殷方圆, 殷淑燕

(陕西师范大学 旅游与环境学院, 陕西 西安710062)

近51 a长江中下游与黄河中下游地区夏季降水变化对比

殷方圆, 殷淑燕

(陕西师范大学 旅游与环境学院, 陕西 西安710062)

摘要：[目的] 对比分析长江中下游和黄河中下游地区夏季降水变化特征。[方法] 利用长江中下游48个站点和黄河中下游地区的45个站点1960—2010年51 a的夏季逐月降水资料,采用M—K检验和小波分析等方法,对其降水的年代际变化、降水序列变化的周期和突变点进行了对比分析,并对降水格局变化的原因进行了分析。[结果] 1960—2010年,长江中下游地区的夏季降水呈增加趋势,黄河中下游地区呈减少趋势,整体上表现为南涝北旱;从年代际角度来看,20世纪60年代和70年代,长江中下游地区为少雨期,黄河中下游地区为多雨期;80年代,长江中下游地区降水量较70年代增多,而黄河中下游地区降水量减少;90年代,长江中下游地区的降水明显增加,而黄河中下游地区的降水持续减少;21世纪,长江中下游地区降水有所减少,而黄河中下游地区降水略有增加。小波分析结果表明,两个地区降水变化主周期都约为10~12 a,但正负相位时段相反。两个地区的夏季降水格局的变化反映了东亚夏季风的强弱变化,东亚夏季风的强弱变化是造成这种降水格局的主要原因。[结论] 在未来的10~12 a内,东亚夏季风可能有增强趋势,需要注意未来中国夏季降水可能出现的南旱北涝变化格局。

关键词：夏季降水; 长江中下游地区; 黄河中下游地区

据IPCC第四次评估报告的内容，在过去的100年里，全球平均地表温度上升了0.74 ℃，到2100年，全球中纬度地区的降水量和水资源进一步减少，中高纬度地区有可能增加[1]。尽管很多研究者从各个角度分别对长江中下游和黄河中下游地区的夏季降水进行过研究[2-7]，但尚未有人将两个地区的夏季逐月降水量进行对比研究并从全球变暖背景下的季风环流因素角度进行综合分析。

受季风气候影响，长江中下游和黄河中下游地区降水都集中于夏季，长江中下游地处亚热带季风气候区，初夏，低纬海洋暖湿气流侵入，与北方干冷空气交汇，形成梅雨锋系，造成连绵不断的阴雨天气和暴雨。若持续时间较长，则易形成涝灾。盛夏7，8月间，西太平洋副热带高压西伸北抬，长江中下游地区受其控制，天气酷热，若持续时间较长，则易形成旱灾[8]。与长江中下游地区相比，黄河中下游地区纬度偏北，中间又有秦岭山脉的阻隔，当东亚夏季风较强时，夏季风可以较早越过秦岭，为黄河中下游带来充沛的水汽，与北方干冷气团相遇，就会形成较多降水，因此表现出南旱北涝；但如果东亚夏季风较弱，长时间滞留在秦岭以南，则会出现南涝北旱。近年来，全球变暖的背景下，在自然因素和人为因素的共同影响下，长江中下游地区多发洪水，黄河中下游地区经常发生断流，两个地区的旱涝灾害给两个区域带来巨大的经济和生态环境损失。

中国位于亚欧大陆的东部，受季风影响比较大，尤其是夏季风对中国的降水格局产生重要影响。长江中下游地区和黄河中下游地区人口密集、农业发达，是中国重要的经济地带。作为夏季风的敏感区，由于受夏季风影响的时间不同，决定了两个地区的降水变化格局差异，故而对夏季降水的对比分析具有重要意义。本文选取长江和黄河中下游地区1960—2010年51 a的夏季逐月降水资料，采用M—K检验和小波分析法，对其降水的年降变化，降水方列变化的周期和突变点进行对比分析，以期找出研究区降水为化规律，为未来降水格局预测提供科学依据。

1数据来源与研究方法

研究选用长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季(6—8月)逐月降水资料，计算得到两个地区夏季降水的多年平均值，数据资料来自中国气象局国家气象信息中心数据应用服务室，由于研究区域的站点建站时间不同，资料长短不一且存在很多缺测，对缺测较多的台站进行了剔除，选取长江中下游地区的48个站点和黄河中下游地区45个站点资料，时间序列长度选取1960—2010年共51 a，该资料经过严格质量控制和检查。黄河中下游地区选取山西、陕西、河北、河南、山东5个省区，长江中下游地区选取江苏、浙江、江西、安徽、湖北、湖南、上海6省1市。研究区域及所选站点见图1。

图1　研究区域及站点

本文采用的分析方法主要有多年降水距平、相关系数的显著性检验、M-K检验和小波分析。Mann-Kendall 突变检验是一种非参数统计检验方法，亦称无分布检验，适合于水文气象等非正态分布的数据。该方法能明确降水的演变趋势、是否存在突变现象以及明确突变开始的时间，并指出突变区域[9]。分析绘出的UF和UB曲线图，若UF或UB的值大于0，则表明序列呈上升趋势，若其小于0，则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

小波分析亦称多分辨率分析。在气候诊断中，广泛使用的傅里叶变换可以显示出气候序列不同尺度的相对贡献，而小波变换不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出变化的时间位置，它对于获取一个复杂时间序列的调整规律，诊断出气候变化的内在层次结构，分辨时间序列在不同尺度上的演变特征等是非常有效的。

2结果分析

2.1　夏季平均降水量的的年际变化对比

为便于对长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水进行比较，分别计算了长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水距平的年际变化(图2)，由于受季风控制，近51 a来，两个地区的夏季降水量逐年变化趋势存在显著差别，由图2 a可知，总体上，1960—2010年，长江中下游地区夏季降水量呈增加趋势，降水的倾向率为24.949 mm/10 a，R=0.42，R0.01=0.357 54，R>R0.01，说明长江中下游地区夏季平均降水量线性增加趋势达到了极显著水平，1989年以前以负距平为主，基本上都在负距平范围内变化，并在1978年达到最低值-204.36 mm，1989年以后以正距平为主，在1999年达到最大值183.5 mm；由图2 b可知，相对于长江中下游地区的增加幅度，黄河中下游地区减少趋势较为缓和，1980年以前以正距平为主，在1964年达到最大值123.52 mm，1980年以后以负距平为主，在1997年达到最低值-149.28 mm。1980—1989年，对两地区来说，都是降水量距平的转折期，但变化方向刚好相反，长江中下游地区由负距平转为正距平，黄河中下游地区由正距平转为负距平，正是东亚夏季风强弱不同导致我国出现南旱北涝或南涝北旱格局的反映。

2.2　夏季平均降水量的年代际变化特征

进一步对长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水进行比较，分别计算出1960—2010年长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水距平的年代际变化(表1)。

图2　长江中下游地区和黄河中下游地区夏季平均降水距平变化

表1　黄河中下游地区和长江中下游地区夏季平均降水量距平的年代际变化　　　　mm

由表1可见，20世纪60年代和70年代，长江中下游地区的降水距平值为负，说明期间降水较少，而黄河中下游地区的降水距平值为正，说明期间降水较多，两个地区的降水变化表明了我国夏季风较强，雨带偏北，长江中下游地区出现伏旱时间长，形成了南旱北涝的变化特征；80年代，两个地区的降水距平值均为负值，说明期间降水都较少，但长江中下游地区降水量距平从70年代的-44.33 mm上升到80年代的-5.43 mm，说明降水明显较70年代增多，而黄河中下游地区降水量距平从70年代的9.75 mm减少到80年代的-7.35 mm，夏季风有减弱趋势；90年代和21世纪初，长江中下游地区的降水距平值为正，说明期间降水增加，而黄河中下游地区的降水距平值为负，说明期间降水减少，两个地区的降水变化表明了我国夏季风较弱，雨带范围小，形成了南涝北旱的变化特征；在年代际变化中，长江中下游地区60—70年代为干旱期，80—90年代为多雨期[10-12]，而90年代是长江中下游地区近百年来降水最多的10 a[13]；黄河中下游地区60—70年代为多雨期，之后一直处于干旱期；90年代，两个地区形成了明显的南涝北旱格局。21世纪初，仍表现为南涝北旱，但与20世纪90年代相比，长江中下游地区降水有所减少，黄河中下游地区降水有所增加，说明夏季风虽然还较弱，但已有逐渐增强的趋势。从研究结果来看，未来中国有可能出现夏季风增强趋势，而转变为南旱北涝的变化格局。

2.3　夏季平均降水量变化特征的突变性检验

对两个地区的夏季平均降水量的变化特征进行突变性检验，由UF曲线(图3a)可见，自20世纪80年代以来，长江中下游地区夏季平均降水量有一明显的增加趋势，90年代中期这种增加趋势大大超过显著性水平0.05的临界线，甚至超过0.001显著性水平，表明长江中下游的夏季降水量增加趋势是十分明显的。根据UF和UB曲线交点的位置，确定长江中下游地区的夏季降水量在80年代增加是一突变现象，具体是从1986年开始，在90年代中后期达到最大。由UF曲线(图3b)可见，20世纪60年代中期，黄河中下游地区夏季平均降水量有一明显的增加趋势，之后一直呈减少趋势，根据UF和UB曲线交点的位置，1967年为降水减少的一转折点，但未超过显著性水平0.05的临界值，即未达到突变水平。

图3　长江中下游地区和黄河中下游地区夏季降水序列的Mann-Kendall检验结果

2.4　夏季降水时序变化的小波分析

为较清晰地比较长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水量的变化关系，采用小波分析法进行对比。小波变换系数实部正负值在时间序列上的变化，低频部分，等值线相对稀疏，对应较长尺度周期的振荡；高频部分，等值线相对密集，对应较短尺度周期的振荡，小波变化系数实部在平面等值线上的正负值在时间序列上表现为降水量的丰、枯变化，等值线中心对应的尺度为降水序列变化的主周期[14]。图4 a是长江中下游地区夏季降水距平小波变换系数实部等值线图，可以看出，在8～12 a较大时间尺度上，夏季降水经历了：少→多→少→多→少→多→少→多8个循环交替，在16～18 a尺度上，夏季降水经历了：少→多→少→多→少5个循环交替，在等值线的底部则有多个相对多雨期和少雨期的循环交替，进一步分析可以看出51 a的夏季降水存在周期性位相变化，在10 a尺度上显示出了强周期位相结构，1963—1969年、1972—1980年、1986—1994年、2000—2004年时间段均为负相位，表明这些时间段内降水偏少，而1969—1972年、1980—1986年、1995—2000年时间段均为正位相，表明这些时间段内降水偏多；从图4 b可以看出，黄河中下游地区在10～16 a较长的尺度上，夏季降水经历了：多→少→多→少→多→少→多7个循环交替，在等值线底部较小尺度上则存在多个相对多雨期和少雨期的循环交替，进一步分析可以看出51 a的夏季降水存在周期性位相变化，在12 a尺度上显示出了强周期位相结构，1960—1967年、1874—1983年、1991—1997年时间段均为正相位，表明这些时间段内降水偏多，而1967—1974年、1983—1991年、1997—2004年时间段均为负相位，表明这些时间段内降水偏少。两个地区降水变化主周期都约为10～12 a，但正负相位时段相反。表现出两个地区受夏季风强弱影响，夏季降水反相的特征。

a 长江中下游地区　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b 黄河中下游地区

图4长江中下游地区和黄河中下游地区夏季降水小波变换

3讨 论

长江中下游和黄河中下游地区地处东亚季风区，东部地区雨带的进退、雨季的长短起讫和旱涝变化，都与东亚夏季风的进退过程及其变化有关。当夏季风增强时，主要雨带位置易偏北；反之当夏季风减弱时，主要雨带位置易偏南[15]。当东亚夏季风偏强时，副高位置偏北，副高强度偏强，夏季风的前沿到达黄河中下游地区时间较早，在此地区维持时间长，黄河中下游地区容易偏涝，长江中下游地区容易偏旱，形成南旱北涝降水格局。如东亚夏季风最强的1962—1963年是“63·8”河北特大暴雨年[16]；东亚夏季风偏弱时，夏季风的前沿到达黄河中下游地区，在长江中下游地区停滞时间较长，夏季风的位置偏南，副高位置偏南及强度偏强，东亚夏季风偏弱，黄河中下游地区容易偏旱，长江中下游地区容易偏涝，形成南涝北旱降水格局。如东亚夏季风最弱的1998—1999年对应长江流域洪涝[15]。

本文研究结果表明，20世纪60年代和70年代，中国长江中下游地区为少雨期，黄河中下游地区为多雨期，雨带偏北，长江中下游地区出现伏旱时间长，形成了南旱北涝的变化特征，表明当时为夏季风较强的时期；80年代，长江中下游地区降水量较70年代增多，而黄河中下游地区降水量从正距平变化为负距平，降水量减少，夏季风有减弱趋势；90年代和21世纪初，长江中下游地区的降水明显增加，90年代成为长江中下游地区近百年来降水最多的10 a，而黄河中下游地区的降水持续减少，两个地区的降水变化表明了中国夏季风减弱，雨带范围小，形成了南涝北旱的变化特征，在长江流域多发洪水。21世纪初，仍表现为南涝北旱，但与20世纪90年代相比，长江中下游地区降水有所减少，黄河中下游地区降水有所增加，说明夏季风虽然还较弱，但已有逐渐增强的趋势。

夏季降水时序变化的小波分析表明，两个地区降水变化主周期都约为10～12 a，但正负相位时段相反。表现出两个地区受夏季风强弱影响，夏季降水反相的特征。综合以上研究来看，在未来的10～12 a内，东亚夏季风有增强趋势，需要注意中国夏季降水可能出现的南旱北涝变化格局。

4结 论

本文利用长江中下游48个站点和黄河中下游地区45个站点1960—2010年51 a的夏季逐月降水资料，对两个地区的夏季降水变化特征进行了详细对比分析，揭示了两个地区的夏季降水变化趋势、降水突变特征和降水变化周期。

(1) 1960—2010年，从整体上看，两个地区的夏季降水年际变化中，长江中下游地区呈增加趋势，降水的倾向率为24.949 mm/10 a，黄河中下游地区呈减少趋势，降水的倾向率为5.697 mm/10 a，长江中下游地区的降水变化率比黄河中下游地区的变化率更为剧烈。

(2) 从年代际角度分析，20世纪60年代和70年代，我国长江中下游地区为少雨期，黄河中下游地区为多雨期；80年代，长江中下游地区降水量较70年代增多，而黄河中下游地区降水量从正距平变化为负距平，降水量减少；90年代和21世纪初，长江中下游地区的降水明显增加，90年代成为长江中下游地区近百年来降水最多的10 a，而黄河中下游地区的降水持续减少。21世纪初，仍表现为南涝北旱，但与20世纪90年代相比，长江中下游地区降水有所减少，黄河中下游地区降水有所增加。2个地区的旱涝变化显示了夏季风的强弱变化。

(3) 对2个地区的夏季降水特征的突变性分析表明，自20世纪80年代以来，长江中下游地区夏季平均降水量有一明显的增加趋势，90年代中期这种增加趋势更加显著，长江中下游地区的夏季降水量在80年代增加是一突变现象，具体是从1986年开始，到90年代中后期达到高峰；20世纪60年代中期，黄河中下游地区夏季平均降水量有一明显的增加趋势，之后一直呈减少趋势，1967年是减少的转折点，但未达到突变水平，减少趋势不显著。

(4) 根据两个地区的小波变换图，长江中下游地区在8～12 a较大时间尺度上，夏季降水经历了：少→多→少→多→少→多→少→多8个循环交替，在16～18 a尺度上，夏季降水经历了少→多→少→多→少5个循环交替，在10 a尺度上显示出了强周期位相结构；黄河中下游地区在10～16 a较长的尺度上，夏季降水经历了：多→少→多→少→多→少→多7个循环交替，在12 a尺度上显示出了强周期位相结构。两个地区降水变化主周期都约为10～12 a，但正负相位时段相反。表现出两个地区受夏季风强弱影响，夏季降水反相的特征。

(5) 对长江中下游地区和黄河中下游地区的夏季降水量的变化趋势和分布格局的差异及其原因进行初步分析，结果表明，东亚夏季风的强弱是造成这种降水格局的主要原因，在未来的10～12 a内，东亚夏季风有增强趋势，需要注意中国夏季降水可能出现的南旱北涝变化格局。导致这种变化的机制还有待进一步研究。

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Comparison of Summer Precipitation Change in Mid-lower Reaches of Yangtze River and Yellow River During 1960-2010

YIN Fangyuan, YIN Shuyan

(CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] To investigate the change characteristics of summer precipitation in mid-lower reaches of Yangtze River and Yellow River.[Methods] Based on the summer monthly precipitation data from 1960 to 2010 of 48 stations in the mid-lower reaches of the Yangtze River and 45 stations in the mid-lower reaches of the Yellow River, the decadal change, the periodic oscillation of precipitation variation and the points of abrupt change, and the reasons of the change were comparatively analyzed by Mann—Kendall test and the Morlet wavelet method.[Results] The summer precipitation showed an increase trend in the mid-lower reaches of the Yangtze River and a decrease trend in the mid-lower reaches of the Yellow River during 1960—2010. On the whole, the summer precipitation showed the pattern of southern flood and northern drought. From the decadal perspective, it was drought period in the mid-lower reaches of the Yangtze River and flood period in the mid-lower reaches of the Yellow River during 1960s and 1970s. Summer precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze River in 1980s was more than that in 1970s, while precipitation in the mid-lower reaches of the Yellow River was less than that in 1970s. Summer precipitation was obviously in positive departure in the mid-lower reaches of the Yangtze River and it was negative departure in the mid-lower reaches of the Yellow River in 1990s. Summer precipitation was in negative departure in the mid-lower reaches of the Yangtze River and it was slightly positive departure in the mid-lower reaches of the Yellow River in 2000s. Based on the Morlet wavelet method, it was showed that the main cycle of precipitation was about 10 to 12 years in the mid-lower reaches of the Yangtze River and in the mid-lower reaches of the Yellow River, but the time of the phase cycle was opposite. The change of summer precipitation pattern in both regions showed the strength of the East Asian summer monsoon. The strength of the East Asian summer monsoon was mainly contributed to this precipitation pattern.[Conclusion] The East Asian summer monsoon would be stronger and it should to pay attention to the summer precipitation pattern of southern drought and northern flood in the next 10~12 years.

Keywords:summer precipitation; the mid-lower reaches of the Yangtze Rive; the mid-lower reaches of the Yellow River

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)01-0317-06

中图分类号：P468.0+24

通信作者：殷淑燕(1970—),女(汉族),黑龙江省木兰县人,博士,教授,博士生导师,主要从事环境变化与自然灾害研究。E-mail:yinshy@snnu.edu.cn。

收稿日期：2014-02-09修回日期：2014-03-10

资助项目：国家社会科学基金重点项目“历史时期汉江上游极端性气候水文事件及其社会影响研究”(11AZS009); 国家自然科学基金面上项目“黄河晋陕峡谷全新世古洪水事件及其与季风气候变化关系研究”(41471071，41271108，41371029)； 教育部博士点基金优先发展领域项目(20110202130002); 中央高校基本科研业务费创新团队项目(GK201301003)

第一作者：殷方圆(1989—),女(汉族),山东省临沂市人,硕士研究生,研究方向为环境变化与自然灾害。E-mail:1312039718@qq.com。