—2047年）的逐月降水預(yù)估結(jié)果（https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/）進行分析，模式具體信息見表1。

表1 CMIP6模式簡介Tab.1 Introduction of CMIP6 mode

1.4 研究方法

由于氣候模式對降水的模擬存在系統(tǒng)性誤差［29-30］，本文選擇Murphy［31］提出的訂正方法，對CMIP6模式模擬的未來的降水進行訂正。該方法利用觀測值與模擬值的距平及標準差來對模擬值進行訂正，可以有效減小模擬結(jié)果的系統(tǒng)性偏差，對氣候漂移有較好的訂正效果［32］。對任意一年的降水，采用如下公式訂正：

對每年的降水量按照公式（1）進行逐年訂正，即可得到分析時段上模擬的降水量的訂正值。按照公式（1）對分析空間場中每個格點的降水量進行訂正，即可得到分析空間場上各格點的訂正序列PR。

為了便于預(yù)估與觀測結(jié)果比較，本文采用雙線性插值法將不同分辨率的模式資料插值到水平分辨率為0.25°×0.25°的格點上。多模式集合平均可以有效降低單個模式模擬的不確定性，故本文采用等權(quán)重算術(shù)平均法對不同模式模擬結(jié)果進行集合，在集合平均前，先對各模式預(yù)估結(jié)果訂正。

為了分析黃河流域降水的周期特征，本文利用Morlet小波分析法，對黃河流域降水進行周期分解，得到主要的振蕩周期，并對結(jié)果進行顯著性檢驗。

為了分析黃河流域降水量的時空變化特征，本文對1961—2017 年的黃河流域全年和4 個季節(jié)的降水進行經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分解。

氣候系統(tǒng)受到不同時間尺度的外界周期或非周期性的強迫作用，因此，降水變化是不同時間尺度的各種過程疊加的結(jié)果［33］。降水預(yù)估的基本思想是，為了分辨降水中的外部強迫和內(nèi)部變率，筆者近似地認為，降水P(N)是由外部強迫項Pˉ( )N和內(nèi)部變率項P′(N)組成。外部強迫項用線性趨勢表示，在原始序列P(N)減去線性趨勢，為降水內(nèi)部變率項P′(N)［33］，即：

式中：b0表示擬合函數(shù)的截距；b表示函數(shù)的斜率；N為年份；P為降水。

首先計算出黃河流域內(nèi)各地區(qū)降水的外部強迫項Pˉ，并從原降水中分離出內(nèi)部變率項P′，然后利用線性擬合得到外部強迫項的降水變化，并利用周期分析得到的主要周期進行疊加外推得到內(nèi)部變率項的降水變化。最后，結(jié)合外部強迫和內(nèi)部變率引起的降水變化，可得到黃河流域未來的降水變化。

2 黃河流域過去近60 a 的降水變化特征

2.1 黃河流域降水的年變化特征

為了分析黃河流域不同地區(qū)降水的年內(nèi)變化特征，圖2給出了黃河流域降水的逐月變化。由圖2可見，黃河源區(qū)、河套地區(qū)和黃河下游地區(qū)的月降水存在明顯年內(nèi)變化，夏季（6 月、7 月和8 月）是黃河流域全年降水的主要貢獻時段。黃河源區(qū)和黃河下游地區(qū)的最大降水月份是7 月，而河套地區(qū)降水在8月達到峰值。黃河源區(qū)和河套地區(qū)的月降水最大值在80 mm以上（占全年的22%～23%），下游地區(qū)最大值可達175 mm 以上（占全年的27.6%）。冬季（12月、1月和2月）則是黃河流域降水量最小的3個月，月降水不足10 mm。對比不同地區(qū)月降水量的年際變化，黃河流域各地區(qū)降水的標準差均在7—8月最大，即降水最大的月份其年際變率也最大。各個月的降水年際變率在黃河源區(qū)最?。?～21 mm·a-1），河套地區(qū)次之（2～30 mm·a-1），黃河下游地區(qū)最大（7～55 mm·a-1），即黃河源區(qū)的降水變化相對穩(wěn)定，而黃河下游地區(qū)的降水變化不穩(wěn)定。

圖2 黃河流域不同地區(qū)近60 a（1961—2018年）的逐月降水量及其標準差Fig.2 Monthly rainfall and standard deviation in the different regions of Yellow River Basin for the last 60 years(1961-2018)

2.2 過去近60 a黃河流域降水時空變化特征

為了分析黃河流域降水量的時空變化特征，對1961—2017 年黃河流域年和各季節(jié)降水進行了EOF分解。表2給出了EOF分解結(jié)果前3個模態(tài)的方差貢獻率，結(jié)果顯示，年和各季節(jié)降水量的第一模態(tài)方差貢獻均為24.96%以上。其中冬半年（春、冬季）的降水收斂性最好，尤其冬季達到了69%，反映出黃河全流域處于冬季風(fēng)控制之下，降水變化基本一致；而夏季的收斂性最差，反映出黃河流域的降水雖然主要發(fā)生在夏季，但是，降水的空間差異大，影響上中下游降水的天氣系統(tǒng)不同。本文研究的是在流域尺度上的降水變化，而第一模態(tài)反映的是流域尺度上降水的總體分布特征，故只對第一模態(tài)進行分析。

表2 1961—2016年黃河流域年和各季節(jié)降水量EOF分解前3個模態(tài)的方差貢獻率Tab.2 Variance contribution of the first 3 modes of the EOF decomposition for annual and seasonal precipitation in the Yellow River Basin from 1961 to 2016

圖3給出了黃河流域年和各季節(jié)降水量EOF分解的第一模態(tài)載荷向量（Loading Vector-LV）的空間分布。可以看出，黃河流域年降水(圖3a)在整個流域上有較好的一致性，河套地區(qū)和黃河源區(qū)及下游的降水存在相反的變化，既反映出下游地區(qū)和河套地區(qū)受季風(fēng)影響的差別，也反映出高原高寒地區(qū)和下游半濕潤區(qū)之間存在著聯(lián)系。春季黃河流域降水（圖3b）的第一模態(tài)占總方差的45.17%，河套地區(qū)和黃河下游地區(qū)的降水具有相同的變化，反映出這2個區(qū)域的降水在春季的支配氣候系統(tǒng)應(yīng)該是相同的。夏季降水的第一模態(tài)占總方差的21.47%，特征向量（圖3c）的大值中心在河套地區(qū)（LV＜-0.4），表明河套地區(qū)夏季降水的年際變率在黃河流域中最大，是降水較不穩(wěn)定的地區(qū)，干旱少雨是主要特征，也是降水量對流域水量補給最少的地區(qū)。秋季降水的第一模態(tài)占總方差的36.78%，大值中心（圖3d）在流域內(nèi)的河南段（LV＞0.6），反映了黃河河南段的秋季降水變率較大，降水年際變率不穩(wěn)定，這和夏季風(fēng)南撤的時間有關(guān)。冬季降水的第一模態(tài)占總方差的69.13%，也是黃河流域四季降水中收斂性最好的季節(jié)，空間變化特征（圖3e）與春季相似，反映出黃河全流域處于冬季風(fēng)控制之下。綜上所述，黃河流域年降水量的變率受季節(jié)降水的調(diào)制，夏季的降水多而呈現(xiàn)出強烈的區(qū)域性，而冬季降水少且全流域變化差異較小。

圖3 1961—2017年黃河流域年和各季節(jié)降水經(jīng)驗正交分解的第一特征向量場Fig.3 First eigenvector fields of annual and seasonal precipitation in the Yellow River Basin from 1961 to 2017

為了進一步明確黃河流域降水在過去60 a的變化特征，圖4 給出了載荷向量絕對值大值區(qū)內(nèi)（|LV|＞0.4）的降水年際變化。從圖中可以看出，過去60 a黃河流域全年降水量在降水不穩(wěn)定地區(qū)呈增長趨勢，增速為6.73 mm·(10a)-1，冬、春季降水在年際變率較大的地區(qū)也是增長趨勢，其中冬季是顯著增加的，而夏、秋季則呈現(xiàn)減少趨勢，減少速率為1.92～2.51 mm·(10a)-1。綜上所述，1961—2017 年以來，黃河流域冬半年降水在年際變率大值區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢，夏半年降水呈減少趨勢。即，黃河流域受夏季風(fēng)影響的區(qū)域內(nèi)降水減少，受冬季風(fēng)影響的區(qū)域內(nèi)降水增加。

圖4 載荷向量（LV）絕對值大值區(qū)內(nèi)（|LV|>0.4）的降水（距平）年際變化Fig.4 Interannual variation of precipitation within the region of larger absolute values of the load vector(|LV|>0.4)

2.3 黃河流域降水的周期性

為了分析黃河源區(qū)降水變化的周期特征，圖5給出1961—2016 年黃河源區(qū)降水量的小波分析結(jié)果，可以看出，黃河源區(qū)年降水在1961—2016 年期間，主要存在2～4 a 的顯著振蕩周期；在20 世紀90年代表現(xiàn)為4～6 a的振蕩周期；1961—2000年間，年降水的準14 a 振蕩周期盡管不顯著，但一直穩(wěn)定存在，說明了黃河源區(qū)的年降水存在相對穩(wěn)定的年代際變化信號。

圖5 黃河源區(qū)的小波系數(shù)Fig.5 Wavelet coefficients for the Yellow River source area

黃河源區(qū)的春季降水在20世紀60年代有2～5 a的顯著振蕩周期；1994—2004 年存在著3～6 a 的振蕩周期，具有明顯的年際變化的特征。夏季降水是年降水的主要貢獻時段，自1961年以來一直存在著2～5 a的顯著振蕩周期。秋季降水量僅次于夏季，其小波振幅與夏季相似，過去近60 a內(nèi)具有2～5 a的顯著振蕩周期，此外，1961—1995年間還存在準8 a的振蕩周期，尤其在20 世紀70 年代和80 年代初較為顯著。冬季降水在20世紀以后出現(xiàn)了3～5 a的顯著振蕩周期。黃河源區(qū)的夏、秋兩季的降水量占年降水量的75%以上［9］，且2個季節(jié)振蕩周期相近，這意味著年降水周期變化主要由夏、秋兩季的降水主導(dǎo)。

對比黃河流域各區(qū)段降水的振蕩周期（表3），可以看出，1961—2016 年間，河套地區(qū)和下游地區(qū)降水的主要振蕩周期特征均表現(xiàn)為，年降水和夏、秋季降水都存在2～4 a的振蕩周期，冬、春季的降水周期性并不穩(wěn)定存在。周期的顯著性和EOF 的分析結(jié)果基本一致，夏、秋季降水的振蕩周期決定著年降水周期的變化。另外，上述給出的是去除線性趨勢后的小波分析結(jié)果，對比未去除線性趨勢的結(jié)果（圖略），兩者基本一致，說明了全球變暖對黃河流域降水的振蕩周期產(chǎn)生的影響不大。

表3 1961—2016年黃河流域降水變化的主要周期特征Tab.3 Main characteristics of oscillation period in precipitation variation in the Yellow River Basin from 1961 to 2016

黃河流域降水的周期性研究由于分析區(qū)域和時段的不同，結(jié)論存在著一些差異。根據(jù)1951—1999年的西北地區(qū)降水資料分析表明，西北地區(qū)降水量普遍存在3 a左右的周期，以及相對較穩(wěn)定但不太顯著的10 a 左右的周期［34］，而對整個黃河流域1956—2000年的降水分析認為有準3 a、11 a和22 a左右的周期［17］；1961—2000年黃河流域年降水和各季節(jié)降水的分析認為，黃河流域年降水和各季節(jié)降水存在著4～6 a以及8～12 a的周期特征［15］。黃河流域1959—2017年站點的資料分析認為，黃河流域的站點普遍存在著2～4 a的顯著短周期［18］。盡管不同時段、資料類型的研究結(jié)果稍有不同，但和本文得出的黃河流域年和各季節(jié)降水的2～4 a的顯著周期基本一致。此外，本文的結(jié)果還顯示，黃河流域還存在6 a、8 a 顯著振蕩周期以及相對穩(wěn)定的12 a、14～15 a振蕩周期。因此，筆者可以利用其周期性進行外推預(yù)報。

3 黃河流域未來30 a降水變化的時空變化特征的預(yù)估

通過對黃河流域降水的基本特征和周期性的分析，得出了黃河流域年和各季節(jié)降水具有顯著短周期以及相對穩(wěn)定的中長周期。基于周期分析得到的主要周期，利用公式（2）～（4）并結(jié)合CMIP6 模式的預(yù)估結(jié)果，給出了黃河流域未來的降水變化。

圖6 給出了黃河源區(qū)降水變化的趨勢過去近60 a（1961—2017年）和未來30 a（2018—2047年）黃河流域降水的變化趨勢，可以看出，在過去近60 a，黃河源區(qū)年降水呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢，增速為20.96 mm·（10a）-1，4個季節(jié)的降水均表現(xiàn)為增加趨勢，其中，春季增速最大，為10.16 mm·(10a)-1，冬季增速最小?；谥芷诏B加外推方法，預(yù)估未來30 a黃河源區(qū)的年降水將繼續(xù)呈增加趨勢，但年降水的增長速率較過去有所減緩。各季節(jié)未來的降水趨勢都為增加，相較于過去近60 a的變化，增速明顯減小，春季降水的增速減緩幅度最大，由過去的10.16 mm·（10a）-1降至5.94 mm·(10a)-1。對比不同季節(jié)降水在未來30 a的變化趨勢，春季降水的增速依然最大，而冬季降水增速最小，為1.73 mm·(10a)-1。氣候模式的預(yù)估結(jié)果表明，黃河源區(qū)全年和各季節(jié)的未來降水都呈現(xiàn)增長趨勢，年降水增速相較于過去60 a減緩明顯；對比不同季節(jié)降水的變化趨勢，夏季降水的增速最大，為4.14 mm·(10a)-1，這與統(tǒng)計方法得到的結(jié)論存在差異，而冬季降水增長趨勢相對平緩。對比2 種方法對未來的預(yù)估，結(jié)果顯示，未來30 a黃河源區(qū)的年降水增加，但增速不同；統(tǒng)計方法和模式對黃河流域春、夏季降水變化趨勢預(yù)估上存在一定差異。

圖6 1961—2047年黃河源區(qū)降水的演變Fig.6 Evolution of precipitation in the Yellow River source area from 1961 to 2047

黃河流域河套地區(qū)和下游地區(qū)降水的變化特征如圖7a～圖7j，可以看出，過去近60 a，河套地區(qū)年降水呈現(xiàn)增長趨勢。除了夏季，河套地區(qū)其他季節(jié)都呈現(xiàn)增加趨勢，其中冬季降水的增加趨勢最為顯著，增速可達2.16 mm·(10a)-1，這與EOF分析的結(jié)果一致。周期疊加外推的結(jié)果也顯示，未來30 a河套地區(qū)的年降水也會增加，但增長趨勢較為平緩，為0.52 mm·(10a)-1，這主要是由于春季和夏季降水的增速減小所導(dǎo)致。對比統(tǒng)計預(yù)估的結(jié)果，模式預(yù)估河套地區(qū)未來的年降水仍呈增加趨勢，但增速遠大于統(tǒng)計結(jié)果，兩者相差13.92 mm·(10a)-1。通過對比分析統(tǒng)計方法和氣候模式對各季節(jié)降水的預(yù)估結(jié)果，表明2 種方法對夏季降水變化速率的預(yù)測存在較大的差異，統(tǒng)計結(jié)果顯示未來夏季降水以5.6 mm·(10a)-1的速率減少，而模式結(jié)果以7.01 mm·(10a)-1的速率增加。黃河流域下游地區(qū)過去60 a的年降水呈減少趨勢，夏季和秋季降水也呈減少趨勢，而春季和冬季的降水為增加趨勢。氣候模式預(yù)估未來黃河流域下游地區(qū)年降水呈增加趨勢，增速為21.28 mm·(10a)-1，而統(tǒng)計預(yù)估為5.46 mm·(10a)-1速率的減少趨勢，二者預(yù)估結(jié)果相反，這與河套地區(qū)類似的是，2 種方法也在夏季降水預(yù)估上存在著很大的差異。綜上，對未來黃河流域中、下游夏季降水的預(yù)測具有較大的不確定性。

圖7 1961—2047年黃河流域中下游地區(qū)降水的演變Fig.7 Evolution of precipitation in the middle and lower reaches of the Yellow River Basin from 1961 to 2047

圖8a～圖8e給出了預(yù)估的未來降水相對于氣候態(tài)（1981—2010 年）的差值，由圖可見，黃河源區(qū)的年和各季節(jié)降水量均增加，主要變化區(qū)位于青海東部地區(qū)，其中春季降水變化空間分布與年降水相似，且增加最為明顯。河套地區(qū)未來年降水量以增加為主，其中陜西北部地區(qū)增加最大，其余地區(qū)降水增幅較小，春季和冬季的降水變化量不大，夏、秋兩季的降水變化量大值區(qū)與年降水變化大值區(qū)相似。黃河下游未來年降水變化量的空間分布差異較大，商丘和濟南一帶增加明顯，其余地區(qū)降水量大多減少，夏季的空間分布特征與年降水分布接近。因此，黃河源區(qū)未來年降水變化是由春季降水主導(dǎo)，而河套地區(qū)未來年降水變化主要受夏、秋季降水的影響，黃河下游地區(qū)未來年降水變化則主要是夏季降水的變化主導(dǎo)；整個流域的未來冬季降水都是增加的。

氣候模式的預(yù)估結(jié)果（圖8f～圖8i）表明，黃河流域未來年降水量在全流域增加，其中下游地區(qū)降水增加最為明顯。在春季，流域北部降水相較南部增加更多，尤其在山東省一帶降水增加最多；在夏季，黃河流域的降水從瑪曲向東北延展至整個陜西均減少，河套地區(qū)降水量均偏少，但黃河下游地區(qū)以山東丘陵為分界線，北側(cè)降水量增多，而南側(cè)降水量減少；在秋季，河套平原和黃土高原降水量有所增加，其余區(qū)域降水變化量較小；在冬季，整個流域內(nèi)的降水量變化不明顯。

圖8 黃河流域未來30 a(2018—2047年)的降水變化（相對于1981—2010年氣候態(tài)）的空間分布Fig.8 Spatial distribution of precipitation changes(comparing to 1981-2010 climatology)in the Yellow River Basin for the next 30 years(2018-2047)

綜合模式預(yù)估和統(tǒng)計預(yù)測的結(jié)果均表明，黃河源區(qū)未來年降水量增加，但是統(tǒng)計預(yù)測的降水量明顯大于模式在SSP245情景下預(yù)估的降水增量。2種方法對河套地未來年降水量預(yù)估的差異不大，但空間分布存在差異。2種方法對黃河下游未來降水的預(yù)估存在較大差異，統(tǒng)計預(yù)估的未來降水量在下游大部分地區(qū)減少，而模式預(yù)估降水變化相反，且除冬季外，兩者方法預(yù)估的下游地區(qū)其余季節(jié)的未來降水變化量也存在明顯不同。綜上，黃河流域未來年降水的變化存在空間差異性，黃河源區(qū)、河套地區(qū)未來的年降水以增加為主，黃河下游地區(qū)未來的年降水在山東、河南省內(nèi)的濟南、商丘一帶增加，其余地區(qū)未來降水的變化存在較大不確定性，需進一步探討。

4 結(jié)論

本文基于1961—2018 年的觀測資料和2018—2047 年的CMIP6 模擬預(yù)估結(jié)果，分析了過去近60 a與未來30 a的黃河流域降水的時空變化特征，得出以下結(jié)論：

（1）我國黃河流域降水存在多時間尺度的變化，整個流域年和季節(jié)降水有明顯的年內(nèi)、年際和年代際變化，年和各季節(jié)降水均有2～4 a 顯著周期。黃河源區(qū)的降水變化相對穩(wěn)定，黃河下游地區(qū)降水變率較大。在空間分布上，過去近60 a，黃河流域年和各季節(jié)降水的年際變化在整個流域內(nèi)基本是同位相的，但年際變化的大值中心不同。黃河流域年降水量的變率受季節(jié)降水的調(diào)制，夏季的降水多而呈現(xiàn)出強烈的區(qū)域性，而冬季降水少且全流域變化差異較小。黃河流域受夏季風(fēng)影響的區(qū)域內(nèi)的降水減少，而受冬季風(fēng)影響的區(qū)域內(nèi)的降水增加。

（2）過去近60 a，黃河源區(qū)年降水以20.96 mm·(10a)-1增加，河套地區(qū)的年降水持續(xù)增加，增速為2.71 mm·(10a)-1；黃河下游地區(qū)過去的年降水呈現(xiàn)減少趨勢，速率為1.53 mm·(10a)-1。動力和統(tǒng)計結(jié)合的預(yù)估結(jié)果表明，在未來30 a（2018—2047年），黃河源區(qū)年降水呈現(xiàn)11.53～17.62 mm·(10a)-1增加趨勢，河套地區(qū)的未來年降水也將增加，但增長趨勢較為平緩，約為0.52 mm·(10a)-1；黃河下游地區(qū)未來年降水仍會減少，速率約為5.46 mm·(10a)-1。

已有的研究表明，CMIP6 對黃河流域降水模擬的偏差較大［25,27-28］，因此，采用動力和統(tǒng)計結(jié)合的預(yù)估則可顯著降低其不確定性。本研究在揭示黃河流域降水過去近60 a 的變化特征的基礎(chǔ)上，提出了一種動力統(tǒng)計結(jié)合的預(yù)估方法，可以有效降低不確定性。本文揭示出的黃河流域降水的特征，盡管在區(qū)域劃分上和以往的研究［13-14］有一些差別，但結(jié)論仍基本一致。未來的預(yù)測結(jié)論相較于已有利用CMIP5的研究［21,23-24,35］仍會存在一些差異。由于本文使用的是在參數(shù)化方案、模式分辨率等方面有較大的改進和提高的CMIP6 結(jié)果，且結(jié)合了統(tǒng)計方法，因此，本文給出的預(yù)估結(jié)果在未來黃河流域降水未來的變化相對更為合理。