山西省年降水分区及趋势特征

冯存峨，任建成*，卢晓宁

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250031；2.滨州市气象局，山东 滨州 256612；3.成都信息工程大学，四川 成都 610225)

0 引言

【研究意义】气候是某一地区多年时段大气的一般状态，是该时段各种天气过程的综合表现。气象要素的各种统计量是表述气候的基本依据。随着全球变暖，气候变化日益成为学术界的热点问题[1-4]。降水是气候最重要的要素之一。山西省地处华北西部的黄土高原东翼，地貌从总体看是被黄土广泛覆盖的山地高原，省内降水分布受地形影响较大。因此，从整体上对山西省的降水进行研究难以把握，故对不同区域分别进行研究具有重要意义。【前人研究进展】对于各地降水特征已有大量研究并取得大量成果。吴金华等[5]探究我国东北地区近60年气温和降水的时空变化特征发现，东北地区年均温呈显著上升趋势，而除大兴安岭北部外的绝大多数区域的降水量均呈下降趋势。董旭光等[6]研究山东省近50年来降水事件变化特征发现，其年降水日数和强度存在明显的年代际振荡，降水日数总体呈极显著减少趋势。赵静怡等[7]对武汉市降水变化规律分析发现，武汉市年降水量呈缓慢增大趋势，20世纪80年代的年降水量可能存在突变。对于山西省降水，李芬等[8]研究山西1958—2013年降水的变化特征发现，山西省年降水量下降幅度显著高于全国水平。苗爱梅等[9]对山西不同历时强降水的统计特征及趋势变化进行分析发现，山西省降水极值空间分布具有山区大于盆地、南部大于北部，时效越短，极值分布的局地性越强等特点。旋转经验正交函数分解(Rotated Empirical Orthogonal Function，简称REOF)是常用的气候分区方法之一[10]。近年来，国内外学者应用REOF方法在气候分区领域取得丰硕成果[11-16]。李国文等[11]采用REOF分析江西主汛期降水趋势的区域特征；蔡元刚等[12]研究四川省高温热浪时空分布特征；刘晓琼等[13]采用REOF-EEMD研究西南地区气候变化区域分异特征；赵峰等[14]研究黄河中下游地区旱涝空间分布特征。【研究切入点】目前已有研究主要集中于对山西省降水整体趋势、过程及极值等方面的分析，鲜见对山西省降水特点进行分区的研究。【拟解决的关键问题】采用REOF方法对山西省年降水进行分区，并对不同分区的降水趋势特征进行分析研究，以期为当地农业生产及气候预测提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

山西省(34°34′～40°44′N，110°14′～114°33′E)位于华北地区，境内是较为典型的黄土覆盖的山地高原，地势大致呈由东北向西南倾斜的平行四边形。高原内有平原、丘陵和山地等多种地貌，山区面积占总面积的80%以上。山西省是内陆省份，地处中纬度，受温带季风气候和温带大陆性气候的共同影响，气候南北差异较大，同时具有雨热同期和四季分明的特点。山西省年平均气温总体上由北向南逐渐升高，由盆地向山地逐渐升高；全省各地年降水量季节分布不均，降水主要集中于夏季，约占全年降水量的1/2以上，且地形是影响山西省降水的主要因素。

1.2 降水数据

1981—2020年山西省18个国家基准、基本地面气象观测站逐月的降水数据，来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。

1.3 研究方法

REOF(Rotated Empirical Orthogonal Function，即旋转经验正交函数分解)方法是一种很好的且常用的区域气候类型分区方法，其在对时空向量场进行EOF(Empirical Orthogonal Function，简称EOF)分解的基础上，对原矩阵进行极大方差旋转，使同一空间模态下高载荷向量场(≥0.6)均集中在部分区域的少数变量中，其余地区则均接近于0。经旋转之后的特征场在时间上更为稳定，空间分布结构更为清晰，能突出气候要素的局域分布特征。研究先将1981—2020年的逐月降水数据按1年12个月的降水量值累加得到年降水量数据，为了更加直观地表现降水的时空变化特征，对年降水数据进行距平计算，把距平值按气象站×年份组成矩阵序列，然后参照文献[7-9]对该矩阵进行REOF分区分解，并进行空间模态的显著性检验。再依次运用Arcgis对统计量进行克里金(Kriging)插值分析揭示统计量的空间分布特征，运用线性趋势分析揭示统计量的趋势特征，运行Manner-Kendall(下称M-K)突变检验法[17-18]检验统计量的突变特征(α=0.05)；最后运用Morlet小波分析[11]研究统计量的周期性趋势特征。

2 结果与分析

2.1 山西省年降水量的空间分布特征

从封三图Ⅰ看出，1981—2020年山西省各地年均降水量为386～700 mm，各地降水分布很不均匀，大致上从东南部及东部偏北的五台山地区向西向北呈逐渐减少趋势。受山地气候影响，五台山地区为山西省年降水最丰富的地区，而大同地区由于处在五台山的背风坡，位置偏北，受远离海洋暖湿气流的影响，因此，年降水量最少，是山西省年降水量最少的地区。

2.2 山西省年降水场的客观分区

从表1看出，山西省年降水场进行EOF分解后前3个模态通过North显著性检验，累计方差贡献率达69%，可以较好地表征山西省年降水场的空间分布特征。对原降水距平矩阵进行极大方差旋转，旋转后各模态的方差贡献率存在一定差别但差异较小，其中模态1的方差贡献率下降18百分点，模态2和模态3的方差贡献率分别上升5百分点和14百分点，可以根据旋转后高载荷向量场分布特征，将山西省年降水场分为3个区(封三图Ⅱ)。Ⅰ区，位于山西省南部(下称南区)，该区受南方暖湿气流的影响最大，是山西省年降水量最丰富的地区，属于半湿润区和温带季风气候。Ⅱ区，位于山西省北部(下称北区)，该区位于五台山、恒山山脉的背风坡，南方暖湿气流难以到达，是山西省年降水量最少的地区，属于半干旱区和温带大陆性气候。Ⅲ区，位山西省中部(下称中区)，该区受南方暖湿气流和山地地形的共同影响，是Ⅰ区和Ⅱ区的过渡地带。

表1 山西省年降水场EOF及REOF分解前3个模态的方差贡献率

2.3 山西省年降水分区的变化特征

2.3.1 线性趋势及突变 从图1看出1981—2020年山西省3个降水分区年均降水量的变化特征。

图1 山西省各降水分区降水线性趋势及M-K突变分析

1)南区。年均降水量为523 mm，2003年和1997年分别为降水最多(835 mm)和最少(305 mm)年份。线性趋势表现出该区年降水量呈不显著减少趋势，趋势率为2.472 mm/10a。UF(K)线和UB(K)线的交点较多，说明该区年降水量可能存在多个突变点，最近一次突变出现在2016年。

2)北区。平均年降水量为433 mm，2013年和1993年分别为降水最多(559 mm)和最少(306 mm)年份。线性趋势表现出该区年降水量呈显著增加趋势，趋势率为19.658 mm/10a。突变发生在2011年，且UF(K)线在2018年以后通过临界值(uα=1.96)，说明该区年降水量在2018年以后增加趋势更加明显。

3)中区。平均年降水量为517 mm，1988年和1997年分别为降水最多(681 mm)和最少(293 mm)年份。线性趋势表现出该区年降水量呈不显著上升趋势，趋势率为11.295 mm/10a。UF(K)线和UB(K)线交点较多，说明该区年降水量可能存在多个突变点，最近一次突变出现在2019年。

2.3.2 周期性特征 从封三图Ⅲ看出，1981—2020年山西省3个区年降水量均存在多尺度周期变化特征。

1)南区。年降水量存在7～10年、11～14年、21～24年和27～29年的周期信号，主周期分别为28年、22年、8年和13年，在28年和22年主周期上，目前正处在偏干期，而在8年和13年的时间尺度上，目前正处在偏湿期，预测南区短期内以降水偏多为主，而长期则呈降水持续偏少趋势。

2)北区。年降水存在5～7年、17～20年和27～29年的周期信号，主周期分别为28年、18年和6年，在28年主周期上，目前正处在偏干末期，而在6年时间尺度上，目前正处在偏湿期，预测北区短期内以降水偏多为主，而长期则呈由偏少转向偏多趋势。

3)中区。年降水主要存在5～8年和27～31年的周期信号，其中主周期为28年和6年，在28年时间尺度上，目前正处在偏干的末期，在6年的时间尺度上，正处在偏干期，预测未来短期内降水以偏少为主，而长期则呈由偏少转向偏多趋势。

3 讨论

对山西省年降水场进行EOF分解，前3个模态可以通过North显著性检验，EOF特征向量空间分布与李芬等[8]的研究基本一致，但研究使用了较新的气象数据，对山西省年降水场进行分区，揭示了山西省年降水场的地域特点。本研究对山西省各降水分区降水量的趋势及周期性特点的分析结论，目前尚查阅不到相关的研究资料，这是对前人研究成果的补充。

另外，山西省地形较为复杂，限于气象站点数量，气候分区存在一定的局限性；Morlet小波的结果一般存在多重时间尺度上的复杂嵌套结构，且在不同的尺度周期中表现出不同的振荡规律。该研究使用的降水数据序列时间尺度较短，故周期性变化的时间尺度也相对较小。因此，未来有必要通过更加精细的网格数据，进一步验证降水分区及趋势结论。

4 结论

山西省年降水量为386～700 mm，空间分布不均匀，从东南部及东部偏北的五台山地区向西向北呈逐渐减少趋势。其年降水场可分为3个区：Ⅰ区，位于山西省南部，年均降水量为523 mm，是山西省年降水量最为丰富的地区，属于半湿润区和温带季风气候；该区年降水量呈不显著减少趋势，趋势率为2.472 mm/10a，且降水可能存在多个突变，最近一次突变出现在2016年。Ⅱ区，位于山西省北部五台山和恒山的背风坡，年均降水量为433 mm，是山西省降水最少的地区，属于半干旱区和温带大陆性气候；该区年降水量呈显著上升趋势，趋势率为19.658 mm/10a；降水突变发生在2011年，且年降水量在2018年后上升趋势更加明显。Ⅲ区，位于山西省中部，年均降水量为517 mm，是Ⅰ区和Ⅱ区的过渡地带，该区降水呈不显著上升趋势，趋势率为11.295 mm/10a；降水存在多个突变，最近一次突变出现在2019年。

山西省3个区域年降水量均存在多尺度周期变化特征，其中Ⅰ区主周期为28年、22年、8年和13年；Ⅱ区主周期为28年、18年和6年；Ⅲ区主周期为28年和6年。