ABSTRACT

Based on the yearly and monthly precipitation data of 45 stations from 1961 to 2011 over the upper and middle reach of Yellow River (UMRYR), by the method of climate tendency rate, precipitation index, concentration degree and period, the precipitation interannual variation and distribution characteristic and its evolution trend were analyzed. The results show that: 1) The annual precipitation rapidly declines from southeast to northwest, and there was a rain shadow area from Lanzhou to Huining of middle Gansu province. The two climate change sensitive areas were source area of the Yellow River and middle and east of Gansu loess plateau. The precipitation increased in source area of the Yellow River, mean value of climate tendency rate was 9.5 mm/10a. The drought trend was obvious in middle and east of Gansu loess plateau, average value of climate tendency rate was −23.4 mm/10a. 2) There were significant difference of mobile trend and track of 400 mm rainfall contour between source area and middle reach of the Yellow River. In source area of the Yellow River, the trend of 400 mm rainfall contour moved north, but in middle reach of the Yellow River the contour obvious moved southeast before 2000, and regressed to northwest after 2000. 3) The general variation trend of seasonal distribution of precipitation in UMRYR were that the precipitation reduced obviously in spring and summer but increased significantly in autumn, especially after 2000. The variation trend of precipitation in each season was inconsistent in different areas, and the area where seasonal distribution of precipitation was obvious was Guanzhong plain. 4) The precipitation concentration period of UMRYR was in July, but concentration period of source area was slightly earlier than middle reach of the Yellow River. The precipitation concentration degree increased from southeast to northwest, and the value was between 0.45 - 0.71.

Keywords:The Upper and Middle Reach of Yellow River, Precipitation, Climate Tendency Rate, Annual Distribution, Concentration Degree and Period

近50年黄河上中游降水多时间尺度特征分析

夏  权^1,2,3，吴芳蓉³，陈少勇^1,3*

¹中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州

²兰州大学大气科学学院，兰州

³白银市气象局，白银

Email: xiaquan20@126.com, ^*csy505@tom.com

收稿日期：2014年5月24日；修回日期：2014年6月20日；录用日期：2014年7月1日

摘  要

利用1961~2011年黄河上中游45站年、月降水量资料，通过计算气候倾向率、降水指数γ、降水集中度和集中期等，对该区降水年际变化和年内分配特征及其演变趋势进行诊断分析。结果表明：1) 黄河上中游区年降水量自东南向西北迅速递减，并且存在两个降水变化敏感区：黄河源区和陇中–陇东黄土高原区。黄河源区年降水量呈增加趋势，而陇中–陇东黄土高原区干旱化趋势明显。2) 400 mm等值线在黄河源区与黄河中游区的移动趋势和轨迹存在明显差异。黄河源区该线总体呈向北移动的趋势；黄河中游区2000年以前该线向东南方向移动的趋势显著，2000年以后则向西北方向回归。3) 黄河上中游降水季节分配变化趋势总体为春、夏季降水明显减少，而秋季降水显著增多，特别是2000年之后。而不同区域各季降水的变化趋势不尽相同，关中平原是降水季节分配变化最明显的区域。4) 黄河上中游区降水集中期总体都在7月，黄河源区集中期略早于黄河中游地区。降水集中度由东南向西北递增。全区集中度在1998年以前年际波动较大，1998年以后趋于稳定且接近均值。

关键词

黄河上中游，降水，气候倾向率，年内分配，集中度和集中期

1. 引言

黄河上中游地处北半球中纬度，位于中国三大气候区(青藏高原区、西北干旱区、东部季风区)的交汇地带，气候影响因子复杂。作为半干旱区与半湿润区分界线的400 mm年降水量等值线正好贯穿该区，同时这里又是夏季西南季风和东南季风的北界，是对全球变化响应敏感的地区[1] [2] ，从气候变化角度将黄河上中游当作一个整体进行研究具有一定的合理性和准确性[3] [4] 。降水是黄河流域水资源最重要的决定因素，也是响应全球变化最敏感的气象因子之一，历来备受学者们的关注[5] -[7] 。特殊的地理位置和气候特征使得黄河上中游降水具有年际变化大，年内分配不均，季节变化现象明显等特点，这决定了对黄河流域降水年代际变化和年内分配研究的重要性。

国内学者曾采用不同方法对黄河流域降水的时空分布[8] [9] 及演变趋势[10] -[12] 进行了多角度分析，取得了很多研究成果。但之前关于河段的划分多依据地理位置及水文站[13] -[15] ，针对具有独特气候特征的黄河上中游地区的工作还比较少，关于黄河流域降水年内分配的研究也尚不多见，并且一些新事实需要用更新资料去揭示。为此，本文采用1961~2011年黄河上中游年、月降水资料，运用相关统计方法对该区域年、季降水的年代际变化特征、趋势和速率，年内分配的均匀性进行分析，以揭示该区降水响应全球变暖的新趋势，也为该区农业生产和水资源利用提供一些参考依据。

2. 数据来源与研究方法

2.1. 数据来源

本文所用资料为中国气象局整编的黄河上中游45个气象站1961~2011年实测地面年、月降水资料。这些台站沿黄河流域分布相对均匀，多数为国家基本站和基准站，这些站点在1960年前后都已建立了完整的观测数据。本文所指的黄河上中游区是31.8˚~42.5˚N、96˚~114.5˚E范围内的区域，包括黄河上中游的青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西和河南等7省，涵盖黄河流域85%以上的流域面积。另外，文中四季划分为：春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12~2月)，各季降水量为其所包含3个月的累计降水量。

2.2. 研究方法

1) 气候倾向率

气候要素的趋势变化一般用一次线性方程表示，即

   1,2, …, n(年)                             (1)

(2)

× 10称为气候倾向率，单位为某要素单位/10a。

2) 降水指数

考虑到黄河上中游地区降水空间分布不均，在分析各季降水量时间变化时采用了中国气象局国家气候中心气候预测室的区域降水指数计算法，该方法能够刻画区域整体降水的多寡，正常值为150，其值越大，表示降水越多。具体见文献[16] 。

3) 降水集中度和集中期

本文把一年内各月降水量均看作向量，一年12个月看作一个圆周(360˚)，将某月降水量作为该月降水矢量的模，该月月序与30˚的积作为该月降水矢量的方向，引进采用Zhang[17] 等定义的表征单站降水年内时间分配特征的参数：降水集中度(PCD)和降水集中期(PCP)，即

(3)

(4)

式中：和分别表示第年的降水集中度和集中期，，，

为某测站第年的总降水量，为第年第月的总降水量，为第月对应的方位角，为年份(= 1961,1962, …, 2011)，为月序(= 1,2, …, 12)。

由式(3)可知，PCD能够反映研究时段内年降水量在各月的集中程度，如果在研究时段中，年降水集中在某一个月，则它们合成向量的模与总降水量之比为1，即PCD为极大值；如果全年各月的降水量都相等，则它们各个分量累加后为0，即PCD为极小值。可见PCD的取值在0~1之间，其值越大，表明降水越集中，降水量年内分配越不均匀。由式(4)可知，PCP就是合成向量的方位角，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年中最大月降水量出现在哪一个月内。

3. 年降水量的时空分布特征

3.1. 年降水量的空间分布及演变趋势

图1a为黄河上中游年降水量的空间分布。年雨量总的分布趋势是自东南向西北迅速递减。从青海高原东部到陇中–陇东一带，降水等值线尤为密集，由南向北梯度很大，特别是在400 mm降水等值线附近，说明这一带是由半湿润地区向半干旱地区的过渡区域，而且过渡区很窄。从图中可看到兰州以西的黄河上游区域等值线基本呈东西走向，多雨中心在久治，年降水量达746 mm。这是由于夏季偏南季风将南海及孟加拉湾的暖湿气流沿青藏高原东侧输送到这里，同时北方冷空气又常沿青藏高原东北边缘南下，在此交绥而形成多雨区，而这里又是偏南季风的北界，因而年降水量由南向北锐减。兰州以东的黄河中游区域降水等值线基本呈东北–西南走向，是因为该区夏季受东南季风影响。值得注意的是，在陇中的兰州–会宁一带有一个相对少雨区，这是由于青藏高原地形动力作用，使得高原东北侧出现小高压，另外该区夏季处于六盘山的背风面，六盘山走向与东南季风基本相垂直，故形成背风雨影区。

从年降水量气候倾向率分布图(图1b)可以看出，年降水量显著增加的站点主要集中在黄河源区(通过了ɑ = 0.05显著性水平检验)，最大增率中心在玛多，达14 mm/10a。河南以东的站点基本呈减少趋势，其中陇中、陇东、宁夏南部至陕北一带减少趋势明显(通过了ɑ = 0.05显著性水平检验)，高值中心位于会宁，达−30.6 mm/10a。除北部的临河站和东南部的卢氏站为孤立站点外(两站未通过显著性检验)，其余地区年降水量显著增加和减少的站点均能连成片，而气候倾向率绝对值大于8 mm/10a的站点主要集中在黄河源区和陇中–陇东黄土高原，黄河源区为显著增湿区，陇中–陇东黄土高原为显著干旱化区，这反映了不同区域降水响应全球变暖的趋势并不一致，同时也说明这两个区域是降水响应气候变化的敏感区域。因此我们将重点讨论两个敏感区的降水时间变化特征。

3.2. 两个气候变化敏感区降水时间序列

上节我们得出两个气候变化敏感区，由于两区域降水变化趋势呈反相位分布，若整体讨论黄河上中游降水变化时这些区域信息就会被平滑掉，为此，我们选取黄河源区和陇中–陇东黄土高原分布相对集中

图1. 黄河上中游区(a)：年降水量(单位：mm)和(b)：年降水量气候倾向率(单位：mm/10a)的空间分布

表1. 两个气候变化敏感区所选取的站点信息

且变化趋势最为显著的站点(表1)，分别取其平均，得到两个气候变化敏感区的降水时间序列，以讨论两个敏感区降水响应全球变暖的不同趋势。

图2a为黄河源区降水变化序列。该区降水总体呈增加趋势，平均气候倾向率为+9.5 mm/10a。90年代以前以年际变化为主；1990~1999年趋于稳定，略高于多年均值；2000年以后呈明显的上升趋势。陇中–陇东黄土高原区(图2b)则呈明显减少趋势，平均气候倾向率为−23.4 mm/10a。该区1960年代处于多雨期；1970~1990年以年际波动为主；1990年以后，除2003年为多雨年外，其余年份雨量均低于多年平均值，特别是2000年之后干旱化趋势更为明显。从Cubic曲线的升降趋势亦可以看出，2000年以后两个区域呈现出相反的干湿化趋势。由于黄河上中游降水主要来源于亚洲夏季风，而该区域又受西南季风和东南季风的共同影响，那么两个气候变化敏感区降水趋势的差异是否与不同季风的影响有关呢？

为验证这一事实，我们利用国家气候中心提供的74项环流特征量资料，选取同期夏季(6、7、8月平均值)印缅槽指数表征西南季风强度，以夏季西太平洋副高北界指数和脊线指数表征东南季风强度，与两个敏感区降水序列做相关，其结果如表2所示。副高北界指数和脊线指数与黄土高原区降水序列明显正相关，通过了0.05的信度检验，而与黄河源区降水序列的关系不明显。印缅槽指数与黄河源区降水序列的相关系数为0.23，达到0.1的信度检验，而与黄土高原区降水序列的关系不大。说明黄河源区降水主要受西南季风影响，而陇中–陇东黄土高原区降水则主要受东南季风影响，两种季风强度的年代际自然波动及响应全球变暖的步调不一致，从而导致两敏感区降水演变趋势的差异。

表2. 两个敏感区降水序列与夏季环流特征指数的相关系数