宁夏水利优秀论文学术交流汇报

1951-2008 年中国西北干旱区降水时空变化及其趋势

汇报人：徐利岗

宁夏水利科学研究院

2015.07.10

汇 报 提 纲 一、科学问题的提出 二、研究区概况及研究内容 三、资料及方法 四、降水空间分布结构特征 五、降水多时间尺度分析 六、未来变化趋势分析 七、结论及展望

北半球温带干旱区分布北半球温带干旱区分布

中国西北干旱区

一、科学问题的提出

一、科学问题的提出1 、科学问题水分是干旱地区最敏感的生态要素，降水的时空变化对干旱区

植被格局、生态环境及农业生产的影响极为重要。未来西北地区气候由暖干向暖湿转型，近 50 年是 400 年来降水量最丰沛时期；西北地区西部降水增加，东部减少；河套地区西北部和东南部分别以 2%/10a 和 3%/10a 的速度减少。

全球气候变暖已经是不争的事实，在此背景下，影响干旱区水文、生态系统的关键因子尤其是降水在时、空间又发生了怎样的变化？水文过程及生态系统又是如何响应的？

绿洲化、荒漠化等干旱区主要陆表过程的变化规律、区域特征，以及对人类活动和气候变化的响应机制；环境退化与人类活动和全球气候变化的相互作用机理。

一、科学问题的提出2 、项目支持• 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划）课题“干旱区

绿洲化、荒漠化特征及其时空格局”（ No.

2009CB421301 ）• 国家博士后科学基金项目“山地 - 绿洲 - 沙漠系统

（ MODS 系统）降水时空变异性研究”（ No.

2013M542416)

• 中国科学院知识创新工程重要方向性项目“北方沙漠化带典型生态系统的水分有效性与植被适应性研究” （ No. KZCX2-YW-431 ）

中国自然地理图

二、研究区概况及研究内容研究区概况

研究区概况贺兰山以西，昆仑山 - 柴达木盆地以南，东西 2500km，南北 1300km，占全国陆地面积 1/4；包括新疆全部、青海柴达木盆地、甘肃河西走廊及内蒙古西部；包含极端干旱区、干旱区及半干旱区三种干旱类型。

二、研究区概况及研究内容

研究内容 在研究区内按照区域代表性（新疆南、北部，河西走

廊、阿拉善高原西北部）、降水代表性（极端干旱、干旱、半干旱）和资料序列长期可比性等原则选取新疆 56

站、甘肃 18站、青海 12站，内蒙古 9 站共计 95个国家基准站 1951 年 1 月 -2008 年 12月计 58年月降水数据，利用 EOF法、小波分析、轮次分析法、游程理论、降水季节性指数及极差分析等方法研究西北干旱区降水空间分布结构类型、多时间尺度特征及其未来变化趋势。

二、研究区概况及研究内容

资料来源 中国气象数据共享网（ http:// cdc.cma.gov.cn/index.jsp）下

载新疆 56 站、甘肃 18 站、青海 12 站、内蒙古 9 站共 95 站1951-2008 年计 58 年月降水数据。

三、资料来源及方法

研究方法（ 1 ）空间结构型及变异性分析 自然正交分解法 (EOF) 、旋转经验正交分解

(REOF)

地统计学 - 克里金法（ GS+ 软件、 ARCGIS 软件） （ 2 ）多时间尺度分析 Morlet 小波分析、 轮次分析、游程检验、 R/S 法、

降水季节性指（ SI ） （ 3 ）变化趋势分析 Mann-Kendall 秩次相关法 、气候趋势系数法

三、资料来源及方法

四、降水空间结构特征前四个特征向量方差贡献率分别为48.53% 、 13.44% 、10.96% 及 8.67% 。第一特征向量分布属“相间复杂”型，呈北疆区、南疆区、柴达木区、河西走廊区及内蒙古西北部地区，受局部区域天气系统影响较大；第二特征向量为“南北相反”型，北疆荷载值较大，天山北麓、河西地区及内蒙古西北部荷载相对较小。

西北干旱区降水场分区图

根据第一特征向量方差贡献率的荷载分布情况将西北干旱区划分为北疆子区(BJR)、南疆子区(NJR)、河西子区（ HXR）、青海子区（ QHR）内蒙古子区（ NMR）

1 、西北干旱区降水系列周期变化 西北干旱区及各子区，存在5 年、 9年、 12年、 15 年及21 年周期，在1954年、 1957 年、1966年、 1971 年、1981年、 1986 年、1991年、 1995 年、2003 年及2006 年出现丰枯突变。

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

b

5

10

15

20

25

30

35

40

45

a

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

b

5

10

15

20

25

30

35

40

45

a

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

b

5

10

15

20

25

30

35

40

45

a

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

b

5

10

15

20

25

30

35

40

45

a

西北干旱区降水小波方差图

-30

-20

-10

0

10

20

30

1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006年份

小波方差值

a=5 a=9 a=12 a=20北疆子区降水小波方差图

-60-45-30-15

0153045607590

1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006年份

小波方差值

a=5 a=7 a=12 a=20

南疆子区降水小波方差图

-35-28-21-14-707

14212835

1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006年份

小波方差值

a=3 a=5 a=10 a=20青海子区降水小波方差图

-60-50-40-30-20-10

01020304050

1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006年份

小波方差值

a=5 a=9 a=15 a=21

五、降水多时间尺度分析

2 、西北干旱区降水丰枯变化特征

各地的极大丰水历时均小于极限枯水历时；平均缺水量约占当地多年降水量的10.9%( 青海乌兰 )~43.0%( 新疆安德河 )各地降水丰枯变化剧烈程度各不相同。

23.251.84672.92.14117.6内蒙子区

15.936.46510.21.95140.1河西子区

24.849.26620.62.47154.8青海子区13.639.69435.42.6875.4南疆子区

27.551.578825.11.98183.5北疆子区

12.630.647409.531.054137.4全区

平均缺水量均值极限干

旱历时丰水量均值极大丰水历时

负轮次和负轮长正轮次和正轮长多年平均降水

项目站名

4.27.513.624.744.82.20.553.56.712.92548.32.10.51内蒙子区

4.47.813.824.643.82.30.562.45.311.524.953.81.90.46河西子区

2.85.81225521.90.484.78.114.124.442.42.40.57青海子区

6.49.714.822.654.42.90.665.5914.623.738.52.60.61南疆子区

2.55.411.624.953.31.90.472.55.411.524.953.61.90.46北疆子区

4.98.414.224.241.22.40.592.45.211.424.854.21.80.45全区

>5 年4 年3 年2 年1 年连续年ρ>5 年4 年3 年2 年1 年连续

年ρ

枯水年丰水年

项目站名

单独丰水年概率 54.2% ，单独枯水年概率 41.2% ；连续 4 年丰水的概率 5.2% ，枯水概率 8.4% ；大于 5 年的丰水概率 2.4% ，枯水概率 4.9% ，单独丰水年概率高于单独枯水年，连枯年概率高于连丰年，干旱主要发生在新疆地区和河西地区。

五、降水多时间尺度分析

3 、西北干旱区降水持续性特征站点 H 强度级别 站点 H 强度级别 站点 H 强度级别

全区 0.770 强 北疆子区 0.679 较强 南疆子区 0.845 很强

青海子区 0.792 强 河西子区 0.629 较弱 内蒙子区 0.648 较弱

典 型 站 点

哈巴河 0.541 很弱 库尔勒 0.597 较弱 格尔木 0.860 很强

吉木乃 0.659 较强 吐尔尕特 0.606 较强 诺木洪 0.621 较弱

福海 0.612 较弱 乌恰 0.628 较强 都兰 0.788 强

阿勒泰 0.606 较弱 喀什 0.554 较弱 茶卡 0.557 较弱

富蕴 0.655 较强 阿合奇 0.640 较强 马鬃山 0.529 很弱

塔城 0.557 较弱 巴楚 0.544 较弱 敦煌 0.564 较弱

各子区赫斯特系数 0.629-0.845 ，降水序列有长期相关特征，未来气候总体变化将与过去变化趋势一致。北疆、南疆塔里木盆地北部及西北部和青海柴达木盆地东北部持续性较强；内蒙子区及河西子区降水规律持续性较弱。

五、降水多时间尺度分析

4 、西北干旱区降水稳定性分析—年代际、四季变化y = 0. 0271x + 28. 55

R2 = 0. 004

15. 0

20. 0

25. 0

30. 0

35. 0

40. 0

45. 0

50. 0

55. 0

60. 0

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

年份

mm降水量（）

春季降水量 春季多年平均降水量 5年滑动平均 春季降水线性趋势

y = 0. 1186x + 68. 873R2 = 0. 0282

40. 0

55. 0

70. 0

85. 0

100. 0

115. 0

130. 0

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

年份

mm降水量（）

夏季降水量 夏季多年平均降水量 5年滑动平均 秋季降水线性趋势

y = 0. 0252x + 25. 523R2 = 0. 005

10. 0

15. 0

20. 0

25. 0

30. 0

35. 0

40. 0

45. 0

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

年份

mm降水量（）

秋季降水量 秋季多年平均降水量 5年滑动平均 秋季降水线性趋势

y = 0. 0067x + 9. 2615R2 = 0. 0015

3. 0

6. 0

9. 0

12. 0

15. 0

18. 0

1951 1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

年份

mm降水量（）

冬季降水量 冬季多年平均降水量 5年滑动平均 冬季降水线性趋势

50 年代为丰水期， 60-80 年代末期少水期； 90 年代以后降水偏多，至 2008 年累计偏多 126mm 。春季降水占全年 19.3%-22.9% ，未来呈增加趋势；夏季占50.6%-55.6% ，未来也将增加；秋季占 24.4%-26.8% ；冬季 60 年代时最小为5.1% ，其它年代 6.0%-8.8% 。

40.0% 地区 SI值大于 0.8 ，年降水有明显季节性分布，包括南疆塔里木盆地东南缘、柴达木盆地、河西走廊东北部、内蒙古西北部等；北疆阿勒泰和伊犁地区有明显的雨季，其他地区伴有短时枯水季节。 61%RI值大于0.7 ， 41%大于 0.8 ，年降水分配规律稳定，年内分配年际差异较小。

4 、西北干旱区降水稳定性分析—季节性指数

五、降水多时间尺度分析

各子区均呈增加趋势，南疆及青海子区通过 0.01信度检验，北疆通过 0.05 检验；河西及内蒙子区增加趋势不显著；全区及新疆地区年降水出现不显著波动。青海、河西及内蒙子区则有下降趋势，与多年均降水的差异将呈逐渐缩小的趋势。

西北干旱区降水变化趋势分析

86.3% 地区呈增加趋势，增幅 16.6mm/10a-0.1mm/ 10a ； 11.6%呈减少趋势，减幅 -5.2mm/10a— -0.3mm/10a 。 20.0% 的地区通过 0.01显著性检验， 48.4%通过 0.05显著性检验。北疆、东疆与青海柴达木盆地形成高增幅区；南疆、河西中南部及内蒙古阿拉善高原西北部形成小幅增加区。

六、降水未来变化趋势分析

利用 REOF方法将西北干旱区降水场划分为五个分区，即北疆、南疆、河西子区、青海子区及内蒙古子区；西北干旱区及各子区具有 5 年、 9 年、 12年、 15年振荡周期。

各地极大丰水历时均小于极限枯水历时；单独丰水年概率54.2%，单独枯水年概率 41.2%；连续 4 年丰水概率 5.2%

，枯水概率 8.4%；单独丰水年概率高于单独枯水年，连枯年概率高于连丰年；各分区降水未来变化将与过去变化趋势一致。

西北干旱区 40.0%地区降水具有明显季节性分布，且伴有枯水季节， 61%地区重现性指数（ RI）大于 0.7， 41%的站点 RI值大于 0.8，研究区大部分地区年降水分配规律稳定，降水年内分配的年际差异较小。

七、结论与展望

西北干旱区 86.3%地区降水量呈增加趋势，增幅为16.6mm/10a-0.1mm/10a； 11.6%地区呈减少趋势，减幅为 5.2mm/10a-0.3mm/10a。有 20.0%的地区通过信度0.01的显著性检验， 48.4%通过了 0.05的显著性检验。

在全球气候变化大背景下，西北干旱区整体出现增温变暖，降水增加趋势，且各地区增温或降水增加幅度不同，这些现象是完全由气候变暖造成还是与人类活动共同作用所致？而在西北干旱区向暖湿转变趋势下，当地生态系统、水文过程及地表覆被将如何响应？对当地农林牧业将产生怎样的影响？这些问题仍需进一步研究。

七、结论与展望

谢谢各位专家，

欢迎提出 宝贵意见！

徐利岗

2015.07.10