王秀娜， 丁永建，3， 王 建， 赵传成

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州730000；4.盐城师范学院城市与规划学院，江苏盐城224002；5.兰州城市学院地理与环境工程学院，甘肃兰州730070）

0 引言

全球气候变化和频繁的人类活动对全球水文循环产生了深远的影响［1-2］，而干旱地区作为全球气候变暖响应最敏感的地区之一，水循环和生态系统受到的影响更为显著［3-5］。降水是全球水循环的基本组成部分［6］，也是气候和水文研究最为重要的输入变量之一，对于干旱、半干旱地区而言，降水的变化直接关系到地表径流和区域干湿状况的变化［7-9］。中国西北地区当前正处于由暖干向暖湿转型的阶段，且全区根据转型趋势的不同分为显著转型区、轻度转型区和未转型区三种类型［10］，祁连山及其北侧中西段地区为显著转型区，而甘肃、青海边缘戈壁荒漠地区属于轻度转型地区，且将来可能会有所变化［11-12］。

现阶段已经广泛展开不同区域降水总量时空变化的研究工作，青藏高原东部、南部地区降水线性增长率显著高于区内其他区域，站点则表现为不同程度的下降趋势，年际变率介于5.90～26.59 mm·（10a）-1［13-14］；新疆和田地区小、中降水量和降水日数的增加是降水年际增加的主要原因［15］；河西地区降水量、极端降水事件和径流量变化趋势在空间上表现出显著的东西差异和南北差异，东部地区降水量变化最为显著，增幅在20 mm·（10a）-1以上［16-20］，差异的形成主要受海拔和下垫面影响。河西地区处于亚洲夏季风与西风带之间的气候过渡地带［21］，年均蒸发量可达2 000～3 000 mm以上，气候非常干燥，水资源极为珍贵，生态环境脆弱，土地承载力非常有限［22-24］，针对降水日特别是不同级别降水日数及强度的变化的研究相对薄弱。本研究利用河西地区18个国家基本气象站1960—2017年逐日降水数据，综合分析了区内多年降水时空变化特征及不同量级降水日数及降水强度的变化趋势，有助于深入了解和掌握河西地区降水变化特征，为区域更合理的利用水资源及制定防灾减灾政策提供参考。

1 研究区概况

本文研究区域包含河西三大内陆河流域（36.8°～43.0°N、92.9°～104.5°E），文中称河西地区，由疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域三个内陆河流域组成，巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠也位于区内，区域面积31.72×104km2。研究区深处亚欧大陆腹地，位于青藏高原东北边缘下行地带（图1），由于自然条件恶劣，区内国家气象站非常稀少（约0.63个气象站/10 000 km2），且分布极不均匀，多数气象站集中在海拔1 000～2 000 m的绿洲区。研究区气候以干旱大陆性气候为主，年平均气温5～9℃，降水稀少，时空分布极不均匀，已有研究表明4—9月降水量约占全年降水量90%［25］，空间上表现出随海拔从南部山区到北部荒漠地带以及随经度由东南到西北逐渐减少的变化趋势。

图1 河西地区气象站及地形分布Fig.1 Geographical location of the Hexi region along with the spatial distribution of meteorological stations

2 数据来源与预处理

研究数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）地面气候资料日值数据集（V3.0），选取河西地区18个气象站1960—2017年逐日降水资料，气象站点空间分布见图1，基本信息见表1。中国地面气候资料日值数据集（V3.0）包含中国824个基本气象站1951年1月以来的气象数据，数据均经过国家气象信息中心质量控制［26-27］。

表1 河西地区气象站点基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Hexi region

数据集中日降水数据记录的是北京时间前一天20：00至当日20：00之间的总降水量，将日降水量大于等于0.1 mm统计为降水日，降雪等固体降水转化为液体降水统计，参考全国、甘肃省降水分级标准［28］，将研究区日降水数据划分为6个等级：零星小雨（0.1 mm≤日降水＜1 mm）、小雨（1 mm≤日降水＜5 mm）、小到中雨（5 mm≤日降水＜10 mm）、中雨（10 mm≤日降水＜25 mm）、大雨（25 mm≤日降水＜50 mm）、暴雨（日降水≥50 mm）。本研究季节划分标准：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月。

研究中采用线性倾向趋势分析评价降水的变化趋势。

式中：yi为第i年的观测值；xi为年份序列号；回归系数b和常数a通过最小二乘法估算。回归系数b的正负号表示降水的趋势倾向，若b大于0（小于0），说明随时间x的增加y呈上升趋势（下降趋势）；b×10称为气候倾向率，单位为某要素单位·（10a）-1。

为消除降水数据的随机波动，采用5年趋势滑动和10年趋势滑动方法求得降水新序列，然后再计算其倾向趋势。其中5年趋势滑动采用式（2），10年趋势滑动采用式（3）。

式中：y'i为第i个新序列值；yi为原序列值。对于新序列两段数据采取弹性滑动窗口，比如5年趋势滑动中第1个值，采用1～3年平均值；第2个值，采用1～4年平均值；第3个为正常5年滑动平均。

在计算区域平均降水参数时，考虑到气象站在空间分布上的不均匀性，为更精确描述各参数值，引入泰森多边形法进行计算［29-30］。泰森多边形通过ArcGIS软件（Analysis ToolsProximityCreate Thiessen Polygons）实现，河西地区各站点泰森多边形控制面积及其权重见表1。降水强度是用来描述一定时期内降水量的指标，通过总降水量除以总降水日数求得，单位为mm·d-1。

3 结果与讨论

3.1 降水特征

根据河西地区1960—2017年逐日降水资料，计算得到各站点多年平均降水量34.8～393.1 mm；根据泰森多边形法计算得到区域多年平均降水量99.0 mm。区内南部高海拔山区的祁连、托勒、野牛沟和乌鞘岭站降水量相对较高，多年平均降水量介于265.0～393.1 mm，其中祁连站年降水量最高；最北部站点额济纳旗降水量最低，多年平均降水量仅为34.8 mm，约为祁连站的8.9%。区内降水空间差异性显著，南部山区降水量显著高于北部戈壁荒漠区，总体表现为降水量从东南向西北的递减特征［图2（a）］。对比图2（a）和（b），河西地区各站点多年平均降水量与气候倾向率显示出较为一致的空间分布规律：在多年平均降水量高的站点，降水增加趋势显著，气候倾向率相对较高；二者的相关系数为0.8601，通过0.01显著性水平检验。

通过逐年趋势、5年趋势滑动和10年趋势滑动，对河西地区年平均降水量进行线性倾向分析。结果表明，河西地区年降水量逐年趋势、5年趋势滑动和10年趋势滑动的相关系数分别为0.6711、0.9225和0.9615，10年趋势滑动的相关系数最高，结果均通过0.01显著性水平检验，三者b值的变化在5%以内［图3（a）］。即河西地区年平均降水量呈现明显的上升趋势，10年趋势滑动求得年平均降水量的气候倾向率为8.72 mm·（10a）-1。本研究得到的气候倾向率基本与林婧婧等［31］计算的河西走廊20世纪80年代中期以来降水量增加趋势8.10 mm·（10a）-1吻合。以10年滑动降水变化趋势为例，说明河西地区各站点年降水量变化趋势［图2（b）］：各站点年降水量线性倾向趋势不尽一致，仅有位于最北端的额济纳旗年降水量无变化趋势，西北的马鬃山年降水量呈逐年减少的趋势，气候倾向率为-2.02 mm·（10a）-1；其他各站点均表现为逐年增加的趋势，气候倾向率介于2.04～49.75 mm·（10a）-1，其中，野牛沟降水增加趋势最显著，为49.75 mm·（10a）-1，其次为托勒、乌鞘岭和祁连，分别为41.93 mm·（10a）-1、38.80 mm·（10a）-1和24.20 mm·（10a）-1。总体来说，河西地区南部山区降水表现为较显著的增加趋势，山区向戈壁荒漠的过渡区降水量也呈现增加趋势，北部荒漠区降水变化不明显或为减少趋势。

图2 1960—2017年河西地区多年平均降水量及气候倾向率空间分布Fig.2 Spatial distribution of average annual precipitation and its variability in the Hexi region during 1960—2017

图3 1960—2017年河西地区降水变化Fig.3 Annual variations of precipitation in the Hexi region during 1960—2017

河西地区多年平均月降水量呈现单峰分布，降水量从5月开始显著增加，7月达到峰值，10月后显著下降，12月至次年2月降水稀少（图4）。5—10月夏秋汛期降水量占年降水量89.2%，冬季降水较少，仅占年降水量的3.1%。研究区大部分站点多年平均月降水量最大值出现在7月，仅有武威、民勤两站出现在8月。河西地区属于温带大陆性干旱气候，夏季降水主要受侵入本地的夏季风和西风带影响，带来大量水汽，通常在7月水汽通量达到峰值，随后便开始下降。

图4 河西地区月平均降水量Fig.4 Average monthly precipitation in the Hexi region

河西地区各季节降水量均呈现显著上升趋势，但春季和秋季的降水日数显著增加，降水强度无明显变化；夏季降水日数无明显变化，降水强度显著增加，冬季降水日数和降水强度均显著增加（表2）。

表2 1960—2017年河西地区各季节降水年际变化趋势Table 2 Interannual variation trend of seasonal precipitation in the Hexi region during 1960—2017

3.2 降水日数总体分布

根据1960—2017年逐日降水资料，河西地区多年平均降水日数36.7天，平均降水强度2.70 mm·d-1。其中零星小雨日数17.3天，占降水总日数的47.1%；其次为小雨，平均降水日数为13.3天，占降水总日数的36.2%；小到中雨降水日数为4.0天，占比10.9%；中雨2.0天，占比5.4%；大雨及以上降水占比0.5%；小于5 mm降水日数约占总降水日数的

83.3%。

对河西地区平均降水日数进行逐年、5年趋势滑动和10年趋势滑动线性倾向分析。结果表明，逐年、5年趋势滑动和10年趋势滑动相关系数分别为0.7315、0.8669和0.8833，均通过0.01显著性水平检验［图3（b）］。河西地区平均降水日数呈现明显的上升趋势，10年趋势滑动求得年平均降水日数的增幅为3.18 d·（10a）-1。

同样对河西地区平均降水强度进行线性倾向分析。结果表明，逐年线性倾向分析结果不能通过0.1显著性水平检验，5年趋势滑动分析结果仅能通过0.05显著性水平检验，10年趋势滑动分析结果能通过0.01显著性水平检验［图3（c）］。河西地区平均降水强度呈现减弱趋势，10年趋势滑动求得平均降水强度的变化速率为-0.04 mm·d-1·（10a）-1。

河西地区多年平均降水量与各级别平均降水日数均呈现显著性相关，且通过0.01显著性水平检验。其中，多年平均降水量与中雨级别的降水日数相关性最高，相关系数为0.9953，其次是小雨降水日数，相关系数为0.9898，再次为小到中雨降水日数，相关系数为0.9881，大雨及以上降水日数相关系数为0.8699。虽然中雨降水日数仅占全年降水日数的5.4%，但与全年降水量的相关性最大，贡献最强，影响最大。其次小雨降水日数占全年降水日数36.1%，对全年降水量的贡献也较高。虽然区域内发生大雨及以上级别降水日数少，但因高强度降水事件极易引发洪水、滑坡等次生灾害，也应引起足够重视。

河西地区降水日数空间分布总体表现为以托勒至张掖一线为界，东南多、西北少的特征（图5）。西北部零星小雨、小雨级别降水日数普遍较低，额济纳旗、敦煌和瓜州小雨级别降水日数年均小于8.1天，东南部民勤站零星小雨、小雨级别降水日数也明显少于周边地区，西北部马鬃山零星小雨级别降水日数明显偏多；小到中雨、中雨级别降水日数以酒泉—金塔—鼎新一线，西北部的大部分地区年均不足1.0天，东南地区年均高于2.0天，相较于东南地区的其他站点，武威、民勤中雨级别降水日数明显偏低，年均少于临近地区1.0天；大雨及以上级别降水日数空间分布以托勒至张掖一线为界，东南部大雨降水日数明显高于全区平均，西北部大雨降水日数明显偏低。

图5 1960—2017年河西地区年均降水强度及不同级别的年均降水日数空间分布Fig.5 Spatial distribution of average precipitation intensity and different level rain days in the Hexi region during 1960—2017

与降水量年内分布特征相似，河西地区各站点不同级别降水日数也表现出显著的季节变化特征。图6为根据1960—2017年逐日降水资料分季节统计的河西地区各站点不同级别降水日数分布图。结果显示河西地区各站点降水日主要集中在夏季，约占总降水日数的54.6%；春季与秋季降水日数接近，但是中雨及以上降水日秋季高于春季；冬季降水量最少，以零星小雨、小雨量级的降雪为主，没有中雨及以上量级的降雪。

图6 1960—2017年河西地区分季节统计的各站点不同级别降水日数分布Fig.6 Seasonal distribution of different level rain days in the Hexi region during 1960—2017

3.3 不同级别降水日数及平均降水强度线性倾向

（1）零星小雨

各站点零星小雨级别降水日数均呈现出增加趋势，10年趋势滑动增幅为0.6～9.7 d·（10a）-1，区域平均增幅为1.70 d·（10a）-1，空间分布呈现东南部站点增幅大，西北部站点增幅较小的特征，其中乌鞘岭增长趋势最明显，增幅为9.7 d·（10a）-1，其次为野牛沟，增幅为5.1 d·（10a）-1，额济纳旗增长趋势最弱，增幅为0.6 d·（10a）-1。在零星小雨级别平均降水强度10年趋势滑动分析中，除高台、托勒和民勤没有表现出明显的倾向性外，其余站点均表现出较强线性倾向性，均可通过0.05显著性水平检验；部分站点零星小雨平均降水强度下降，降幅为每百年0.02～0.10 mm·d-1，部分站点零星小雨降水强度增强，增幅为每百年0.03～0.08 mm·d-1，区内零星小雨级别平均降水强度整体表现为下降趋势，降幅为每百年0.02 mm·d-1（图7）。

图7 1960—2017年河西地区零星小雨年降水日数及年均降水强度倾向率空间分布Fig.7 Spatial distribution of average annual sporadic light rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（2）小雨

各站点小雨降水日数呈现出明显的增加趋势，10年趋势滑动增幅为0.3～5.3 d·（10a）-1，区域平均增幅为1.13 d·（10a）-1。在小雨级别平均降水强度10年趋势滑动分析中，瓜州、玉门镇、山丹、永昌四站没有显著的变化趋势，其他站点均表现出显著的线性倾向性，通过0.05显著性水平检验，大部分站点小雨级别平均降水强度表现出逐年下降的趋势，降幅为每百年0.16～0.94 mm·d-1，仅有鼎新、民勤和金塔表现出逐年增强的趋势，增幅分别为每百年0.50 mm·d-1、0.28 mm·d-1和0.16 mm·d-1，区内小雨级别平均降水强度整体表现为下降趋势，降幅为每百年0.21 mm·d-1（图8）。

图8 1960—2017年河西地区小雨年降水日数及年均降水强度倾向率空间分布Fig.8 Spatial distribution of average annual light rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（3）小到中雨

小到中雨降水日数10年趋势滑动分析中，仅民勤没有显著的变化趋势，其他站点均表现出显著的线性倾向性，通过0.1显著性水平检验，其中，额济纳旗、马鬃山、瓜州和鼎新小到中雨降水日数呈现减少趋势，降幅为0.04～0.19 d·（10a）-1，其他站点的小到中雨降水日数呈现增长趋势，增幅为0.01～1.68 d·（10a）-1，区域内总体呈现增加趋势，平均增幅为0.16 d·（10a）-1。在小到中雨平均降水强度10年趋势滑动分析中，鼎新、野牛沟、山丹、乌鞘岭有逐年降低趋势，降幅为每百年0.19～0.80 mm·d-1，酒泉、高台、托勒、永昌、武威和民勤为增强趋势，增幅为每百年0.11～1.00 mm·d-1，区内小到中雨级别平均降水强度整体表现为上升趋势，升幅为每百年0.07 mm·d-1（图9）。

图9 1960—2017年河西地区小到中雨年降水日数及年均降水强度倾向率空间分布Fig.9 Spatial distribution of average annual light to moderate rain days and precipitation intensity variabilities in the Hexi region during 1960—2017

（4）中雨及以上

河西地区发生中雨及以上级别降水事件次数较少，大部分站点年均不足1次，在分析降水日数随时间变化中为无效数据，故在中雨分析中选择年均中雨强度降水日数4天及以上的站点，不再分析大雨及以上降水随时间变化特征。中雨强度降水日数年均4天及以上的站点仅有6个，为托勒、野牛沟、祁连、山丹、永昌和乌鞘岭。

在中雨级别降水日数10年滑动分析中（表3），6站均表现出显著增加趋势，增幅0.01～1.23 d·（10a）-1，其中山丹通过0.05显著性水平检验，其他5站均能通过0.01显著性水平检验。在中雨级别平均降水强度10年趋势滑动分析中，托勒和祁连表现出显著的增强趋势，增幅分别为每百年2.34 mm·d-1和2.36 mm·d-1；永昌和乌鞘岭为显著下降趋势，降幅分别为每百年1.22 mm·d-1和0.88 mm·d-1，均能通过0.01显著性水平检验，野牛沟和山丹无明显变化趋势。

表3 1960—2017年河西地区中雨年际变化趋势Table 3 Interannual variation trend of moderate rain in the Hexi region during 1960—2017

上述分析结果显示，河西地区平均降水强度变化速率为-0.04 mm·d-1·（10a）-1，而零星小雨和小雨级别平均降水强度的变化速率分别为-0.002 mm·d-1·（10a）-1和-0.021 mm·d-1·（10a）-1，小到中雨级别平均降水强度变化速率为0.007 mm·d-1·（10a）-1，可以推测中雨及以上级别降水的平均降水强度呈现下降趋势。

4 结论

通过分析河西地区1960—2017年降水量、降水日数、平均降水强度的年际变化、年内分布及不同级别降水降日数及降水强度的变化趋势，初步得到河西地区降水变化特征：

（1）河西地区多年平均降水量为99.0 mm，呈现明显上升趋势，平均倾向率为8.72 mm·（10a）-1，二者显著相关。各站点多年平均降水量34.8～393.1 mm，南部山区降水量显著高于北部戈壁荒漠区。多年平均月降水量为单峰分布，5—10月夏秋汛期降水量占年降水量89.2%，各季节降水量均呈现显著上升趋势。

（2）区内平均降水日数为36.7天，呈现明显的上升趋势，增幅为3.18 d·（10a）-1。各站点降水日数空间分布表现为以托勒至张掖一线为界，东南多、西北少的特征，降水日主要集中在夏季，约占总降水日数的54.6%。平均降水强度2.70 mm·d-1，呈现减弱趋势，变化速率为-0.04 mm·d-1·（10a）-1。

（3）零星小雨和小雨降水日数均呈现增加趋势，增幅分别为1.70 d·（10a）-1和1.13 d·（10a）-1，二者平均降水强度均为下降趋势，降幅为每百年0.02 mm·d-1和0.21 mm·d-1。小到中雨级别降水日数和降水强度呈现增加趋势，降水日数增幅为0.16 d·（10a）-1，平均降水强度升幅为每百年0.07 mm·d-1。河西地区发生中雨及以上的降水事件较少，大部分站点年均不足1次，降水日数长期变化趋势不明显，综合分析得知中雨及以上级别降水的平均降水强度呈现下降趋势。