近 50年华北地区降水量时空变化特征研究

第25卷　第2期

自　然　资　源　学　报Vol 125No 12　2010年2月JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Feb .,2010　

收稿日期:2008-06-24;修订日期:2009-10-06。

基金项目:国家科技支撑计划课题(2007BAC03A02);科技专项(2007FY120100);上海市气象局启明星专项(QM200801)。

第一作者简介:张皓(1982-),男,天津市人,硕士,工程师,主要从事作物生长模拟与气候变化影响方面研究。E 2mail:zhangh@cli m ate .sh .cn

3通信作者简介:冯利平,教授,博士生导师,主要从事作物系统模拟、资源利用与气候变化方面的研究。E 2mail:fen 2gl p@cau .edu .cn

近50年华北地区降水量时空变化特征研究

张　皓1,2,冯利平13

(1.中国农业大学资源与环境学院,北京100193;2.上海市气候中心,上海200030)

摘要:利用华北地区(京、津、晋、冀、鲁、豫)92个气象台站近50年的逐日气象数据,采用趋势分析法和小网格法分析华北地区降水量的时空变化规律,并利用GI S 工具实现空间分异表达。结果表明:华北地区降水相对较少,年均降水量为614mm 。年均降水量呈由东南向西北逐渐减少的趋势。春季降水纬向分布明显,而夏季降水经向分布更为突出,秋冬季降水与年降水分布相似。随着年降水量由多到少变化,多雨区由东部沿海向南部地区移动,少雨区呈由中西部地区向中北部地区移动的趋势。该区降水年际变异性强,年降水和夏季降水均呈明显的降低趋势,春季降水略呈升高趋势,冬季降水升高趋势更为明显。1980年为由多雨期向少雨期的转折点,降水量存在8～10a 的显著振荡周期。20世纪60年代为月降水正距平出现最多的时期,而80年代和90年代为月降水负距平出现最多的时期。华北地区降水量季节性差异明显,夏季降水集中,全年65%～85%的降水量集中在6—9月。

关　键　词:华北地区;降水量;趋势分析法;小网格法

中图分类号:P426161+4 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2010)02-0270-10华北地区主要位于半湿润半干旱地区,降水是其水资源的重要来源之一,影响着当地粮食生产、生态环境安全和社会经济的可持续发展。降水量变化的时空分布受季节、纬度和地理因子的影响,具有明显的年际和年内变化特点,对农业生产,特别是部分地区仅依赖雨养条件的农业生产来说,其影响尤为突出。研究华北地区降水量时空变化规律与特征,有助于合理利用降水资源和进行水资源的有效管理。

华北地区降水量的变化特征已有学者做过研究。牛存稳等

[1]分析了华北地区降水年代际变化、年际变化及其产生原因,孙燕等

[2]研究了异常降水在年际和年代际间的变化规律和特征,张利平等[3]归纳出华北地区降水存在的主要周期变化,陈烈庭

[4]对华北地区夏季降水标准差的空间分布和降水距平百分率年际和年代际变化的地域特征进行了分析。目前的研究对降水量空间变化涉及较少,分析精确度也较低,为了更为精确、深入地反映华北地区降水的时空变化特征,本文利用该区92个气象站点近50年逐日降水资料,采用小网格法划分精细化网格,拟合不同分区降水要素方程,采用GI S 逆距离加权插值法,分析华北地区降水的时空变化规律和特征,实现降水变化的空间分异表达,以期为华北地区降水资源科学合理利用和农业生产管理提供理论依据。

2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究271　1　材料与方法

研究区域大致位于东经110°～122°,北纬32°～43°之间,其范围是淮河以北、河套以东至沿海、燕山以南,包括京、津、晋、冀、鲁、豫地区。资料来源于中国气象局在华北地区设立的包括北京、天津、石家庄、郑州、太原、济南等92个气象台站的逐日气象资料和台站信息(图1)。降水记录年代从1951—2005年,部分建站时间较晚的台站,选取从有数据记录开始的年份至2005年的逐日气象资料。

注:1冀北山地,2河北平原西区,3河北平原东区,4黄河中下游,5黄淮平原和山东半岛,

6山西西北山地,7黄土高原,8汉水流域。

图1　华北地区气象台站点及不同降水区域分布

Fig 11　W eather stati ons and distributi on of different p reci p itati on area in North China

111　降水要素方程的建立及检验

地形因素对于山区降水量分布是不可忽视的重要因素,考虑到华北地区的地形除了西部太行山山脉和北部燕山山脉少部分地区外,其余都以平原为主,海拔高度的变化相对比较平缓,研究将宏观地理因素中的纬度(φ)、经度(λ)和海拔高度(h )作为区域降水的影响因子考虑,降水要素方程表示为:

R =a i +b i φ+c i

λ+d i h (1)式中,a i 为常数项,b i ,c i ,d i 分别为纬度(φ)、经度(λ)和海拔高度(h )的系数,i 为分区。

为精确计算各网格点降水量,本研究参考相关文献[4]

,将华北全区分为8个自然区,并进一步细划为23个小区(图1)。对每个降水小区,结合站点降水数据、经纬度和高程数据,拟合12个月降水方程和1个年降水方程,共拟合299个方程。

采用相对误差和拟合指数两个统计量对方程进行检验和误差分析。相对误差和拟合指数表示为:

δ=(S -A )/S (2)

Q =1-AB S (δ

)(3)式中,Q 为拟合指数,δ为相对误差,S 为拟合降水量,A 为实际降水量。拟合指数越接近1效果越好。

112　高程图的生成

将华北地区气象台站的经纬度和海拔高度资料作为属性数据,利用地理信息系统A rc 2

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vie w312a的空间分析功能,使用样条函数内插(Sp line)方法插值[5],生成华北地区海拔高度分级图,即华北地区高程图。

113　降水量的插值

研究[627]认为对于降水站点不是很密集的地区,逆距离加权平均法(I D W)有助于提高预测数据的精度,本文中各月及年降水量的插值采用I D W法。在大比例尺地图上研究区域范围内,以经纬度20′为步长创建20′×20′网格,交点称为网格点,计算确定出580个网格点。利用A rcvie w312a的信息识别功能,将生成的高程图与网格点图层叠加,确定每一网格点的高程值。基于网格点的经纬度及高程值,并结合降水方程,生成近50年各网格点逐月及年降水数据,再进行插值,得到各月及全年降水量在空间上的分布趋势图。

114　降水年型的划分

为了研究降水量在不同降水年型下的空间变化情况,对该地区的降水年型进行划分。以年降水量为主要参考标准,以年降水距平百分率±10%为指标,划分为丰水年、平水年和枯水年3种类型。同时排除洪涝及气象干旱等特殊年份的影响,分别选取1990、1987和1981年作为丰水年、平水年和枯水年的代表年份(表1)。

表1　降水年型及其代表年份

Table1　Rainfall year2type and rep resentative year

年型距平百分率/%降水量/mm出现频数代表年份

丰水年>10>67315111990

平水年-10～1055110～67315311987

枯水年<-10<55110131981

2　结果与分析

211　降水方程建立与检验

根据前面介绍的方法,针对每个降水分区拟合12个月及全年降水方程,共299个方程。将各分区各方程系数绝对值平均化处理得知,绝大多数分区的系数b和c均大于系数d,在23个分区中,有14个分区方程系数表现为b>c>d。偏回归系数的关系表明站点的纬度和经度对降水的拟合贡献较大,且在多数地区纬度对拟合降水量的影响高于经度影响。

利用各气象台站逐月及全年的实际降水数据对拟合值进行验证,以某气象台站所在的小网格区域4个网格点中距离该台站最近格点的拟合值作为该台站的降水量,进行误差分析。结果表明,各月及年的相对误差(δ)绝对值的平均值在5158%～16143%之间,方程的拟合指数(Q)的平均值在0184～0196之间,方程拟合效果较好。

212　降水空间变化特征分析

华北地区近50年年均降水量的空间分布如图2(a)。可以看出,降水量呈明显的纬向分布,有随纬度的增高而减少的趋势,并且由于受到海陆气候的影响,沿海地区的降水量普遍高于内地,有由东南向西北逐渐减少的趋势。降水的高值区位于河南南部信阳、固始一带,年降水量均在900mm以上;河北东部地区年降水在650mm以上,特别是天津北部至遵化、青龙一带,最大降水量可达750mm以上。山西中北部地区由于受到西部五台山等地的地势影响,年降水也可达670mm以上。河北西部地区年降水量为华北地区的最低值,最低降水仅为350mm左右。

　2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究273

图2　华北地区近50年年均(a)及丰水年(1990)(b)、平水年(1987)(c)和枯水年(1981)(d)降水空间分布Fig12　Spatial distributi on of p reci p itati on for mean yearly(a)and rainfall2type of high(1990)(b),mean(1987)

(c)and l ow(1981)(d)in recent50years in North China

不同降水年型下,华北地区降水量的分布有较大的差异。丰水年(1990年)[图2 (b)]年降水呈由东向西逐渐减小的趋势,高值区大致位于山东中南部,泰安、费县一带,年降水可达1700mm以上;低值区大致位于河北怀来、张家口一带以及山西中西部地区,年降水量在500mm以下。平水年(1987年)[图2(c)]年降水由东南向西北逐渐减小的趋势更为明显,山东中南部、河南南部为多雨区,固始、信阳等地区降水在1450mm 以上;山西中北部、河北西北部的降水低值区,降水量仅为450mm。枯水年(1981年) [图2(d)]年降水呈现较明显的纬向分布,降水高值区主要位于河南西部和南部信阳、栾川一带,最大降水量达1000mm;低值区主要位于河北中部怀来、蔚县一带,最小降水量在250mm以下。

不同降水年型下,华北地区降水量分布受海陆气候影响较明显,丰水年沿海地区的降水量普遍高于内地,降水高值区位于华北东部沿海地区,平水年和枯水年降水高值区逐渐向华北南部地区移动,沿海地区降水相对较少。因此,热带海洋气团的强弱在一定程度上影响沿海地区的降水量,同时也影响着整个华北地区的降水量。

不同季节降水量空间分布有一定的差异(图3),总体上多年平均各月降水与年均降

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水具有相似的分布特征,呈由东南向西北逐渐减少的趋势。春季降水的纬向分布趋势明显[图3(a)],河南中南部地区降水均在120mm以上,为降水多雨区,河北大部、北京、天津以及山西中北部地区为少雨区。夏季降水的经向分布趋势更为突出[图3(b)],多雨区位于河北东部、山东中、南部以及河南南部地区,其中降水最大值位于费县、莒县一带,达600mm以上,山西西部和北部、河北西北部为少雨区。河南西部和南部地区为秋季降水多雨区[图3(c)],降水量最大值出现在河南南部信阳一带,少雨区位于山西北部、河北中北部及北京、天津部分地区,最小降水量在80mm以下。冬季降水与年降水具有相同的分布特征[图3(d)]。

图3　华北地区近50年均春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)降水量空间分布

Fig13　Spatial distributing of mean rainfall of s p ring(a),summer(b),autumn(c)and winter

(d)in recent50years in North China

213　降水时间变化特征分析

21311　年季降水的时间分布特征

华北地区近50年年降水量有明显的年际变化特征,表现为较为剧烈的逐年降水波动以及较明显的年代际变化特征[图4(a)]。上世纪50年代和60年代降水较多,20年中有13年降水标准化距平值为正,最大降水出现在1964年,降水量达94410mm;20世纪70—90年代降水变化相对平稳,1997年出现了近50年来降水的最小值,仅为44313mm;2000年以后,逐年降水出现负向波动,而后逐渐趋于平均水平。1951—1980年降水正距平的年份较

　

2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究275多,为近50年来的多雨期;1981—2005年降水负距平的年份较多,为近50年来的少雨期。1980年是华北地区降水由多雨期向少雨期变化的转折点。

图4　华北地区近50年年降水量标准化距平(a)及不同年代月均降水量标准化距平(b)

Fig14　Annual variability of yearly p reci p itati on standardized anomalies(a)and standardized anomalies of

monthly mean p reci p itati on of decades(b)in recent50years in North China

华北地区近50年不同季节降水量年际变化趋势的差异很大(图5)。春季平均降水量为9312mm,最大值与最小值出现在1964年和2001年,分别为19013mm(2189,距平值,下同)和3317mm(-1177),总体变化略呈升高趋势。夏季平均降水量为38219mm,最大值与最小值分别为54519mm(2134)和21711mm(-2138),出现在1956年和1997年,总体上夏季降水波动较大,呈较明显的下降趋势。1980年为降水距平由正转负的过渡点,亦可以看作是夏季降水由多雨期向少雨期过渡的转折点。秋季多年平均降水量为11918mm,最大值

图5　近50年各季平均降水量标准化距平的年际变化

Fig15　Annual variability of seas onal mean p reci p itati on standardized anomalies in recent50years of seas ons

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与最小值出现在2003年和1957年,分别为23416mm(2194)和4311mm(-1196),降水总体变化相对平稳。冬季降水的变化与春季降水很相似,但总体升高的趋势更为明显,多年平均值为1614mm,最大值与最小值出现在1990年和1963年,分别为5317mm(3119)和210mm(-1123)。近50年来冬季多雨时段为1984—2005年,22年中有18年降水标准化距平为正,而1951—1983年33年中仅有5年的降水标准化距平为正,为近50年来的少雨时段。

21312　华北地区降水变化周期分析

华北地区年均降水量序列小波分析(图6)表明,在过去近50年,年均降水量具有15～18年和8～10年两个显著振荡周期,其中以8～10年的周期振荡最强。结果表明,平均夏季降水量也具有相同变化规律。

图6　近50年华北地区年均降水序列小波变换分析

Fig16　Analysis of wavelet transfor mati on f or mean yearly p reci p itati on in recent50years in North China

21313　华北地区降水的年代际距平与月距平分析

以1951—2005年华北地区年均降水量61316mm和夏季平均降水量38219mm为常年值,分析降水标准化距平的年代际变化(图7)。结果表明,年均降水量和夏季平均降水量呈相似的变化趋势。20世纪50—70年代降水距平均为正值,年均降水和夏季平均降水的最高值均出现在20世纪50年代,分别为63019mm(0188)和42510mm(1162),年均降水的次高值63011mm(0184)出现在20世纪60年代,仍高出70年代年均降水量近1913mm (0163),而夏季平均降水的次高值39314mm(0143)出现在20世纪70年代,且与60年代夏

图7　近50年华北地区年均降水和夏季平均降水的年代际标准化距平

Fig17　Decadal standard ano maly of annual mean p reci pitati on and su mmer mean p reci p itati on in recent50years in North China

　

2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究277季平均降水39011mm(0131)相接近。20世纪80—90年代降水距平均为负值,其中年降水和夏季平均降水最低值均出现在90年代,分别为58311mm(-1155)和35318mm (-1106)。至21世纪年降水和夏季降水的变化呈相反趋势,2001—2005年年降水为62717mm(0172),而夏季降水为37115mm(-0140),这说明与20世纪后半叶相比,21世纪初期夏季降水在年降水中所占的比重有所降低。可以看出,从20世纪中期到21世纪最初5年,年均降水和夏季平均降水均呈明显的减小趋势。

以1951—2005年华北地区各站月均降水量为常年值,对过去6个时期月降水距平进行分析[图4(b)]。结果表明,在6个时期4—10月月均降水中,4月和7月的最高降水正距平均出现在20世纪60年代,分别为4218mm(0137)和18314mm(0111),而6月和9月的最高降水正距平均出现在21世纪初,分别为9611mm(0119)和8013mm(0119),50年代、70年代和80年代各有一个月最高降水正距平出现,分别是8月、10月和5月,但90年代无最高降水正距平出现。60年代是所有月(4—10月)中降水正距平最多的年代,80年代仅5月和6月的降水距平为负,80年代和90年代是降水负距平最多的年代,80年代仅5月和9月降水距平为正,90年代仅5月和10月的降水距平为正。

夏季(6—8月)月降水的年代际变化趋势基本一致,除20世纪60年代6月以及70年代8月为负距平外,夏季月降水在50—70年代均为正距平;而除21世纪初6月降水为正距平外,夏季月降水在1981—2005年均为负距平。可见,近50年来华北地区夏季降水在1980年以后呈明显的下降趋势,这与近50年年降水量的年代际变化趋势一致。

3　结论与讨论

(1)华北地区近50年年降水量呈东南—西北向分布,降水由东南向西北逐渐减少。春季降水的纬向分布趋势更为明显,夏季降水的经向分布更为突出,秋、冬季降水与年降水具有相似的分布特征。随着年降水量由多到少的变化,多雨区分布呈由东部沿海向南部地区移动的趋势,而少雨区呈由中西部地区向中北部地区移动的趋势。

(2)华北地区降水相对较少,年均降水量为61316mm,且逐年降水波动较为剧烈。秋季降水随时间变化无明显的降低或升高趋势,春季降水略呈升高趋势,冬季降水的升高趋势更为明显,而夏季降水呈明显的降低趋势。

(3)华北地区年降水和夏季降水具有15～18年和8～10年两个显著振荡周期,其中8～10年的周期振荡最强。年降水和夏季降水随时间的变化均呈下降趋势,且均以1980年作为近50年来由多雨期向少雨期变化的转折点。年降水和夏季降水有相似的年代际变化趋势,20世纪50—60年代降水较多,70年代为过渡期,80—90年代为少雨期,2001—2005年间二者变化趋势则相反,年降水增多,而夏季降水减少。

(4)华北地区降水量的季节性差异明显,夏季降水较为集中,全年有65%～85%的降水量集中在6—9月份。夏季降水的明显减少,是造成近50年来华北地区年降水量降低的主要原因。

本研究考虑了经度、纬度和海拔高度因素进行降水要素方程的拟合,但对于山区降水,山体的坡向、坡度等因素同样影响到降水的分布和大小,利用小网格法对降水时空分布的研究,还有待进一步改进,此外,对于降水呈减少趋势的成因以及对未来的影响也待深入研究。

　自　然　资　源　学　报25卷278

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　2期张　皓等:近50年华北地区降水量时空变化特征研究279 Character isti cs of Spa ti o2te m pora l Var i a ti on of Prec i p it a ti on i n

North Ch i n a i n Recen t50Y ears

Z HANG Hao1,2,FENG L i2p ing1

(1.College of Res ources and Envir onmental Sciences,China Agricultural University,Beijing100193,China;

2.Shanghai Cli m ate Center,Shanghai200030,China)

Abstract:Taking daily data of recent50years fr om92weather stati ons in North China,the char2 acteristics of s pati o2te mporal variati on of p reci p itati on was analyzed using grid s pot method and trend analysis.Results showed there is relatively less p reci p itati on in North China with an average annual p reci p itati on of614mm.The average annual p reci p itati on has p resented the reduced trend fr om the s outheast t o the northwest in the past50years.There is an obvi ous latitudinal trend dis2 tributi on of p reci p itati on in s p ring and l ongitudinal trend distributi on in summer,while distribu2 ti on of p reci p itati on in autumn and w inter is more si m ilar w ith that of average annual rainfall. W ith the change of annual p reci p itati on from more t o less,the high p reci p itati on belt has p resen2 ted a moving trend fr om east coastal t o southern areas,while lack p reci p itati on belt has p resen2 ted the moving trend fr om central and west t o central and north regi ons.There is str ong yearly variability of p reci p itati on in North China.The annual and summ er rainfall has p resented an ob2 vi ous reducing trend,the s p ring p reci p itati on has p resented a slightly increasing trend,and the p reci p itati on autu m n and w inter has p resented a more obvi ous trend.There exists a remarka2 ble vibrati on cycle of p reci p itati on about8-10years.Year1980is the turning point fr om am2 p le t o scanty rainy peri od.Most positive anom alies of mean monthly p reci p itati on occurred in the 1960s and most negative anomalies of mean monthly p reci p itati on occurred in the1980s and the 1990s.The seas onal difference in p reci p itati on in North China is obvi ous.Preci p itati on is cen2 tralized in summ er.The65%-85%of whole year’s p reci p itati on is concentrated in June-Sep tember.

Key words:North China regi on;p reci p itati on;trend analysis;grid s pot method