区域降水及其气候特征统计分析范文

降水是制约干旱区农业发展的关键因素。河西走廊气候干旱，降水稀少，降水分布极不均匀，全年降水量10～500mm，夏半年(4～9月)降水占全年80%以上，生态异常脆弱，为典型的干旱荒漠气候区。地理布局为东南～西北向，区域总面积27．7万km2，平原面积占41%，平原上间歇分布着孤岛式的绿洲。河西走廊是全国重要商品粮基地和经济作物集中区，研究其降水变化及其干旱特征，对区域荒漠化治理、水资源合理配置和开发利用、绿洲农业可持续发展具有重要意义。干旱指标应能充分体现干旱影响程度与显著低于正常降水而造成的水分短缺状况，近年来我国学者对降水及干旱特征开展了诸多探讨［1～6］，但由于干旱形成机理异常复杂，干旱指标具有明显的地域性和时间尺度，因此就如何确立干旱指标形成两种模式。一是通过研究干旱机理如蒸散效应、地面径流、水分循环等表征干旱强度;二是应用气象学方法研究降水分布规律来反映干旱特征。由于前者计算繁杂，且参数对经验的依存性很高，从而大大降低了计算的精确性。目前，对干旱特征的研究多使用第二种模式，常用的方法有降水距平百分率、湿度指数和Z指数［7～9］，很多研究已被广泛运用于区域性干旱特征的监测和预警，但河西走廊干旱特征研究尚不多见。

为建立一套实用、合理的干旱评价指标，针对研究区域降水分布极不均匀的特点，经过多种方法相互比对，文中选用Z指数作为河西走廊干旱指标体系，主要基于Z指数与降水量及其分布特征密切相关，且能有效消除平均值的影响，客观反映研究区域干旱的基本特征。从Z指数干旱指标划分入手，文中应用EOF数理统计方法［10］深入探讨了降水及其干旱时空分布特征，以揭示研究区域干旱变化的基本规律。

1资料与研究方法

选用河西走廊20个气象台站(1971～2006年)逐月降水资料，所选台站资料序列连续，地理位置分布均匀，对研究区域有较好的代表性。

Z指数是假定年降水近似服从正态分布，但年内某段时间降水并不呈正态分布，而是遵循P－Ⅲ型分布，首先对降水量进行正态化处理，将概率密度函数作Z转化，使其具备正态分布特征。

根据Z变量正态分布曲线和研究区域干旱特征，将Z值划分为5个等级，各级干旱指标(表1)。分析还显示，Z指数与降水呈负相关，二者间相关系数通过99%的显著性水平检验，表明用Z指数可以充分反映研究区域的降水特征。

2特征分析

2．1河西走廊降水场变化特征

总体看，近40年河西走廊降水143．2mm，降水变幅为－2．65mm·10a－1，但由于地形狭长，局域性分布特征明显，降水变化具有差异性。降水场大致呈纬线布局，以西部的敦煌～安西为干中心，以东部的乌鞘岭为湿中心，两地平均降水差329mm。分析还显示，在时间序列上有两个梯度中心:最大增湿中心武威～永昌，变化幅度11mm·10a－1，最大趋干中心是马鬃山，为－11mm·10a－1;在降水梯度场中仅中东部的民乐、山丹、永昌、武威为增湿性(dR/dt＞0)，即降水在增多，而其余地方均表现出趋干性(dR/dt＜0)，即降水在减少。

河西走廊地处祁连山与北山之间的狭长地带，除沿河冲积平原上仅有的绿洲以外，大部分地区均以风力作用和干燥剥蚀为主的戈壁荒漠;另外，从东向西绿洲面积依次减少，西部多荒漠地带，地表裸露，蒸散强烈，生态极其脆弱。在全球气候变暖的背景之下，受大尺度环流形势影响，河西走廊气候变化表现得更加敏感。对降水场、温度场综合分析结果显示:近40年研究区域总体为暖干型，但东西部差异显著，西部为暖干型，东部为冷湿型，中部民乐～武威为暖湿型，这种分布特征在近10余年表现尤为突出。

2．2河西走廊Z指数场EOF特征

河西走廊大田农业生产集中在夏半年，一般4月份播种，9月份收获，因此4～9月降水是影响研究区域农业发展的重要因素。分析近40年来农作物生长状况，发现春季(4月)和春末夏初(5～6月)降水也是关键因素，通常4月份正值春小麦苗期、玉米播种～苗期，5～6月是春小麦拔节～开花、玉米三叶～拔节期，水分亏空直接制约农作物生长与产量提高，尤其是春末夏初很容易在河西走廊形成"卡脖子"旱，即在作物生长需水期出现了明显的干旱危害。因此文中就这3个关键期分别按照公式(1)计算Z值，并对Z指数进行EOF分析。

从表2中可以看出，第一特征向量累计方差贡献值超过94%，且通过North特征向量显著性检验，说明是具有显著物理意义的信号。因此，可以认为在研究区域Z指数场中用第一特征向量就足以揭示其干旱特征。

2．2．1空间特征

Z指数场空间分布第一特征值全部为正(图1)，表明研究区域干旱特征具有高度一致性，即受大尺度天气系统影响，降水具有均一性。实际上河西走廊地势开阔，地貌特征相似，夏季受副热带高压西伸北抬影响，在其西侧有大量的西南暖湿气流向南输送，尤其当脊线到达30°N以北时，就会形成有利的降水环流场，这也是夏季降水集中分布的原因。

从图1中可以看出，Z指数场依然存在明显的差异性。4～9月在酒泉、敦煌两地形成高值中心，在永昌、乌鞘岭形成低值中心;4月份在张掖、鼎新两地分别形成高、低值中心;5～6月在民乐、金塔为两个高值中心，武威为低值中心。高值中心反映了本地对降水的敏感性，表示其干旱程度对降水的依存度很高，降水变化足以引起其干旱特征的显著性变化;相反，低值中心则表示干旱程度与降水变化关系并不太显著。也就是说，在3个关键期中酒泉和敦煌、张掖、民乐和金塔在对应时段里最容易形成干旱，换句话说，河西走廊中西部地区对干旱的响应非常显著，属于干旱敏感区;相比之下，东部地区对干旱的响应则不显著、不敏感。

2．2．2时间特征

为研究Z指数场时间变化特征，有必要对第一特征量对应的时间系数进行分析，如果某一时段数值越大，表示这类分布特征越加典型，即越接近于实际干旱状况。分析显示，在研究区域3个关键期对应的Z指数场中，时间系数范围分别为5．49～16．95、9．13～17．71、6．41～18．60，可以认为第一特征量具有良好的均匀性和代表性，但在时间趋势上又表现出差异性。

从累积距平分析(图2)可以看出:1)研究区域4～9月在1974～1976年、1991～1992年和2001年为明显的干旱年份，干旱波动性变化，1971～1974年、1983～1986年、1988～1991年、1996年～2001年是4个由湿转干的主要阶段，总体上看从80年代初以来有持续干旱的趋势;2)4月份Z指数场特征基本相似，降水比较充分，干旱尚不明显，但年际波动依然较大，1977～1984年、1991～1995年、2003～2006年是3个由湿转干的主要时段;3)5～6月Z指数场变化非常典型，波幅较大，1971～1984年、2001年为明显的干旱年份，尤其是前者持续时段长，干旱极为严重，为历史罕见。其余年份干旱特征尚不明显，可以认为1981～1988年为干旱逐渐减轻阶段，而1989～2001年为干旱逐渐加重阶段。

如果指定时间系数≥15为旱灾年，统计数据显示:研究区域4～9月旱灾年分别出现在1974、1986、1990、1991、1997、2001年，其中1991年干旱最重，1986年次之;4月份旱灾年依次出现在1978、1984、1992、1994、1999、2005、2006年，其中1999年干旱最重，1984年次之;5～6月旱灾年陆续出现在1971、1974、1989、1990、1995、1997、2001年，其中2001年干旱最重，1995年次之。由民政部门提供的统计数据显示，文中分析结论与研究区域旱灾年实际出现时间相符。综上所述，河西走廊干旱特征明显，且从80年代以来干旱持续发展，90年代旱灾频繁，干旱严重程度在近10年有所加剧。

2．3河西走廊年际干旱评价

2．3．1干旱强度年际变化

为了从区域角度展开干旱评价，在Z指数基础上引进干旱强度指数S，定义S=min(Zi)，即以该年Z值场20个代表站中的最小值代表本关键期区域干旱程度的极端情况。历年干旱强度指数变化趋势见图3，可以看出:4～9月在1991年(肃南)干旱强度最重，其次是1994年(玉门镇)、2001年(鼎新)和2005年(安西);4月份在1978年(永昌)干旱强度最重，其次是1984年、1999年(张掖);5～6月份在1981年(武威)最重，其次是1971年(酒泉)、1974年(武威)、1989年(金塔)、1997年(金塔)、2001年(酒泉)。也就是说，河西走廊4～9月干旱变化从90年代以来波动性很强，干旱频发，干旱强度严重，灾害区域主要集中在西部;4月份干旱变化比较均匀，基本平稳波动，但灾害偏向中东部，尤其是中部张掖，干旱严重;5～6月干旱最为频繁，干旱强度较重，灾害向研究区域东、西两端偏移。总体上看，4～9月干旱强度变化最大，旱灾最重，5～6月次之，4月最小。

2．3．2干旱范围年际变化

假定干旱指数Z≥3为偏旱，Z≥4为特旱，Z＞4为极旱，且当有50%以上的台站满足该条件时，即指定研究区域具有相应的干旱特征。对3个Z指数场20个台站干旱指标进行分析，结果显示:1)在1971～2006年3个关键期中，全部台站(100%)同时偏旱的年份≥14%，其中50%以上台站均偏旱的年份≥80%，特旱的年份≥25%(表3)，表明研究区域干旱特征非常显著;2)4～9月在1991年特旱范围高达75%，同年极旱范围高达35%，为近40年来罕有的干旱;3)4月在1999年特旱范围高达85%，1978、1999、2005年极旱范围均为30%;4)5～6月在1995、2001年特旱范围为90%，尤其是2001年极旱范围高达40%，为近40年之最。因此，可以认定从90年代以来干旱范围显著增大，干旱强度明显增强。

2．3．3干旱程度年代际变化

如果用1971～1980、1981～1990、1991～2000、2001～2006年分别表示年代际变化，分析结果显示:(1)研究区域4～9月偏旱范围逐渐增大，2001～2006达到高峰，平均为15．2个台站，覆盖率高达76%;特旱范围呈波动性变化，90年代略低，80年代和2001～2006年覆盖率均超过33%。

(2)4月份偏旱范围在增大中略有波动，90年代高达77%，2001～2006年略有下降，为75%;特旱范围的变化大致相同，90年代覆盖率高达40%，2001～2006年下降到37%。

(3)5～6月偏旱范围变化幅度最大，波动性比较明显，70年代和90年代均超过80%，80年代仅有60%，2001～2006年为75%，特旱范围从80年代开始增大趋势明显，2001～2006年高达36%，同期极旱覆盖率为11%，干旱状况严重。综合分析看，3个关键期年代际偏旱范围稍有差异，前者持续增大，后二者增大中略有波动。特旱范围变化大致相同，2001～2006年特旱覆盖率均超过33%，尤其是5～6月极旱范围大、干旱强度非常显著。

3结论

(1)河西走廊降水呈减少趋势，但降水变化具有差异性。西部的敦煌～安西为干中心，东部的乌鞘岭为湿中心;最大增湿中心武威～永昌，最大趋干中心是马鬃山;中东部的民乐、山丹、永昌、武威降水增多，其余地方降水均减少。

(2)对研究区域4～9月、4月、5～6月三个关键期Z指数场综合分析，河西走廊干旱特征明显，具有高度一致性，中西部对干旱变化响应敏感。关键期的旱灾区域分别集中在西部、中东部(尤其是张掖)、东西两端，并在1991、1999、2001形成重灾年。90年代以来干旱范围显著增大，干旱强度明显增强。

(3)河西走廊降水普遍减少，干旱危害程度加剧，农业发展受到严重制约，加之国家对生态保护和节水经济的要求，区域农业发展应在因地制宜、区别对待的基础上，减少旱作农业、控制灌溉农业、大力发展日光温室为主的设施农业，以促进区域农业可持续发展。