區域降水及其氣候特征統計分析范文

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降水是制約干旱區農業發展的關鍵因素。河西走廊氣候干旱，降水稀少，降水分布極不均勻，全年降水量10～500mm，夏半年(4～9月)降水占全年80%以上，生態異常脆弱，為典型的干旱荒漠氣候區。地理布局為東南～西北向，區域總面積27．7萬km2，平原面積占41%，平原上間歇分布著孤島式的綠洲。河西走廊是全國重要商品糧基地和經濟作物集中區，研究其降水變化及其干旱特征，對區域荒漠化治理、水資源合理配置和開發利用、綠洲農業可持續發展具有重要意義。干旱指標應能充分體現干旱影響程度與顯著低于正常降水而造成的水分短缺狀況，近年來我國學者對降水及干旱特征開展了諸多探討［1～6］，但由于干旱形成機理異常復雜，干旱指標具有明顯的地域性和時間尺度，因此就如何確立干旱指標形成兩種模式。一是通過研究干旱機理如蒸散效應、地面徑流、水分循環等表征干旱強度;二是應用氣象學方法研究降水分布規律來反映干旱特征。由于前者計算繁雜，且參數對經驗的依存性很高，從而大大降低了計算的精確性。目前，對干旱特征的研究多使用第二種模式，常用的方法有降水距平百分率、濕度指數和Z指數［7～9］，很多研究已被廣泛運用于區域性干旱特征的監測和預警，但河西走廊干旱特征研究尚不多見。

為建立一套實用、合理的干旱評價指標，針對研究區域降水分布極不均勻的特點，經過多種方法相互比對，文中選用Z指數作為河西走廊干旱指標體系，主要基于Z指數與降水量及其分布特征密切相關，且能有效消除平均值的影響，客觀反映研究區域干旱的基本特征。從Z指數干旱指標劃分入手，文中應用EOF數理統計方法［10］深入探討了降水及其干旱時空分布特征，以揭示研究區域干旱變化的基本規律。

1資料與研究方法

選用河西走廊20個氣象臺站(1971～2006年)逐月降水資料，所選臺站資料序列連續，地理位置分布均勻，對研究區域有較好的代表性。

Z指數是假定年降水近似服從正態分布，但年內某段時間降水并不呈正態分布，而是遵循P－Ⅲ型分布，首先對降水量進行正態化處理，將概率密度函數作Z轉化，使其具備正態分布特征。

根據Z變量正態分布曲線和研究區域干旱特征，將Z值劃分為5個等級，各級干旱指標(表1)。分析還顯示，Z指數與降水呈負相關，二者間相關系數通過99%的顯著性水平檢驗，表明用Z指數可以充分反映研究區域的降水特征。

2特征分析

2．1河西走廊降水場變化特征

總體看，近40年河西走廊降水143．2mm，降水變幅為－2．65mm·10a－1，但由于地形狹長，局域性分布特征明顯，降水變化具有差異性。降水場大致呈緯線布局，以西部的敦煌～安西為干中心，以東部的烏鞘嶺為濕中心，兩地平均降水差329mm。分析還顯示，在時間序列上有兩個梯度中心:最大增濕中心武威～永昌，變化幅度11mm·10a－1，最大趨干中心是馬鬃山，為－11mm·10a－1;在降水梯度場中僅中東部的民樂、山丹、永昌、武威為增濕性(dR/dt＞0)，即降水在增多，而其余地方均表現出趨干性(dR/dt＜0)，即降水在減少。

河西走廊地處祁連山與北山之間的狹長地帶，除沿河沖積平原上僅有的綠洲以外，大部分地區均以風力作用和干燥剝蝕為主的戈壁荒漠;另外，從東向西綠洲面積依次減少，西部多荒漠地帶，地表裸露，蒸散強烈，生態極其脆弱。在全球氣候變暖的背景之下，受大尺度環流形勢影響，河西走廊氣候變化表現得更加敏感。對降水場、溫度場綜合分析結果顯示:近40年研究區域總體為暖干型，但東西部差異顯著，西部為暖干型，東部為冷濕型，中部民樂～武威為暖濕型，這種分布特征在近10余年表現尤為突出。

2．2河西走廊Z指數場EOF特征

河西走廊大田農業生產集中在夏半年，一般4月份播種，9月份收獲，因此4～9月降水是影響研究區域農業發展的重要因素。分析近40年來農作物生長狀況，發現春季(4月)和春末夏初(5～6月)降水也是關鍵因素，通常4月份正值春小麥苗期、玉米播種～苗期，5～6月是春小麥拔節～開花、玉米三葉～拔節期，水分虧空直接制約農作物生長與產量提高，尤其是春末夏初很容易在河西走廊形成"卡脖子"旱，即在作物生長需水期出現了明顯的干旱危害。因此文中就這3個關鍵期分別按照公式(1)計算Z值，并對Z指數進行EOF分析。

從表2中可以看出，第一特征向量累計方差貢獻值超過94%，且通過North特征向量顯著性檢驗，說明是具有顯著物理意義的信號。因此，可以認為在研究區域Z指數場中用第一特征向量就足以揭示其干旱特征。

2．2．1空間特征

Z指數場空間分布第一特征值全部為正(圖1)，表明研究區域干旱特征具有高度一致性，即受大尺度天氣系統影響，降水具有均一性。實際上河西走廊地勢開闊，地貌特征相似，夏季受副熱帶高壓西伸北抬影響，在其西側有大量的西南暖濕氣流向南輸送，尤其當脊線到達30°N以北時，就會形成有利的降水環流場，這也是夏季降水集中分布的原因。

從圖1中可以看出，Z指數場依然存在明顯的差異性。4～9月在酒泉、敦煌兩地形成高值中心，在永昌、烏鞘嶺形成低值中心;4月份在張掖、鼎新兩地分別形成高、低值中心;5～6月在民樂、金塔為兩個高值中心，武威為低值中心。高值中心反映了本地對降水的敏感性，表示其干旱程度對降水的依存度很高，降水變化足以引起其干旱特征的顯著性變化;相反，低值中心則表示干旱程度與降水變化關系并不太顯著。也就是說，在3個關鍵期中酒泉和敦煌、張掖、民樂和金塔在對應時段里最容易形成干旱，換句話說，河西走廊中西部地區對干旱的響應非常顯著，屬于干旱敏感區;相比之下，東部地區對干旱的響應則不顯著、不敏感。

2．2．2時間特征

為研究Z指數場時間變化特征，有必要對第一特征量對應的時間系數進行分析，如果某一時段數值越大，表示這類分布特征越加典型，即越接近于實際干旱狀況。分析顯示，在研究區域3個關鍵期對應的Z指數場中，時間系數范圍分別為5．49～16．95、9．13～17．71、6．41～18．60，可以認為第一特征量具有良好的均勻性和代表性，但在時間趨勢上又表現出差異性。

從累積距平分析(圖2)可以看出:1)研究區域4～9月在1974～1976年、1991～1992年和2001年為明顯的干旱年份，干旱波動性變化，1971～1974年、1983～1986年、1988～1991年、1996年～2001年是4個由濕轉干的主要階段，總體上看從80年代初以來有持續干旱的趨勢;2)4月份Z指數場特征基本相似，降水比較充分，干旱尚不明顯，但年際波動依然較大，1977～1984年、1991～1995年、2003～2006年是3個由濕轉干的主要時段;3)5～6月Z指數場變化非常典型，波幅較大，1971～1984年、2001年為明顯的干旱年份，尤其是前者持續時段長，干旱極為嚴重，為歷史罕見。其余年份干旱特征尚不明顯，可以認為1981～1988年為干旱逐漸減輕階段，而1989～2001年為干旱逐漸加重階段。

如果指定時間系數≥15為旱災年，統計數據顯示:研究區域4～9月旱災年分別出現在1974、1986、1990、1991、1997、2001年，其中1991年干旱最重，1986年次之;4月份旱災年依次出現在1978、1984、1992、1994、1999、2005、2006年，其中1999年干旱最重，1984年次之;5～6月旱災年陸續出現在1971、1974、1989、1990、1995、1997、2001年，其中2001年干旱最重，1995年次之。由民政部門提供的統計數據顯示，文中分析結論與研究區域旱災年實際出現時間相符。綜上所述，河西走廊干旱特征明顯，且從80年代以來干旱持續發展，90年代旱災頻繁，干旱嚴重程度在近10年有所加劇。

2．3河西走廊年際干旱評價

2．3．1干旱強度年際變化

為了從區域角度展開干旱評價，在Z指數基礎上引進干旱強度指數S，定義S=min(Zi)，即以該年Z值場20個代表站中的最小值代表本關鍵期區域干旱程度的極端情況。歷年干旱強度指數變化趨勢見圖3，可以看出:4～9月在1991年(肅南)干旱強度最重，其次是1994年(玉門鎮)、2001年(鼎新)和2005年(安西);4月份在1978年(永昌)干旱強度最重，其次是1984年、1999年(張掖);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)。也就是說，河西走廊4～9月干旱變化從90年代以來波動性很強，干旱頻發，干旱強度嚴重，災害區域主要集中在西部;4月份干旱變化比較均勻，基本平穩波動，但災害偏向中東部，尤其是中部張掖，干旱嚴重;5～6月干旱最為頻繁，干旱強度較重，災害向研究區域東、西兩端偏移。總體上看，4～9月干旱強度變化最大，旱災最重，5～6月次之，4月最小。

2．3．2干旱范圍年際變化

假定干旱指數Z≥3為偏旱，Z≥4為特旱，Z＞4為極旱，且當有50%以上的臺站滿足該條件時，即指定研究區域具有相應的干旱特征。對3個Z指數場20個臺站干旱指標進行分析，結果顯示:1)在1971～2006年3個關鍵期中，全部臺站(100%)同時偏旱的年份≥14%，其中50%以上臺站均偏旱的年份≥80%，特旱的年份≥25%(表3)，表明研究區域干旱特征非常顯著;2)4～9月在1991年特旱范圍高達75%，同年極旱范圍高達35%，為近40年來罕有的干旱;3)4月在1999年特旱范圍高達85%，1978、1999、2005年極旱范圍均為30%;4)5～6月在1995、2001年特旱范圍為90%，尤其是2001年極旱范圍高達40%，為近40年之最。因此，可以認定從90年代以來干旱范圍顯著增大，干旱強度明顯增強。

2．3．3干旱程度年代際變化

如果用1971～1980、1981～1990、1991～2000、2001～2006年分別表示年代際變化，分析結果顯示:(1)研究區域4～9月偏旱范圍逐漸增大，2001～2006達到高峰，平均為15．2個臺站，覆蓋率高達76%;特旱范圍呈波動性變化，90年代略低，80年代和2001～2006年覆蓋率均超過33%。

(2)4月份偏旱范圍在增大中略有波動，90年代高達77%，2001～2006年略有下降，為75%;特旱范圍的變化大致相同，90年代覆蓋率高達40%，2001～2006年下降到37%。

(3)5～6月偏旱范圍變化幅度最大，波動性比較明顯，70年代和90年代均超過80%，80年代僅有60%，2001～2006年為75%，特旱范圍從80年代開始增大趨勢明顯，2001～2006年高達36%，同期極旱覆蓋率為11%，干旱狀況嚴重。綜合分析看，3個關鍵期年代際偏旱范圍稍有差異，前者持續增大，后二者增大中略有波動。特旱范圍變化大致相同，2001～2006年特旱覆蓋率均超過33%，尤其是5～6月極旱范圍大、干旱強度非常顯著。

3結論

(1)河西走廊降水呈減少趨勢，但降水變化具有差異性。西部的敦煌～安西為干中心，東部的烏鞘嶺為濕中心;最大增濕中心武威～永昌，最大趨干中心是馬鬃山;中東部的民樂、山丹、永昌、武威降水增多，其余地方降水均減少。

(2)對研究區域4～9月、4月、5～6月三個關鍵期Z指數場綜合分析，河西走廊干旱特征明顯，具有高度一致性，中西部對干旱變化響應敏感。關鍵期的旱災區域分別集中在西部、中東部(尤其是張掖)、東西兩端，并在1991、1999、2001形成重災年。90年代以來干旱范圍顯著增大，干旱強度明顯增強。

(3)河西走廊降水普遍減少，干旱危害程度加劇，農業發展受到嚴重制約，加之國家對生態保護和節水經濟的要求，區域農業發展應在因地制宜、區別對待的基礎上，減少旱作農業、控制灌溉農業、大力發展日光溫室為主的設施農業，以促進區域農業可持續發展。