安 彬， 肖薇薇， 朱 妮， 劉宇峰

（1.安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院/陜西省院士專家工作站，陜西 安康 725000；2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 安康 725000；3.咸陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

IPCC 歷次評(píng)估報(bào)告均代表當(dāng)時(shí)人類(lèi)對(duì)氣候變化的最新認(rèn)知水平，是國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)的主要科學(xué)依據(jù)［1］。2021 年8 月9 日，IPCC 第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告發(fā)布并指出：相較工業(yè)化前水平（1850—1900年），2010—2019年人類(lèi)活動(dòng)引起的全球平均表面溫度約升高了1.07 ℃［2］。更多證據(jù)毋庸置疑地表明受人類(lèi)活動(dòng)影響已經(jīng)使得全球大氣、海洋和陸地變暖加劇，直接導(dǎo)致極端高溫、持續(xù)性極端降水和極端干旱等典型極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度急劇增加［3-5］，全球水資源可能呈現(xiàn)“干更干、濕更濕”的變化范式［6］，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3,7］。2021年7月18日08:00—22日08:00（北京時(shí)間），受黃淮低渦外圍東風(fēng)急流影響，鄭州出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的極端暴雨天氣，累積降水量為817.3 mm，24 h（20 日04:00—21 日04:00）降水量最大值為645.6 mm，降水的過(guò)度集中造成嚴(yán)重山體滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇及人員傷亡［8］。因此，在全球氣候變化背景下，分析降水集中特性時(shí)空規(guī)律及成因等十分重要［9-10］。降水集中特性是降水量、降水持續(xù)時(shí)間和降水過(guò)程的綜合反映［11］。目前，學(xué)界通常采用Zhang 等［12-13］定義的降水集中度（Precipitation Concentration Degree,PCD）和降水集中期（Precipitation Concentration Period,PCP）、Martin［14］基于日尺度降水?dāng)?shù)據(jù)定義的降水集中度指數(shù)（Concentration Index,CI）、Oliver［15］和Michiels等［16］基于月尺度降水?dāng)?shù)據(jù)定義的降水集中指數(shù)（Precipitation Concentration Index,PCI）、王睆等［17］定義的降水集中程度（Q）等來(lái)分析降水集中特性。其中，PCD和PCP可同時(shí)量化降水的集中程度和集中時(shí)段［12-13］，該方法在相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用［10,18-20］。

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，造成該地區(qū)生態(tài)環(huán)境高度脆弱、水土流失嚴(yán)重，與其特殊的土壤結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境、降水集中且暴雨多等因素有關(guān)［21］。我國(guó)學(xué)者對(duì)黃土高原降水時(shí)空變化特征［22-23］、極端降水［24］、不同等級(jí)降水日數(shù)和強(qiáng)度［25］等方面做了較多研究，但對(duì)該地區(qū)年內(nèi)降水分配特征的報(bào)道相對(duì)較少。劉憲鋒等［26］利用1959—2008 年逐日降水資料研究了黃土高原的降水集中度和集中期時(shí)空變化及其趨勢(shì)特征。自1999 年開(kāi)始實(shí)施退耕還林（草）工程以來(lái)，黃土高原地表植被覆蓋狀況明顯改善，且降水量增加［27］，有效緩解了區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕，但對(duì)黃土高原地區(qū)的降水集中度和集中期有何影響？鑒于此，本文利用1960—2019年逐日降水資料測(cè)算黃土高原地區(qū)PCD和PCP，并結(jié)合趨勢(shì)分析、空間插值、相關(guān)分析等方法分析該地區(qū)降水不均勻時(shí)空變化特征，為全面正確認(rèn)識(shí)黃土高原地區(qū)年內(nèi)降水變化規(guī)律，合理利用水資源等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1960—2019 年黃土高原地區(qū)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），依據(jù)氣象站點(diǎn)年內(nèi)缺失數(shù)據(jù)低于2%、觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)、無(wú)搬遷等原則，最終確定了55個(gè)代表性氣象站點(diǎn)（圖1）。所有站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)采用RHtest 方法進(jìn)行質(zhì)量檢查［28］。參考相關(guān)研究成果，將黃土高原劃分為4 個(gè)生態(tài)分區(qū)：高塬溝壑區(qū)（A）、丘陵溝壑區(qū)（B）、沙地農(nóng)灌區(qū)（C）和土石河谷區(qū)（D），其數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心—黃土高原分中心（http://loess.geodata.cn）。

圖1 黃土高原生態(tài)分區(qū)及氣象站分布Fig.1 Ecological division and distribution of meteorological stations on the Loess Plateau

1.2 研究方法

降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）的計(jì)算原理參照文獻(xiàn)［12-13］，把各站年內(nèi)逐日降水量的數(shù)值看作向量的長(zhǎng)度，而對(duì)應(yīng)的日期則作為向量的方向，以此表征區(qū)域單站降水量年內(nèi)非均勻分配特征，其計(jì)算公式為：

式中：j為年內(nèi)逐日對(duì)應(yīng)的日序數(shù)（j=1,2,3,…,365或366）；i為年份（i=1960, 1961, 1962, …, 2019）；rij表示日降水量（mm）；Ri表示第i年降水總量（mm）；θj為年內(nèi)逐日對(duì)應(yīng)的方位角。

根據(jù)公式（1）和（2）可知，PCD反映了年降水量在年內(nèi)的集中程度，取值介于0～1之間；當(dāng)PCD趨近于0時(shí)，表明年降水量分布越均勻，即降水在年內(nèi)每天接近于平均分配；當(dāng)PCD趨近于1時(shí)，則表明年降水量越集中于年內(nèi)某一日，即該日降水量為年內(nèi)最大的一天。PCP反映年最大降水量出現(xiàn)的時(shí)間，可將其轉(zhuǎn)換為年內(nèi)的日序數(shù)［12-13］。

黃土高原各站年降水量、PCD和PCP的長(zhǎng)期趨勢(shì)采用線性擬合計(jì)算［29］，其顯著性采用F檢驗(yàn)，分為極顯著（P＜0.01）、顯著（P＜0.05）、不顯著（P＞0.05）；空間插值利用ArcGIS軟件反距離權(quán)重插值法完成［30］，PCD、PCP與降水量的Pearson 相關(guān)系數(shù)則在SPSS 26 完成計(jì)算，其顯著性分為極顯著（α＜0.01）、顯著（α＜0.05）、不顯著（α＞0.05）。

將1960—2019 年、1999 年前（1960—1999 年）和1999年后（2000—2019年）分別記為T(mén)時(shí)段、T1時(shí)段和T2時(shí)段，計(jì)算各個(gè)時(shí)段的降水量、PCD和PCP的平均值及趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)比分析黃土高原退耕還林（草）工程前后變化差異特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原基本氣候環(huán)境特征

由表1 可知，1960—2019 年黃土高原平均降水量為422.76 mm，以-0.148 mm·a-1的速率呈減少趨勢(shì)，略低于降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的減少幅度（1961—2017 年）［23］；全區(qū)年代際降水呈“V”型曲線變化，在1990s 發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。因地理位置及水汽來(lái)源不同，黃土高原各生態(tài)區(qū)降水變化特征各異。從年均降水量來(lái)看，近60 a各生態(tài)區(qū)降水量由高到低為：土石河谷區(qū)、丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和沙地農(nóng)灌區(qū)，分別為529.46 mm、456.86 mm、417.84 mm和302.93 mm。從變化趨勢(shì)來(lái)看，除土石河谷區(qū)年均降水量呈減少趨勢(shì)外，其余生態(tài)區(qū)降水均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中以丘陵溝壑區(qū)增加最為明顯（0.186 mm·a-1）。黃土高原各生態(tài)區(qū)降水年代際均表現(xiàn)出“先下降后上升”的變化特征，其中高塬溝壑區(qū)和沙地農(nóng)灌區(qū)的降水年代際最低值出現(xiàn)在1980s，丘陵溝壑區(qū)和土石河谷區(qū)則出現(xiàn)在1990s；除土石河谷區(qū)年代際最高值出現(xiàn)在1960s外，其余3區(qū)均出現(xiàn)在2010s。2000—2019 年相比1960—1999 年，除黃土高原土石河谷區(qū)外，黃土高原全區(qū)、高塬溝壑區(qū)、丘陵溝壑區(qū)及沙地農(nóng)灌區(qū)的年均降水量均有所增加，表明植被建設(shè)對(duì)黃土高原年降水量的增加具有積極作用［27］。其中，丘陵溝壑區(qū)的年均降水增加最為明顯，達(dá)21.67 mm。1960—1999年黃土高原全區(qū)及各生態(tài)區(qū)降水量均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而2000—2019年期間降水量則全部轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)。

表1 退耕還林（草）前后黃土高原降水量變化Tab.1 Changes of precipitation on the Loess Plateau before and after returning farmland to forest

整體上，黃土高原地區(qū)年均降水量空間上表現(xiàn)出自東南向西北遞減規(guī)律（圖2a）。具體來(lái)看，黃土高原土石河谷區(qū)中南部汾渭平原、高塬溝壑區(qū)東南部以及丘陵溝壑區(qū)偏南地區(qū)的降水量均高于500 mm，呼和浩特至同仁一線東南地區(qū)的降水量在400～500 mm 之間，300～400 mm 降水集中分布在高塬溝壑區(qū)西北至沙地農(nóng)灌區(qū)中東部的狹長(zhǎng)地帶，沙地農(nóng)灌區(qū)中西部、高塬溝壑區(qū)中部偏北地區(qū)的降水量大概在200～300 mm 之間，惠農(nóng)、銀川等極少部分年均降水量低于200 mm。從黃土高原降水量變異系數(shù)的空間分布上來(lái)看，整體上表現(xiàn)出南低北高特征，接近緯向地帶性分布規(guī)律（圖2b）。其中，高塬溝壑區(qū)西部南北兩側(cè)的降水量變異系數(shù)最低，說(shuō)明其降水變化最為穩(wěn)定；沙地農(nóng)灌區(qū)偏西北地區(qū)降水量變化最不穩(wěn)定，其變異系數(shù)在0.32以上。綜合來(lái)看，1960—2019 年黃土高原南部降水多且穩(wěn)定，而西北地區(qū)降水少且不穩(wěn)定。

圖2 黃土高原1960—2019年降水量（a）及其變異系數(shù)（b）、退耕還林（草）前后降水量（c）及其變化趨勢(shì)（d）空間分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation(a)and its variation coefficient(b)during 1960-2019,precipitation(c)and its variation trend(d)on the Loess Plateau before and after the project of returning farmland to forest(grassland)

2000—2019年相比1960—1999年，黃土高原降水量自東向西呈“偏少-偏多”相間分布規(guī)律（圖2c）。其中丘陵溝壑區(qū)橫山、離石及高塬溝壑區(qū)西寧等年均降水量增加最多；土石河谷區(qū)中部和東南部年均降水量減少最多，與該區(qū)處于亞洲季風(fēng)與中緯度西風(fēng)相互角力之地有關(guān)［31］。退耕還林（草）后，黃土高原降水量變化趨勢(shì)一致偏多，其偏多程度自東南向西北呈“低-高-低”相間分布規(guī)律（圖2d）。丘陵溝壑區(qū)內(nèi)橫山至綏德一帶降水變化趨勢(shì)偏多程度最高，達(dá)到12 mm·a-1以上；此外，黃土高原高塬溝壑區(qū)中南部形成了降水變化趨勢(shì)次級(jí)偏多中心，其偏多程度介于8～12 mm·a-1。

2.2 黃土高原PCD和PCP時(shí)空特征

2.2.1PCD和PCP的時(shí)間變化 1960—2019 年黃土高原地區(qū)年均PCD大致在0.401～0.761之間波動(dòng)，多年平均值為0.595，明顯高于全國(guó)（1951—2012年）平均水平（0.15～0.25）［10］，說(shuō)明黃土高原年內(nèi)降水分配較為集中（圖3a），其年際變化呈倒“V”型曲線，并在1980s發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折?？傮w上，近60 a黃土高原PCD以0.0014·（10a）-1的幅度呈不顯著下降趨勢(shì)（P＞0.05），與全國(guó)的趨勢(shì)變化一致［10］，說(shuō)明黃土高原年內(nèi)降水集中程度逐漸減弱，年內(nèi)日降水分布趨于均勻，但其變化幅度有限。從各生態(tài)區(qū)看（表2），1960—2019 年P(guān)CD由高到低排序?yàn)椋荷车剞r(nóng)灌區(qū)、丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和土石河谷區(qū)，分別為0.652、0.631、0.606 和0.563。此外，高塬溝壑區(qū)、丘陵溝壑區(qū)和沙地農(nóng)灌區(qū)PCD的年際變化特征同黃土高原全區(qū)一致，均呈倒“V”型曲線變化，但發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折的年代略有差異；土石河谷區(qū)PCD的年際變化特征呈倒“S”型曲線。各生態(tài)區(qū)PCD均呈下降趨勢(shì)，丘陵溝壑區(qū)降幅最大［0.0053·（10a）-1］，其次是沙地農(nóng)灌區(qū)［0.0031·（10a）-1］、土石河谷區(qū)［0.0015·（10a）-1］，高塬溝壑區(qū)最小［0.0001·（10a）-1］。1999年之前黃土高原年均PCD為0.599，其波動(dòng)程度較??；而1999 年之后則變?yōu)?.588，但其波動(dòng)較大，表明黃土高原退耕還林后（草）PCD有所減弱。PCD由退耕還林（草）前的上升趨勢(shì)［0.0056·（10a）-1］轉(zhuǎn)為退耕還林（草）后的下降趨勢(shì)［-0.0144·（10a）-1］，且變化趨勢(shì)均未通過(guò)0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。實(shí)施退耕還林（草）之后與之前相比，除土石河谷區(qū)PCD皆呈下降趨勢(shì)外，其余3 個(gè)區(qū)則均與黃土高原全區(qū)變化特征一致，趨勢(shì)降幅由高到低排序?yàn)椋荷车剞r(nóng)灌區(qū)［0.0366·（10a）-1］＞高塬溝壑區(qū)［0.0291·（10a）-1］＞土 石河 谷 區(qū)［0.0155·（10a）-1］＞丘 陵溝 壑 區(qū)［0.0031·（10a）-1］。

圖3 1960—2019年黃土高原降水集中度（a）和集中期（b）時(shí)間變化Fig.3 Temporal variation of PCD(a)and PCP(b)on the Loess Plateau during 1960-2019

表2 退耕還林（草）前后黃土高原降水集中度變化Tab.2 Changes of PCD on the Loess Plateau before and after returning farmland to forest(grassland)

近60 a 來(lái)，黃土高原多年P(guān)CP為207.22 d，在194（7 月12 日）～216 d（8 月3 日）之間波動(dòng)變化，說(shuō)明黃土高原年內(nèi)日最大降水量集中出現(xiàn)在7月中旬至8 月初（圖3b），其年際呈“V”型曲線變化，在1990s 發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。對(duì)黃土高原近60 a 年內(nèi)月平均降水量的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，7月平均降水量最多，占全年總降水量的21.71%，其次是8月，為21.19%，與PCP年內(nèi)分布特征一致?？傮w上，黃土高原PCP以-0.1114 d·（10a）-1速率呈下降趨勢(shì)（P＞0.05），表明黃土高原年內(nèi)最大降水日期逐漸提前。從各生態(tài)區(qū)看（表3），年均PCP由早到晚為：高塬溝壑區(qū)、土石河谷區(qū)、丘陵溝壑區(qū)和沙地農(nóng)灌區(qū)，分別為206.24 d、207.51 d、207.52 d和207.81 d。此外，高塬溝壑區(qū)和土石河谷區(qū)PCP的年際變化特征同黃土高原全區(qū)一致，均呈“V”型曲線變化，且均在1990s發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折；而丘陵溝壑區(qū)和沙地農(nóng)灌區(qū)的年際變化呈倒“S”型曲線。近60 a來(lái)，除丘陵溝壑區(qū)PCP有所推遲外，其他3個(gè)生態(tài)區(qū)均有所提前，其中高塬溝壑區(qū)提前最為明顯［0.168 d·（10a）-1］，其次是土石河谷區(qū)［0.044 d·（10a）-1］，沙地農(nóng)灌區(qū)最?。?.043 d·（10a）-1］。1999年之前黃土高原年均PCP為206.58 d，其波動(dòng)程度較大，而1999 年之后則為208.5 d，波動(dòng)較?。粌呻A段的PCP均呈下降趨勢(shì)，且退耕還林（草）之后下降幅度低于退耕還林（草）之前，表明黃土高原退耕還林（草）后PCP有所推遲。實(shí)施退耕還林（草）之后與之前相比，除土石河谷區(qū)PCP下降幅度增大外，其余3 區(qū)均與黃土高原全區(qū)變化特征一致，趨勢(shì)降幅排序?yàn)椋荷车剞r(nóng)灌區(qū)［1.497 d·（10a）-1］＞高塬溝壑區(qū)［0.792 d·（10a）-1］＞丘陵溝壑區(qū)［0.753 d·（10a）-1］。

表3 退耕還林（草）前后黃土高原降水集中期變化Tab.3 Changes of PCP on the Loess Plateau before and after returning farmland to forest(grassland)

2.2.2PCD和PCP的空間變化 1960—2019 年黃土高原各站年均PCD在0.485～0.692，表明黃土高原年內(nèi)降水集中程度比較高（圖4a）。整體上，黃土高原地區(qū)年均PCD呈現(xiàn)出自東南向西北逐漸遞減的空間特征，緯向地帶性規(guī)律明顯，說(shuō)明黃土高原年內(nèi)降水由西北向東南越來(lái)越均勻，即隨著降水量的增加，年內(nèi)PCD越低，與劉憲鋒等［26］研究結(jié)論基本一致。從圖4b可知，黃土高原地區(qū)年均PCP整體差異不大，在203.72～209.17 d之間（即在7月下旬），空間整體上呈現(xiàn)自東向西逐漸遞減特征。具體來(lái)看，丘陵溝壑區(qū)東南部至沙地農(nóng)灌區(qū)東部一帶的PCP最遲，而高塬溝壑區(qū)西部的門(mén)源至臨洮一帶的PCP最早。圖4c～圖4d 顯示了黃土高原各站PCD和PCP的變化趨勢(shì)，近60 a 來(lái)，黃土高原地區(qū)PCD自東北向西南呈“下降-上升-下降”相間分布規(guī)律；其中有17個(gè)氣象站點(diǎn)的PCD呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)，以高塬溝壑區(qū)西南部的武功站［0.0121·（10a）-1］增幅最為明顯，而降幅最為明顯的氣象站點(diǎn)為丘陵溝壑區(qū)東北部的右玉［-0.0127·（10a）-1］。對(duì)于PCP而言，黃土高原地區(qū)整體上表現(xiàn)出東部推遲、西部提前的態(tài)勢(shì)，其中有24 個(gè)氣象站點(diǎn)的PCP呈逐漸推遲趨勢(shì)，以丘陵溝壑區(qū)西部的吳起站［0.590 d·（10a）-1］推遲最為明顯，而提前最為明顯的氣象站點(diǎn)為高塬溝壑區(qū)中部的華家?guī)X［-0.690 d·（10a）-1］。綜上所述，近60 a 來(lái)黃土高原PCD和PCP變化組合特征在空間上表現(xiàn)不一致，即中部和東部年內(nèi)降水趨于均勻、最大降水日數(shù)推遲，而西部地區(qū)年內(nèi)降水趨于集中、最大降水日數(shù)有所提前。

圖4 黃土高原年均降水集中度（a）和集中期（b）及其變化趨勢(shì)（c、d）空間分布Fig.4 Spatial pattern of average annual PCD(a),PCP(b)and their change trend(c,d)on the Loess Plateau during 1960-2019

為了進(jìn)一步了解退耕還林（草）工程對(duì)黃土高原地區(qū)PCD和PCP的影響，本文分別計(jì)算了黃土高原各氣象站點(diǎn)1999年前后年均PCD、PCP及變化趨勢(shì)，并利用1999年之后減去1999年之前對(duì)應(yīng)值，結(jié)果如圖5所示。2000—2019年相比1960—1999年，黃土高原年均PCD自東北向西南呈“偏低-偏高-偏低”相間分布規(guī)律（圖5a）。PCD偏高的地區(qū)主要集中在高塬溝壑區(qū)東部、沙地農(nóng)灌區(qū)西部及土石河谷區(qū)南部，其中以陜西武功站偏高幅度最為明顯（0.0637）；黃土高原東北部PCD偏低程度最為明顯，偏低幅度超過(guò)了0.0036。黃土高原的年均PCP以偏高為主，偏高幅度呈南多北少、東多西少態(tài)勢(shì)（圖5b）。PCP偏多的地區(qū)主要集中在4 個(gè)生態(tài)區(qū)交界地帶、沙地農(nóng)灌區(qū)西南部，其中以寧夏中衛(wèi)和陜西綏德偏多幅度最為明顯（3.825 d）；而偏少的地區(qū)只有隴東地區(qū)華家?guī)X站（-0.275 d）。黃土高原在實(shí)施退耕還林（草）之后，PCD趨勢(shì)偏高的地區(qū)主要集中在丘陵溝壑區(qū)中東部、土石河谷區(qū)中部（圖5c），偏高幅度最多的地區(qū)超過(guò)了0.027·（10a）-1；而趨勢(shì)偏低的地區(qū)集中分布在高塬溝壑區(qū)、沙地農(nóng)灌區(qū)以及土石河谷區(qū)南部和北部，其中在黃土高原西北部有15 個(gè)站點(diǎn)偏低幅度超過(guò)了0.045·（10a）-1。黃土高原在實(shí)施退耕還林（草）之后，PCP 趨勢(shì)偏高的地區(qū)集中在沙地農(nóng)灌區(qū)、高塬溝壑區(qū)中部和北部、丘陵溝壑區(qū)大部分以及土石河谷區(qū)中北部（圖5d），其中沙地農(nóng)灌區(qū)的東勝和包頭偏高幅度最多，超過(guò)了4.02 d·（10a）-1；而趨勢(shì)偏低的地區(qū)集中在黃土高原東南部，其中偏低幅度最多超過(guò)了2.15 d·（10a）-1。

圖5 退耕還林（草）前后黃土高原降水集中度（a）、集中期（b）及變化趨勢(shì)（c、d）的變化空間分布Fig.5 Spatial pattern of PCD(a),PCP(b)and their change trend(c,d)on the Loess Plateau before and after the project of returning farmland to forest(grassland)

2.3 PCD和PCP與年降水量的相關(guān)分析

由圖6a 可知，除黃土高原西南部貴德氣象站外，其余各氣象站PCD與年降水量皆呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)介于0.046～0.504之間，再次驗(yàn)證了黃土高原地區(qū)年降水量越大，年內(nèi)降水越集中的結(jié)論。其中，在黃土高原東北部廣大地區(qū)的PCD與年降水量的相關(guān)系數(shù)超過(guò)了0.33（α＜0.01），而在黃土高原中部的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.25～0.33（α＜0.05），通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的氣象站點(diǎn)占全區(qū)的63.63%。黃土高原地區(qū)PCP與年降水量的相關(guān)性以正相關(guān)為主，但相關(guān)性較小（圖6b）。值得注意的是，黃土高原西部沿黃河一帶的PCP與年降水量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，其中以銀川氣象站的-0.086 最為明顯。總體而言，黃土高原地區(qū)年降水量與PCD具有較好的正相關(guān)，與PCP的相關(guān)性較差，這與劉憲鋒等［26］研究結(jié)果一致，該特征也在灤河流域［18］有所體現(xiàn)。

圖6 黃土高原降水量與降水集中度（a）和集中期（b）相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial pattern of correlation coefficient between precipitation and PCD(a),PCP(b)on the Loess Plateau

3 討論

黃土高原地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。自1960s 以來(lái)，黃土高原地區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)極為敏感，年均氣溫顯著上升且高于同期全國(guó)升溫幅度，在1995 年出現(xiàn)變暖速率放緩的突變［32］；且極端最高與最低氣溫等極端氣溫指數(shù)均有所增加［33］，地表溫度高于氣溫增速［34］。本文研究發(fā)現(xiàn)，1960—2019 年黃土高原地區(qū)年均降水量呈減少趨勢(shì)，與以往研究所得結(jié)論基本一致［25］；此外，相關(guān)研究表明，黃土高原地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈下降趨勢(shì)［35］。研究期內(nèi)，黃土高原年均PCD偏大但有微小幅度的減弱態(tài)勢(shì)，年內(nèi)降水集中在7 月中旬至8 月初且略有提前，極端降水量及降水日數(shù)均有所增加［35］，使得暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)增加。如2017 年7 月陜北無(wú)定河流域出現(xiàn)特大暴雨，引起老梯田、坡耕地土壤侵蝕，淤地壩和小型水庫(kù)沖毀，多個(gè)水文站洪峰流量創(chuàng)歷史記錄［36］。

自1999 年大規(guī)模實(shí)施“退耕還林（草）”工程建設(shè)以來(lái)，黃土高原植被覆蓋顯著增加［37］，植被蒸騰作用有所增加［38］，致使陸地水儲(chǔ)量減少［39］。退耕還林（草）前，黃土高原地區(qū)處于降水量下降、PCD上升、PCP下降階段，之后轉(zhuǎn)為降水量增加、PCD和PCP均下降階段，表明黃土高原植被恢復(fù)不僅能夠增加局地降水［27］，還影響了該地區(qū)年內(nèi)降水分配，但植被恢復(fù)是否直接影響PCD和PCP的機(jī)制還需進(jìn)一步探討。對(duì)于地處干旱半干旱區(qū)的黃土高原而言，因其地下水埋藏深、地表水量小且難以利用等原因，降水資源成為該區(qū)域植被恢復(fù)最主要的水分來(lái)源［40］。植被覆蓋顯著增加后，降水的增加對(duì)黃土高原地區(qū)的植被恢復(fù)、生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)PCD、PCP與年降水量的相關(guān)系數(shù)均以正相關(guān)為主，說(shuō)明黃土高原地區(qū)年降水量越大，該區(qū)域年內(nèi)降水越集中于某個(gè)時(shí)段內(nèi)，日最大降水量也會(huì)相應(yīng)增大，發(fā)生洪澇災(zāi)害、極端降水的可能性加大。此外，因地理位置及水汽來(lái)源不同，黃土高原年內(nèi)降水分配情況空間格局不一致，年內(nèi)降水由西北向東南越來(lái)越均勻，PCP自東向西逐漸遞減。

黃土高原地區(qū)PCD變化在0.401～0.761之間，因研究時(shí)段、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)等不同，大于該區(qū)1959—2008年的變化范圍（0.53～0.75）［26］；年均PCD高于內(nèi)蒙古［41］、灤河流域［18］，但低于淮河流域［20］，與全國(guó)［10］、灤河流域［18］的下降趨勢(shì)一致，與淮河流域的上升趨勢(shì)相反［20］。黃土高原地區(qū)年均PCP稍晚于全國(guó)［10］、內(nèi)蒙古［41］、灤河流域［18］，但同樣具有提前趨勢(shì)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，黃土高原高塬溝壑區(qū)、丘陵溝壑區(qū)、沙地農(nóng)灌區(qū)和土石河谷區(qū)的降水量、PCD及PCP指標(biāo)的排序并不一致，表明PCD和PCP不僅受降水影響，可能還受地形、太陽(yáng)黑子、ENSO 等［11］因素的綜合影響。將黃土高原55 個(gè)氣象站點(diǎn)的PCD和PCP與高程數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖7）可以看出，黃土高原地區(qū)PCD、PCP與高程的相關(guān)系數(shù)分別為0.346、-0.718，均通過(guò)了極顯著檢驗(yàn)水平（α＜0.01），表明在地勢(shì)較高的黃土高原PCD更大、降水更為集中，PCP則更早；但對(duì)嘉陵江流域［11］、珠江流域［42］的研究發(fā)現(xiàn)，地形與PCD呈負(fù)相關(guān)，其差異性有待進(jìn)一步探討。

圖7 黃土高原55個(gè)氣象站點(diǎn)的降水集中度和集中期與高程的散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of precipitation concentration,concentration period and elevation at 55 stations on the Loess Plateau

受黃土高原地區(qū)降水等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)影響，未考慮基于地形地貌因素對(duì)空間插值的影響，本文淺要分析了該區(qū)域PCD與PCP及其趨勢(shì)的時(shí)空變化規(guī)律，以及與降水本身、地形的關(guān)系。降水的分配研究受多種因素的綜合影響，包括人類(lèi)活動(dòng)的影響，PCD、PCP也將變得更加復(fù)雜。究竟人類(lèi)活動(dòng)以及降水本身、大氣環(huán)流等自然地理因素對(duì)黃土高原地區(qū)PCD與PCP的空間格局和趨勢(shì)變化會(huì)造成什么程度的影響，其內(nèi)在的成因機(jī)制還有待進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

根據(jù)黃土高原55 個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2019 年逐日降水資料，計(jì)算各站點(diǎn)降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP），結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，分析總結(jié)了該地區(qū)降水不均勻時(shí)空變化特征。得出如下結(jié)論：

（1）時(shí)間分布上，黃土高原年均降水量為422.76 mm，以-0.148 mm·a-1的速率呈減少趨勢(shì)；PCD多年平均值為0.595，以0.0014·（10a）-1的幅度呈不顯著下降趨勢(shì)（P＞0.05）；PCP主要在194（7月12日）～216 d（8月3日）之間波動(dòng)變化，以-0.1114 d·（10a）-1速率呈下降趨勢(shì)（P＞0.05）。1960—2019 年各生態(tài)區(qū)降水量為：土石河谷區(qū)＞丘陵溝壑區(qū)＞高塬溝壑區(qū)＞沙地農(nóng)灌區(qū)，PCD為：沙地農(nóng)灌區(qū)＞丘陵溝壑區(qū)＞高塬溝壑區(qū)＞土石河谷區(qū)，PCP為：沙地農(nóng)灌區(qū)＞丘陵溝壑區(qū)＞土石河谷區(qū)＞高塬溝壑區(qū)。

（2）空間分布上，黃土高原地區(qū)年均降水量空間上表現(xiàn)出自東南向西北遞減規(guī)律；年均PCD表現(xiàn)出自東南向西北逐漸遞減、年內(nèi)降水由西北向東南越來(lái)越均勻；年均PCP整體差異不大，空間整體上呈現(xiàn)自東向西逐漸遞減特征。PCD趨勢(shì)變化自東北向西南呈“下降-上升-下降”相間分布規(guī)律，PCP整體上表現(xiàn)出東部推遲、西部提前的態(tài)勢(shì)。

（3）2000—2019 年相比1960—1999 年，黃土高原年均降水量有所增加、PCD減弱、PCP有所推遲。退耕還林（草）工程后，黃土高原降水自東向西呈“偏少-偏多”相間分布，其變化趨勢(shì)以偏多為主，偏多程度自東南向西北呈“低-高-低”相間分布規(guī)律；PCD自東北向西南呈“偏低-偏高-偏低”分布規(guī)律，其變化趨勢(shì)以偏低為主，空間上呈東部偏高、西部偏低；PCP以偏高為主，偏高幅度呈南多北少、東多西少態(tài)勢(shì)，其變化趨勢(shì)以偏多為主，呈東南偏少、西北偏多格局。

（4）1960—2019年，黃土高原地區(qū)PCD、PCP與年降水量均以正相關(guān)為主，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的氣象站點(diǎn)占全區(qū)的63.63%、7.27%。