 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2012, 2, 44-53 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2012.21006 Published Online March 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ag) The Spatial Variation in the Normal/Abnormal Precipitation over the Sina-Mongolia Arid/Semiarid Area and Its Decadal Transformation* Wanyuan Li1,2,3,4, Shihua Lv2, Zhibao Dong3, Shigong Wang1 1Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change of the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 2Key Laboratory of Land Surface Process and Clim a t e Change in Cold and Arid Regions, Cold and Arid Regions Environmen tal and Engineering Research Institute, Chinese Academ y of Sciences, L an zhou 3Key Laboratory of Desert and De s ertifi c ation, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 4Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration, Lanzhou Email: ywl@lzb.ac.cn Received: Oct. 10th, 2011; revised : Nov. 3rd, 2011; accepted: Nov. 28th, 2011 Abstract: Based on the monthly precipitaiton data during 1951 - 2005 for the selected 322 meteorological gauge sta- tions over the Sina-Mongolia arid and semiarid area, the spatial variation in the normal/abnormal precipitation and its decadal transformation for each month have been analyzed in detail utilizing the statistical clustering and the wavelet analysis, disclosing the fo llowing facts: 1 ) Being similar to the monthly precipitatio n, the sp atial distribution o f the pre- cipitation is also disp layin g its argular yearly var iation app aren tly, with the wet area extending contin uously and the ar id area constracting from spring to summer, till the precipitation reaching the maximum at each station, and then, from autumn to winter, the arid area extending and the wet area constracting contin uously, till the precip itaiton going back to the minimum at each place, so, one whole year is apparently a circulation of the spatial precipitaiton distribution. 2) The typical spatial distribution patterns of the abnormal monthly precipitation and their appearing years and frequencies during 1951 - 2005 have been found based on the statistical clustering analysis, showing that, the typical spatial distri- bution patterns and their appearing years and frequencies are all largely different from one month to another month even in the same season. 3) There is apparently a decadal transformation in the spatial variation of the normal/abnormal pre- cipitaiton over the Sina-Mongolia arid and semiarid area. 4) The major periods existing in the decadal variation of the precipitation for each calendar month and each major area have been found by the wavelet analysis, disclosing the pe- riodicity and the wave in the precipitaiton variation at some certain place will be different from one month to another even in the same season. Keywords: Sina-Mongolia Arid/Semiarid Area; Spatial Distribution Pattern of the Abnormal Precipitation; Decadal Variation; Periodicity 中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及 其年代际演变特征* 李万源 1,2,3,4，吕世华 2，董治宝 3，王式功 1 1半干旱气候变化教育部重点实验室(兰州大学)，兰州 2中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，兰州 3中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室，兰州 4中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州 Email: ywl@lzb.ac.cn 收稿日期：2011 年10月10 日；修回日期：2011 年11 月3日；录用日期：2011 年11 月28 日 *资助信息：受半干旱气候变化教育部重点实验室开放基金(兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金，项目编号：223-860011)资助。 Copyright © 2012 Hanspub 44  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 Copyright © 2012 Hanspub 45 摘 要：本文利用 1951~2005 年间中蒙干旱半干旱区 322个气象测站的月降水量资料，借助聚类和小波等统计 分析方法对该区各月降水异常的区域性差异及其年代际演变进行了较为详细的分析，主要揭露了以下事实：1) 同降水量的年变化特征相近，降水空间分布形势也表现出明显的年变化，由春季到夏季，多雨区不断扩展，少 雨区不断退缩，直到各地降水量均达到最大，然后由秋季到冬季，少雨区不断扩展，多雨区则不断退缩，直到 降水量恢复到全年的最小值，使得 1年明显成为降水空间分布变化的一个周期。2) 通过聚类分析给出 1951~2005 年间各月降水异常的典型空间分布型及其出现的年份和频次，说明不同月份，即使属同一季节，其降水异常的 典型空间分布型也有很大差异，不同月份典型空间分布型出现的年份也少有规律可循。3) 中蒙干旱半干旱区降 水异常的区域性差异存在着明显的年代际演变。4) 通过小波分析给出一些主要区域逐月降水量年代际变化的主 要周期性特征，结果表明同一区域，不同月份，即使属同一季节，其降水量变化的周期和位相也很不同。 关键词：中蒙干旱半干旱区；降水异常空间分布型；年代际变化；周期性特征 1. 引言 导致干旱化最直接也是最重要的原因就是降水 量的减少，几乎所有干旱指标均包含降水信息[1-4]；降 水又是区域乃至全球水循环的重要环节，与农牧业生 产、生态环境改善以及水资源供给等息息相关；同时 降水量是表征和识别气候环境变化的重要参量，故本 文以降水量为研究对象。 我国干旱、半干旱区主要分布于西北和华北西 部，其界限的划分可以年降水量小于 400 mm为基准， 也可以干燥度(最大潜在蒸发量 Pe 和降水量 P的比 值)、湿 润 度 (P/Pe)、水分盈亏量(P-Pe)为划分标尺，其 结果大同小异[1-4]。新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古 和陕西共同构成北半球中纬度最大的干旱半干旱区 [3,4]，这一地区基本位于东 亚夏季风边缘区以外[3,5]， 水资源匮乏、植被稀疏、生态脆弱、风蚀和水土流失 严重[3]。我国主要沙漠均位于此[3,6]，该区也是我国主 要的沙尘暴发生区域，沙尘暴年均频数大于 5次[3,7-9]。 蒙古国全境基本没有年降水量大于400 mm的区域 [10]，境内以草原、荒漠、山区及干旱林区为主，荒漠 化严重、沙尘暴遍布全国且频数不亚于我国[10-12]。该 国与我国干旱半干旱区在地域上联成一体，更重要的 是它们基本属于同一个气候或大气环流系统。例如， 我国大多数沙尘暴最初源于蒙古，且与蒙古气旋的发 生发展密切相关[9]。对地表湿润指数[13,14] 、 Thornthwaite 干湿分类函数[4]、Palmer 干旱指数[15]、 土壤湿度[16]等干湿指标的研究结果表明，近 50 年来 我国西北东部和华北地区的干旱化趋势明显，东北中 部和华北北部半干旱区的边界明显东扩，华北南部特 别是陕西南部半干旱区边界也明显向南扩展；随着气 温升高、降水减少，蒙古国内的草场也面临着严重的 干旱荒漠化威胁[11-21]。故本文将蒙古国与我国干旱半 干旱区视为一体来进行研究，并将之统称为中蒙干旱 半干旱区。 针对中蒙干旱半干旱区特别是我国境内降水量 的研究工作主要包括降水的时空变化特征及其天气 气候原因分析[3,20-33]，还有许多针对我国北方某一小 区降水的研究成果，在此不便一一列举[33-39]。但系统 地将中蒙干旱半干旱区作为一个整体，研究其降水异 常时空变化特征的工作还是很少。本文将利用 1951~2005 年该区域 322个站(图1)的有效月降水量观 测数据，首先分析该区各月降水异常的典型空间分布 型，然后对其降水异常区域性差异的年代际演变进行 详细探讨，最后详细分析典型区域不同月份降水异常 的年际及年代际变化特征。在此特别说明的是，由于 52˚N 4 8˚N 4 4˚N 4 0˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E 90˚E96˚E 102˚E108˚E114˚E120˚E Station distribution Figure 1. The distribution of the gauge stations over the Chi- nese-Mongolia Arid and Semi-arid Areas (The shaded area repre- sents the Qinghai-Xizang Plateau) 图1. 中蒙干旱半干旱区站点分布图(图中阴影部分为青藏高原)  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 信息量大，且各种异常现象的原因复杂，笔者能力不 足以给出详尽、合理的解释，故本文的重点在于揭露 事实，很多现象的解释则有赖于以后的深入研究和其 他同行的共同努力。 2. 资料和方法 本文分析的区域对象为由新疆、内蒙古、甘肃、 青海、宁夏、陕西六省和蒙古国全境所构成的中蒙干 旱半干旱区，时间跨度为 1951~2005 年，国内268个 站点的月降水量资料由中国气象局甘肃分局整理并 提供，蒙古国 54 个站点的月降水量资料由蒙古国家 气象局和 NCDC网站提供。所用方法主要包括系统聚 类和小波等统计分析方法。 为了充分利用现有资料，尽可能降低缺测资料带 来的困惑，本文在计算降水量年际变化序列的平均 值、标准差及线性趋势系数时，只要求有效序列长度 不低于 30，也即要求各个序列中对平均值、标准差及 线性趋势系数有贡献的有效数据不少于 30 个，据经 验可知，这一要求基本不会影响统计结果的有效性， 所选 322 个站点都能达到这一要求。只是缺测数据在 各月份间的分布并不均匀，1~12 月份缺测数据所占的 比例分别为 19.6%、19.2%、18.9%、18.6%、18.8 % 、 18.4%、18.6%、18.4%、19.6%、19%、19.4%和19.9%。 对于各年代的逐月(或月际变化)降水量序列，有效序 列长度均不少于 96 个，同样由于缺测不均匀的原因， 对各个年代进行分析时所用的站点和站点数也不相 同，1956~1965 年、1966~1975 年、1976~1985 年、 1986~1995 年以及 1996~2005 年所用站点数分别为 197、298、288、281和242个，5个年代所选站点中 缺测数据所占的比例分别为 5%、1%、1%、1%和2%。 聚类分析是研究样本或变量指标分类问题的一 种多元统计分析方法，目前广泛应用于天气过程分 类、环流分型[33]、降水量气温的分类[40,41]、天气区域 的划分以及相似年的确定等等[42] 。为了明确 1951~2005 年间各月降水异常的主要空间分布型及降 水时间变化区域性差异的年代际演变，本文对标准化 后的月降水量场和各年代的月降水量序列分别作了 聚类分析，各月和各年代选择站点的标准同上，即有 效年际变化序列不短于 30，月际变化序列不短于 96。 分析时所选的统计量为： cos1 1 j kjk jk f D ，其中 cos ,1,2,,jk n j k 为第 j和第 k个场或序 列之间的相似或相关系数， j k D 则表示这两个场或序 列间的马哈拉诺比斯距离。 ，其值越大说 明两个场或序列间越相似或相近，对应的场或站点则 越应归为一类。以下是聚类分析的具体步骤：第一步， 将各个降水量场或各个站点序列各自视为一类；第二 步，最相似或最相近的场或序列并为一类，即如果 1 jk f2 , max j k il il f f，则第 j和第 k个场或序列最为相似， 先将其并成一个新类；第三步，计算新类与其余各类 的相似统计量，类与类之间的相似统计量用分属两类 的场或序列间最小的相似统计量来代替，然后再根据 类间相似统计量的大小进行新的合并；第四步，重复 第三步，直到所有场或序列均归为所想达到的类别或 类别数。本文将 1951~2005 年间 1~12月份的标准化 月降水量场分别分为 14类，各月类别内和类别间的 平均相似统计量列于表 1，各个月份类别内的平均相 似系数远大于类别间，而其类别内的马哈拉诺比斯距 离则远小于类别间，结果使所选相似统计量在类别内 的平均值远大于类别间的平均值，从而充分证实了分 类的合理性。由于各年代降水变化区域性特征的空间 尺度间可能存在较大的差异，故本文在对各年代月降 水量序列进行聚类分析时，统一规定各年代所有站点 最终所归类别数须保证类别内和类别间的平均相似 统计量之差达到极大，且类别数须接近10。各年代聚 类分析结果的相关统计量列于表2，分类结果的合理 性同样显而易见。 小波分析是一种信号的时间尺度(频率)分析方 法，具有多分辨率分析的特点，在时频两域都具有表 征信号局部特征的能力，可以对信号进行多尺度细化 分析，得到各个频率随时间的变化及不同频率之间的 关系；它还具有数学意义上严格的突变点诊断能力， 近年来被广泛应用于气候的多尺度分析研究。小波分 析的时频局部化特性可展现降水时间序列的精细结 构，不仅可以将隐含在序列中的随时间变化的周期振 荡显现出来，还能确定出降水突变点的位置，也可以 对时间序列的演变势进行定性的估计，为分析气候多 时间尺度变化特征及短期气候预测提供了一种新途 径[43]。本文采用常用的墨西哥小波函数对 1951~2005 年间 1~12 月份的标准化降水量序列分别进行了小波 变换，小波函数形式为： ，并对 小波方差随周期长度的变化进行了分析，从而确定出 各月份降水量年际变化的主要周期。 2 116t 2 8t te Copyright © 2012 Hanspub 46  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 Copyright © 2012 Hanspub 47 Table 1. The statistical characteristics of the clustering groups for the spatial patterns of the normalized monthly precipitation during 1951-2005 over the Chinese-Mongolia Arid and Semi-arid Areas (CMASA) 表1. 中蒙干旱半干旱区 1951~2005 年间 1~12月份标准化月降水量场的分类相关统计量 月份 类别内平均 相似系数 类别间平均 相似系数 类别内与类别间 相似系数之差 类别内平均 马氏距离 类别间平均 马氏距离 类别内与类别间 马氏距离之差 类别内平均相 似统计量 类别间平均相 似统计量 类别内与类别间 相似统计量之差 1月 0.9576 0.3851 0.5725 11.8835 70.5077 –58.6241 1.7434 0.3789 1.3645 2月 0.9435 0.3334 0.61 9.1521 60.8186 –51.6665 1.7076 0.3383 1.3693 3月 0.9451 0.4709 0.4742 15.5693 76.6247 –61.0554 1.7061 0.4685 1.2376 4月 0.9593 0.553 0.4063 14.616 75.7318 –61.1159 1.7475 0.5522 1.1953 5月 0.9646 0.5502 0.4145 18.0269 92.7984 –74.7715 1.7722 0.5509 1.2213 6月 0.9196 0.5043 0.4153 26.5901 90.3516 –63.7616 1.6073 0.5041 1.1032 7月 0.9461 0.5273 0.4188 18.7342 103.7639 –85.0296 1.7301 0.5209 1.2092 8月 0.9412 0.4734 0.4679 24.0837 120.109 –96.0253 1.7016 0.4668 1.2348 9月 0.9681 0.5761 0.3921 18.9933 87.4266 –68.4333 1.7286 0.5769 1.1517 10 月 0.9603 0.6225 0.3377 17.6093 93.6044 –75.9951 1.7639 0.6154 1.1485 11 月 0.9521 0.4981 0.454 16.093 73.2667 –57.1738 1.6953 0.5015 1.1938 12 月 0.953 0.4307 0.5224 10.4781 58.2845 –47.8064 1.7215 0.4304 1.2911 Table 2. The statistical characteristics of the clustering gauge station groups for the month-to-month precipitation change during different decades from 1956 to 2005 over the Chinese-Mongolia Ar id an d Semi-arid Areas (CMASA) 表2. 中蒙干旱半干旱区不同年代月际降水量变化的站点序列分类相关统计量 年代 类 别 数 类别内 平均相 关系数 类别间 平均相 关系数 类别内与 类别间相关 系数之差 类别内 平均马 氏距离 类别间 平均马 氏距离 类别内与 类别间马氏 距离之差 类别内 平均相似 统计量 类别间 平均相似 统计量 类别内与 类别间相似 统计量之差 1956~1965年 13 0.9949 0.5112 0.4837 0.0026 0.1444 –0.1417 1.9924 1.3849 0.6075 1966~1975年 8 0.9989 0.4951 0.5038 0.0054 0.5641 –0.5587 1.9945 1.1406 0.8539 1976~1985年 9 0.9988 0.54 0.4589 0.0028 0.2276 –0.2248 1.9963 1.3589 0.6374 1985~1995年 10 0.9979 0.5378 0.4601 0.0011 0.1599 –0.1589 1.9969 1.4054 0.5915 1996~2005年 12 0.9961 0.5163 0.4799 0.0083 0.5145 –0.5062 1.9891 1.1799 0.8092 3. 分析与讨论 3.1. 中蒙干旱半干旱区逐月降水量的空间分布 状况及其年变化特征 就年均降水量而言，中蒙干旱半干旱区有 3个多 雨区：北疆大部、蒙古国北半部、青海高原东部及其 东侧陕甘宁乃至内蒙古东段的季风边缘区，它们联成 一体，中间围绕着降水量不超过80 mm的少雨区，该 少雨区横跨南疆、河西走廊及内蒙古西端，使整个区 域从北到南呈现出“多–少–多”的分布形势(图2(a))。 其实，各月各季的降水量也与年降水量相似，从北到 南也均表现出“多–少–多”的分布形势，为了节省 篇幅且不失代表性，文中只给出 1月和7月的降水量 分布图(图2(b，c))。 在冬季 12 月份，3 mm以上降水量主要分布于北 疆、蒙古国北部、内蒙古东北部、以及甘南、陕南一 带，尤以北疆降水量为最，其余地区降水量均不足 3 mm；1月份与 12 月份相同，3 mm以上降水量除分布 在北疆、内蒙古东北部和蒙古国北部一些地区以外， 还分布在青海省东南部、甘南和陕南地区，其余地区 降水量均不足 3 mm，不同的是，3 mm等雨量线在区 域东南隅有向南推进的趋势，而在区域北方则有向北 退缩的迹象(图2(b))；2月份的基本形势与 1月份相同， 只是降水量在 3 mm以上的区域明显从陕南向北延展 到陕北乃至内蒙古境内。 春季 3月份的主要降水区域较 2月份明显扩大， 降水量也明显增加，就区域东南部而言，5 mm以上 降水量分布在青海省东部、甘南、宁夏、陕西以及内 蒙古中东段的南部和东部地区；在区域西部和北部， 整个北疆和蒙古国中西部的一些区域降水量均在5 mm 以上，其余地区降水量均小于 5 mm；4月份较 3 月份而言，全区降水强度明显增加，10 mm等雨量线 基本与 3月份的 5 mm等雨量线位置相当，降水量大 值区仍以北疆、蒙古国北部的一些区域以及青海  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚ E 84˚ E 90˚E96˚ E 102˚ E 108˚ E 114˚E120˚E (a) 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚ E 84˚ E 90˚E96˚E102˚ E 108˚E 114˚E 120˚E (b) 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚ E 90˚E96˚ E 102˚ E 108˚ E 114˚E 120˚ E (c) Figure 2. The spatial distributions of the yearly (a), January (b) and July (c) precipitation averaged through 1951-2005 (The shaded area represents the Qinghai-Xizang Plateau.) 图2. 中蒙干旱半干旱区降水量的多年(1951~2005 年)平均空间分 布形势(图中阴影部分为青藏高原)：(a) 年降水量；(b) 1月降水量； (c) 7月降水量 东部、甘南、宁夏、陕西与内蒙古中东段的南部和东 部地区为主；到了5月份，区域内所有站点的降水量 较4月份均明显增加，几乎所有站点的降水量均在 3 mm 以上，等雨量线的分布形势已经与年均降水量甚 为接近(说明5月份的降水对该区域年降水的贡献较 大)，整个区域由北到南呈“多–少–多”的分布形势， 10 mm等雨量线包围的中间少雨区是由南疆、青海省 西北部、河西走廊、内蒙古西部以及蒙古国南缘连成 一体的带状区域。 到了夏季 6月份，降水量在整个区域较 5月份均 大幅 大幅下 降， 量的年变化特征相似，降水空间 分布 3.2. 各月降水异常的典型空间分布型 为了把握中蒙干旱半干旱区各月降 型空 增加，降水量形势和 5月份相似，围绕中间少雨 区的等雨量线从 10 mm增加到 20 mm，位置几乎没有 改变，50 mm以上的雨量大值区主要位于天山一带、 蒙古国东北部、以及由青海高原东部、甘南、陕西和 内蒙古东段南部和东部区域构成的季风边缘区，整个 区域的等雨量线形势同年降水量更为接近；7月份各 地的降水量均比 6月份增加了许多并达到全年的极大 值， 20 mm等雨量线所包围的中间少雨区向西退缩了 约６个经度，整个区域的降水分布形势与 6月份非常 一致，三个多雨区天山山区、蒙古国中东部、青海高 原及其东侧陕甘宁乃至内蒙古东段(即季风边缘区)相 当显著，天山山区之外的其他两个多雨区降水量均在 60 mm以上(图2(c))；8月份一些地区的降水量较 7 月份有所下降，基本形势与 6、7月份相当，大部分 中间少雨区的降水量已恢复到 10 mm以下。 秋季 9月份全区域的降水量较 6~8月份 等雨量线形势及其量级与5月份相当，三个多雨 区还比较明显； 10 月份降水量较 9月份继续下降，等 雨量线形势与 4月份非常相似，只是区域东南部的10 mm 等雨量线比4月份更加偏北偏西，说明就季风边 缘区而言， 10 月份降水量比 4月份更多，然而就北疆 而言， 10 和4月份的降水量相当，甚至后者更多一点； 11 月份的等雨量线形势和 3月份相当，只是 3月份区 域东南部的 5 mm等雨量线比11 月份更为偏北偏西， 说明 11 月份季风边缘区的降水量要小于3月份，然 而就北疆整体而言， 11 月份降水明显多于 3月份，而 且11 月份降水的空间分布形势已明显表现出和冬季2 月份相似的特征。 很明显，同降水 形势也表现出明显的年变化，由春季到夏季，多 雨区不断扩展，少雨区不断退缩，直到各地降水量均 达到最大，然后由秋季到冬季，少雨区开始扩展，多 雨区则开始退缩，直到降水量恢复到全年的最小值， 这样使得 1年正好成为降水量空间变化的 1个周期。 水异常的典 间分布型，本文对该区1951~2005 年间 1~12 月 份各月的标准化降水量场分别进行了聚类分析，然后 就各月归为同类的场进行了算术合成。若归为某一类 别的场数(或年份数)不少于10，则该类的合成场就被 Copyright © 2012 Hanspub 48  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 Copyright © 2012 Hanspub 49 tion for each month over the Chinese-Mongolia Arid and Semi-arid 月 类代表年份 降水异常分布型特征 视为相应月份降水异常的一种典型空间分布型；由于 1 月份包括场数最多的类别只有9年，故将该类场也视为 1月降水异常的典型空间分布型。分析结果表明，不同 月份，即使属同一季节，其降水异常的典型空间分布型 也存在极大差异；不同月份降水异常典型空间分布型出 现的年份也少有规律可循。表3即列出1951~2005 年间 各月降水异常典型空间分布型出现的频次和年份及其 总体特征，为了节省篇幅，相关图片省略。 Table 3. The typical spatial p atterns of the abnormal monthly precipita Areas (CMASA) 表3. 中蒙干旱半干旱区 1~12 月降水量异常的典型空间分布型 份 别 频 次 1 1 1951、1954 57、1967、 新疆东端和南缘联及青海高原的部分、44˚N以南的国内广大地区的降 2 1 72、 11 包括新疆大 3 1 1954、1961、1967、1974、 、 、 、、 、11 侧陕甘宁境内，和北侧河西走廊、内蒙古西 4 1 1952、1954、1957、1961、 、 、 、、 、 22 全区以降水偏多为主，偏少区主要包括南疆南部和柴达木盆地北缘、北疆大部及蒙古国西北 1 59、1967、1972、 14 整个区域以降水偏多为主，偏少区主要包括区域东南缘内蒙古和陕西境内的个别地区。 5 2 、 11 降水偏多区主要包括 96˚E以东、44˚N以南的区域东南部，还有新疆中部柴达木盆地南侧、 以及蒙古国西北部的一小块地区；其余地区为降水偏少区。 6 1 1965、1968、1972、1974、 11 降水偏多区主要包括新疆西部、青海大部以及高原东侧和北侧两条狭长地带，其余为降水 偏 7 1 、 、 、、10 水偏少为主，降水偏多区主要位于南疆大部、北疆东部、青海省大部以及甘南和 陕 1 13 括新疆大部、蒙古国西部、青海省西部、南部和东部、以及青海高原东侧 8 2 、 、 12 降水偏多区主要包括北疆、蒙古国几乎全境、内蒙古中东部、以及青海高原东侧陕甘宁地区， 9 1 64、1968、1969、 、 、 、、 、17 降水偏多区主要包括北疆东部、蒙古国几乎全境、青海省中东部及其东侧陕甘宁地区，其余 1 61、1962、1965、 12 降水偏多区主要包括青海及河西走廊、内蒙古西部和南部、以及陕西、宁夏和甘南地区，再 10 2 、 、 、 、、、、 11 片 11 1 1954、1957、1958、1964、 13 降水偏多区主要包括新疆西部、南疆东部、蒙古国北部和东部、内蒙古东段以及陕西省大部， 12 1 971、1972、 1978、1986、1987、1990、1992、 1996、1997、2000 13 降水偏多区主要包括北疆、蒙古国几乎全境、青海省大部联及东北侧一条狭长地带，其余地 区均为负值。 、1956、19 1973、1974、1982、1996 1952、1964、1965、1970、19 9 地区，以及 102˚E以东 水异常偏多，蒙古、新疆大部、内蒙古西端和河西走廊地区的降水异常偏少。 降水偏多区主要包括新疆南缘、青海高原及其东侧陕甘宁及内蒙西南部，偏少区 1982、1989、1990、1994、2001、 2005 1952、 部、蒙古国几乎全境以及内蒙古中东部区域。 降水偏多区主要包括南疆大部、青海高原及其东 1982 1988 1989 19931994 1998 1951、 端联及蒙古国西南部、还有蒙古国东北部和内蒙古东北端的小片地区，其余地区为降水偏 少 区。 1963 1964 1965 19671970 1972、1973、1977、1982、1983、 1984、1985、1990、1997、1998、 2001、2003 1951、1952、19 端及其东北部。 1973、1975、1986、1987、1988、 1993、2002、2003、2005 1957、1958、1963、1964、1970 1974、1983、1984、1985、1991、 1998 1964、 1976、1985、1992、1999、2003、 2004 1953、1955 1957 19651970 少区。 全区以降 1975、1980、1984、1987、2005 1952、1954、1956、1958、1960、 南一带。 降水偏多区主要包 1976、1980、1981、1982、1989、 2000、2002、2003 1959、1961、1964、19681970 甘南和陕南地区，其余地区为降水偏少区。 1973、1985、1988、1990、1992、 1995、2004 1955、1963、19 其余地区以降水偏少为主。 1970 1974 1975 19791981 1984、1985、1992、1996、2003、 2004、2005 1958、1960、19 地区为降水偏少区。 1966、1973、1975、1978、1990、 1992、2000 1954、1963、1970 19711974 、 加上北疆中部、蒙古国西部和北部的个别区域，其余地区为降水偏少区。 降水偏多区主要包括新疆东部、青海南部、甘肃南端和陕西南端、以及蒙古国中南部的小 1980 1983 1988 19992004 2005 1952、 区域，其余地区以降水偏少为主。 1968、1969、1972、1982、1983、 1996、1999、2003 1956、1957、1970、1 其余地区以降水偏少为主。  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 3.3. 中 区 年代 分析表明，中蒙干旱半干旱区 1956~1965 年、 1966~1975 年及 1976~1985 年三个年代的年均降水量 分布形势非常相似，青海高原及其东侧陕甘宁乃至内 蒙古东段的降水量最大，其次是天山山区和蒙古国东 北部地区，降水量由北到南呈“多–少–多”的分布 形势，与气候态的年均降水量分布形势相当；整个区 域三个年代的降水量值并无太大改变， 10 mm等雨量 线包括的少雨区范围几乎未变。然而，到了 1986~1995 年和 1996~2005 年两个年代，尽管降水量还保持着由 北到南“多–少–多”的分布形势，但新疆境内(特别 是西部地区包括天山山脉)及青海高原上的降水比前 3个年代有明显增加，其余大部分地区(包括青海高原 东侧陕甘宁境内)的降水量则有所减少。看来，经过 5 个年代的变迁，中蒙干旱半干旱区降水异常的空间分 布虽有稳定的一面，也有明显变化的一面，这就意味 着该区降水异常的区域性差异可能存在着比较明显 的年代际演变。有鉴于此，本文分别对以上 5个年代 降水量的月际变化序列进行了聚类分析，分析结果由 图3((a)~(e))给出，图中的数字代表相应年代相应站点 序列所归的类别号。同一年代属于相同类别的站点其 降水量的月际变化特征相近。 蒙干旱半干旱区降水异常 际更替 域性差异的 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E90˚E96˚E 102˚E 108˚E114˚E 120˚E (a) 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E90˚E96˚E102˚E 108˚E114˚E 120˚E 52˚ N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E90˚E96˚E102˚E 108˚E114˚E120˚E (c) 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E90˚E96˚E 102˚E108˚E114˚E120˚E (d) 52˚N 48˚N 44˚N 40˚N 36˚N 32˚N78˚E84˚E90˚E96˚E102˚E108˚E 114˚E120˚E (e) Figure 3. The spatial distribution characteristics of the month-to-month precipitation change during each decade in 1956- 2005: (a) 1956-1965; (b) 1966-1975; (c) 1976-1985; (d) 1986-1995; (e) 1996-2005 (The numbers at the gauge stations refer to the clus- tering group s the stations belong to, and the shaded area repre- sents the Qinghai-Xizang Plateau) 图3. 5个年代降水量月际变化区域性差异的分布情况(图中数字为 由聚类分析所得的站点所属的类型号，阴影部分为青藏高原)：(a) 1956~1965 年；(b) 1966~1975年；(c) 1976~1985年；(d) 1986~1995 年；(e) 1996~2005年 很明显，就降水量的月际 变化 特征而 言，在 1956~1965 年代，蒙古国与内蒙古东部一致，黄河上 游青海、甘肃境内以及宁夏、陕北与内蒙古中部地区 一致，青海高原东侧甘南和陕南地区自成一家，柴达 木盆地与河西走廊一致，新疆的情况则比较复杂，北 疆北部与南部不同，天山北麓与南麓不同，南疆西部 与东部也不同(图3(a))；到了1966~1975 年代，蒙古 国西端和东部与南疆北部、柴达木盆地及河西走廊一 (b) Copyright © 2012 Hanspub 50  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 致，该国其余地区主要与内蒙古、陕北、宁夏、甘肃 境内黄河上游地区以及青海省的东北部和西南部一 致，青海省东南部黄河源区与青海高 陕 征，蒙古国中部 的一些区域则与甘肃省东南部、宁夏、陕西省延及内 蒙古中部地区一致，南疆东部、青海省西北部、甘肃 省西北部以及内蒙古西部连成一片，自成一家，新疆 境内，北疆北部与南部不同，天山各段也各不相同， 南疆西北部与蒙古东边境连及内蒙古境内的一些地 区变化一致，其西南部则自成一种变化特征(图3(e))。 正如前面所指出的，不同年代按同一标准进行聚 类分析时，所分的类别数并不相同(表2)，说明不同年 代降水月际变化的区域性异在空间尺度上具有明 显的不同。总之，中蒙干旱半干旱区降水月际变化的 区域性特征存在着明显的年代际演变。 3.4. 不同区域逐月降水异常的年代际变化特征 为了澄清中蒙干旱半干旱区各区域逐月降水在 1951~2005 年间的年代际变化特征，以 1996~2005 年 降水月际变化的聚类分析结果为基准，分别对归为同 一类别站点的合成标准化降水序列进行小波分析，即 可得到相应区域降水异常 化特征。为了突 出重点，本文只关注站点数排在前 4位的类别及相应 区域，其类别号分别为 1、2、4和7，见图 3(e)。表 4 即列出中蒙干旱半干旱区降水异常的 4类代表性年代 际变化特征及其相应的区域，其中区域标志就是指图 3(e)中所标的站点类别号。很明显，同一区域，不同 月份，即使属同一季节，其降水量年代际变化的主要 周期和位相也有很大不同。不同区域的年代际变化特 征间也有很大差异。 Table 4. The periodic characteristics of eac h m onth’s precipitation dur Chinese-Mongolia Arid an 表4. 中蒙干旱半干旱区各典型区域 1~12 月份降水 区域标志及范围 月份 主要周期(年) 原东侧甘南和 南地区一致，新疆地区仍比较复杂，北疆北部与南部 不一致，南疆北部、西南部及东部也不一致(图3(b))； 1976~1985 年代，蒙古国与内蒙古大部、甘肃、宁夏、 陕西以及青海大部的降水变化步调一致，内蒙古和甘 肃两省区西端则与柴达木盆地西部及南疆南缘的一 些地区步调一致，此外，北疆北部和南部、南疆西部 和东部均不一致(图3(c))；1986~1995 年代，降水变化 的区域性特征与前几个年代又有所不同，蒙古国大部 与内蒙古中东部、甘肃中部以及青海省东北部一致； 蒙古国西部和东端的一些站点则与内蒙古西部、陕 西、宁夏、甘南及青海省东南隅一致；青海省大部连 及甘肃省西部与南疆中东部地区一致；新疆境内，北 疆北部不同于南部，天山北侧不同于南侧，南疆西部 不同于其中东部(图3(d))；到了 1996~2005 年代，降 水变化的区域性差异变得更为复杂，一块小区域可能 包含数种不同的变化特征，如蒙古国 108˚E以东地区 以及北疆分别包含着 5种以上的变化特征，且各种变 化对应的站点也并不集中(图3(e))，总体而言，蒙古 国除东部、南部、中部以及西南边境的一些站点外， 约一半左右的区域与内蒙古东段以及青海省东北缘 南缘的一些站点具有一致的变化特和 差 的年代际变 ing 1951-2005 for some important sub-regions in the d Semi-arid Areas 量在 1951~2005年间的周期性变化特征 降水偏少期(年) 12 2、10、23 1 13 2、18 1952前、1962~1972、1 3 13 952 前、1960~1976、1981~1987、1994~2003 4 2、8 1955~ 5 2、23 6 2、12 7 21 8 2、3、4、23 9 2、14 19 10 2、15 1956~1968、1977~ 9851994、20 1. 内蒙古东段、青海 省东北缘和南缘、以 及遍布蒙古国、约占 该国一半左右的一些 地区 11 2、3、4 19 1958~1975、1978~1984、1993~2000 1953 前、1961~1969、1975~1985、1990~1997、2004 后 977~1985、1994~2002 2 1 1962、1967~1975、1984~1997 1955~1963、1970~1985、1990~1999 1954 前、1960~1970、1977~1983、1995 后 1956 前、1965~1973、1979~1989、1998 后 1957 前、1971~1980、1986~1990、1998 后 62~1969、1977~1982、1990~2001 1、1988~03 后 57~1965、1971~1977、1984~1990、1995~2001 Copyright © 2012 Hanspub 51  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 续表 12 2、9 1 11 2 2、20 19 3 2、3、11 4 2、3、4、5、12 5 2、5、23 6 23 7 2、3、15 8 2、3 9 11 10 23 2. 南疆西北部与蒙 古国东边境联及内蒙 古境内的一些地区 11 2、3、4、5、6、7、23 12 2、23 1 12 2 2、15 3 2、9、23 4 2、5 5 2、3、18 19 6 2、3、9、23 7 14 2、3、12 19 9 23 10 2、3、4、5、13 4. 甘肃省东南部、宁 夏、陕西省、联及内 蒙古中部，以及蒙古 国中部的一些地区 11 2、3 12 2、3、7 1 13 2 23 3 23 4 2、7 19 5 20 6 2、3、6 7 2、3、16 8 8 7. 南疆东部、青海省 西北部、甘肃省西北 部、以及内蒙古西部 的一些地区 1960~1973、1980~1986、1995~2000 1955 前、1962~1970、1977~1986、1992~1999 59~1970、1978~1987、1995~2002 1960~1969、1975~1984、1994~2002 1957 前、1967~1977、1984~1988、1995~2001 1970~ 1957~ 1972、1979~1984、1993~2001 1954~1970、1977~1986、1995~2003 1965 8 0后 00 1988 1973、1979~1987、1999 后 1956 前、1964~1969、1976~1986、1994 后 1966~1979、1987~1994、2001 后 1957 前、1963~1968、1975~1988、1993~2000 1957~1965、1976~1985、1999 后 1958~1967、1972~1979、1990~1998、2003 后 1957~ 1953 前、1960~1968、1975~1989、2003 后 前、1971~1987、1996 后 1963 前、1974~1985、1991~1996、2002 后 54~1962、1970~1982、1991~2000 1954 前、1961~1982、1994 后 1959 前、1967~1975、1983~1991、1999 后 54 前、1962~1968、1972~1976、1984~1990、1995~2003 1953~1961、1986~2000 1959 前、1966~1972、1978~1986、1994~2000 1953~1959、1979~1988、1995 后 1961~1971、1976~1985、1995~1999 1954 前、1962~1975、1981~1989、2002 后 1955~1966、1974~1987、1996~2002 1957 前、1976~1988、1996~2004 60~1970 及1990~1999 1961 前、1970~1982、1991~2001 1958~1970、1977~1984、1991~1998、2003 后 1964 前、1981~1989、1998 后 956~1977、1984~1991、2001 9 2、7 1954~1960、1965~1975、1988~1992 10 14 1955~1964、1979~1985、1990~1995、2003 后 11 2、14 1955~1962、1968~1975、1982~1988、1993~20 4. 结论 本文通过详细分析19~2005 年间中蒙干旱半干 旱区降水异常的区域性差及其年代变特征，主 要得出以下结论： 变化 征相近空间分布形 势也化 由春季到，多雨区不 断扩缩到各地量均达到最 大，然季到冬季， 雨区不断 展，多雨区则 不断退缩，直到降水量恢到全年的得 1 年明显成为降水空间分布变化的一个 。 2) 通过聚类分析给出51~2005年间各月降水 异常的典型空间分布型及其出现的年份和频次。说明 不同月份，即使属同一季节 其降水异常的典型空间 空间分布型出现 的区域性差异存 通过小波 些主要区域逐月降水量 一区域，不同月份， 主要周期和位相也 [1] 卢琦, 杨有林. 全球沙尘暴警世录[M]. 北京: 中国环境科学 51 异 际演 1) 同降水量的年 表现出明显的年变 展，少雨区不断退 后由秋 特 ，降水 ， 夏季 ，直 降水 少 扩 复 最小值，使 周期 19 ， 分布型也有很大差异，不同月份典型 的年份也少有规律可循。 3) 中蒙干旱半干旱区降水异常 在着明显的年代际演变。 4) 分析给出一 年代际变化的主要周期性特征。同 即使属同一季节，其降水量变化的 有很大不同。 参考文献 (References) Copyright © 2012 Hanspub 52  中蒙干旱半干旱区降水异常的区域性差异及其年代际演变特征 出版社, 2001: 1-27. 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