宁夏年季降水的时空分布特征及变化分析外文翻译资料

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宁夏年季降水的时空分布特征及变化分析

CHEN Hai-bo^1,2,3*,，YAN Hua-sheng²，SU Fa-fen³，YANG Ji-zu³，LU Tong-liang³

1. 宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏银川750002;2.云南大学大气科学系,云南昆明650091;3.宁夏固原市气象局,宁夏固原756000)

摘要：针对地处西北内陆的宁夏全境19个气象观测站的年、季降水资料,利用EOF分解方法进行了时空分解，分析了其年、季降水的EOF1和EOF2空间分布特征和时间系数变化趋势,并利用谱分析方法和M-K方法对年降水资料的EOF1和EOF2时间序列进行了周期分析和突变分析，得出了其主要变化周期和突变时间点。

关键词：降水；时空分布；变化；宁夏

宁夏位于中国西北地区东部(104°17′～109°3 9′E，35°14′～39°14′N)，跨东部季风区域和西北干旱区域，西南靠近青藏高寒区域，处在我国三大自然区域的交汇、过渡地带。地势南高北低，西部高差较大，东部起伏较缓。宁夏深居西北内陆，地形复杂，降水多变且分布不均。我国西北地区地域辽阔，气候差异巨大，很多学者对其变化趋势进行了很多有益的探讨^[1-4]。于淑秋等通过对西北地区近50a降水和气温的研究发现，西北地区在全球增温的大背景下，近10多年来温度和降水都有明显的上升^[5]；施雅风等提出西北气候可能从20世纪的暖干向暖湿转型^[6]。这些研究着眼西北这个较大背景来开展研究的，但是部分地区表现出很大的差异性^[7-10]。李栋梁等的研究表明在全球气候变暖的同时，我国西北地区的气候呈现西湿东干的分布型态^[11]。马镜娴等研究表明西北干旱区的西部(93°E以西)区域年降水量随全球气温升高呈现增加趋势^[12-13]。李艳春等曾以宁夏北部地区近百年来的年降水量等资料为基础，分析了宁夏近百年来气候变化的阶段性和突变特点^[14-15]。郑广芬等对近40多年来宁夏气温、降水的变化进行了分析，指出秋季降水量的年代际变化特征较明显，在1978年发生转折^[16]。但是，宁夏地理位置特别，年、季气候降水有着很大的变率，变化规律十分复杂，从其整体时空分布特征和变化趋势方面的研究较少。为此，笔者使用宁夏全境19个具有代表性的气象观测站的年、季降水资料，利用EOF分解方法，进行时空分解，得到了年、季降水的EOF空间场和时间系数序列，分析了其空间分布特征和时间系数变化特征。针对年降水资料序列的EOF1和EOF2的时间系数序列，进行了周期分析和突变分析，得出了其主要变化周期和时间突变点，为气候预测和应对气候变化提供一定的科学依据。

1资料与方法

1.1资料

使用宁夏气象信息中心提供的宁夏全境19个具有代表性的气象观测站1961～2008年日降水资料，并将资料处理成冬(前一年12月～当年2月)、春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)4个季节的降水量资料，以及年降水量资料。

1.2方法

主要是从宁夏降水自身演变中去寻找变化规律。首先，利用EOF方法对宁夏年、季降水资料序列进行时空分解，分析其空间分布特征；利用线性回归方法和曲线拟合分季节和年变化对时间系数序列进行了趋势分析，主要使用二次曲线进行拟合^[17]。然后，进一步通过功率谱方法对区域年降水EOF进行了周期分析，利用Mann-Kendal方法进行了突变分析。

1.2.1线性回归法

气候变量的线性变化趋势即线性倾向估计是用yi和xi之间的一元线性回归方程y_i=a bx_i，式中，y_i表示样本量为n的某一气候变量，x_i表示yi所对应的时间，b是回归系数，a为回归常数，可用最小二乘法估计^[18]。

1.2.2功率谱法

利用谱分析对年降水序列进行周期分析，谱分析是时间序列在频域上进行分析的方法^[19]。不同时间尺度下的波谱系数，可以反映系统在该时间尺度下旱、涝变化特征。用傅里叶变换对序列求功率谱，功率谱图可以显示不同频率振动的功率大小，同时也是方差贡献的大小，因而可以从谱曲线中的谱值最大点来确认主要振动及其对应的周期^[20]。

1.2.3Mann-Kendal法

采用非参数检验法(Mann-Kendal法)^[21]对宁夏年降水时间序列进行突变检验。Mann-K endal法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰,计算比较方便。在气候序列平稳的前提下，对于具有n个样本量的时间序列x,构造一秩序列:

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

式中UF₁=0，、是累计数的均值和方差。按时间序列X逆序X_n，X_n-1，hellip;X₁，再重复上述过程得到UB_k序列，同时使k=n，n-1，hellip;，1，UB₁=0。分析绘出UF_k、UB_k曲线。如果UF_k、UB_k2条曲线出现交点，交点对应的时刻就是突变发生的时间。

2结果与分析

2.1各季节降水变化

2.1.1 EOF1和EOF2的方差贡献率

宁夏各季节降水的EOF1为主要影响因素，可认为是全区域天气系统降水影响，各季节EOF1方差贡献率都在0.9以上（图1a）。从春季开始先呈一个增大趋势在夏季达最大值然后转为逐渐降低，秋季最大，冬季最小，二次曲线拟合呈单一单峰单谷凸型分布，宁夏夏季是降水的主要时段，受系统性降水影响表明宁夏各地各季降水的预报还是有相当的一致相关性。而EOF2的方差贡献率变化与EOF1相反(图1b)，可认为是局地天气系统降水影响。从春季开始先是降低，在夏季达最小值，转而上升，至冬季达最大值，二次曲线拟合呈单谷单峰凹型分布，表明夏季的局地降水最强，全区域降水一致性较差，各地呈现出明显的差异性。从EOF1 EOF2的方差贡献率来看(图1c)，从春季开始有一个缓慢增加的趋势，在秋季达最大，之后转为下降，在冬季达最小值，二次曲线拟合呈单峰单谷凸型分布。

注：a:EOF1 b:EOF2 c:EOF1 EOF2

图1季降水EOF1和EOF2的方差贡献率

2.1.2各季降水EOF1的时间系数

2.1.2.1春季

由图2a可见，春季EOF1的时间系数呈线性下降趋势，线性趋势线斜率较小，较为平缓。其二次拟合曲线呈上凸型，但曲率很小，几乎与线性趋势线重合。60年代初、80年代和2000年左右为高值期，2005年以后减小趋势有增大的迹象。总的来说，宁夏春季降水虽然有一个减小的趋势，但其变化不明显。

2.1.2.2夏季

由图2b可见，夏季EOF1的时间系数也呈线性下降趋势，线性趋势线斜率较小，较为平缓，但较春季大。且进入2000年以后，减少幅度明显增大。其二次拟合曲线也呈轻微的上凸型，2000年以后的距平多为负距平，表明2000年以后，宁夏夏季降水减少的趋势更为明显。

2.1.2.3秋季

图2c显示，秋季EOF1的时间系数呈线性下降趋势，但进入2000年以后，有明显的增加趋势。其二次拟合曲线呈下凹型分布，在1990年达极小值，2000年以后的距平多为正距平，说明2000年以后，宁夏秋季降水有增加趋势。

2.1.2.4冬季

图2d显示，冬季EOF1的时间系数呈线性上升趋势，是4个季节中唯一的呈线性增加的季节。在80年代末有一个峰值，90年代末出现一个谷值。其二次拟合曲线呈轻微的上凸型分布，但上凸不明显，几乎与线性趋势线重合。近几年的观测事实也表明，冬季冷空气活动频繁，强度增加，降水(雪)有增加，气温也较20世纪末低。

注释：a:春季b:夏季c:秋季d:冬季

图2各季降水EOF1的时间系数分布

2.1.3各季降水EOF1的空间分布

宁夏降水多集中在7～9月，约占年降水量的60%～70%，冬季最少,不足10mm，约占1%～2%，春季30～120mm，占10%～20%，秋季40～100mm，约占10%～20%。

2.1.3.1春季

从春季降水的EOF1的0.1间隔空间分布来看，基本呈东西向带状分布，同纬度东部略大于西部，东西向带状略呈东北—西南向。从南到北大致分为3个区域，北部灌区基本都在0.2以下，中部干旱带在0.2～0.3，南部山区在0.4以上。表明宁夏春季降水北部少、南部多，但总体差异不明显。由图3a可见，北部灌区为少雨带，其一致性较高；中部干旱带分为2个带状区域，自南向北递减。南部山区也分为南北2个带状区域，在最南部六盘山区处为最大值区，是宁夏春季降水最多的区域。

2.1.3.2夏季

从夏季降水的EOF1的0.1间隔空间分布来看，夏季降水的EOF1空间分布与春季较为相似，也分为3个带状区域。与春季相比，北部小值区有南压扩大趋势，南部多雨区面积有所减小。南部固原地区仍旧是一个0.3以上的大值区，降水明显大于中北部区域。由图3b可见，南部六盘山区大值区向北有所扩大，山脉地形影响面积增大，中部干旱带面积压缩。夏季EOF1的整体数值高于春季。宁夏和西北东部的盛夏季节是降雨最多的时期，正是副热带青藏高压出现的时期。

2.1.3.3秋季

从秋季降水的EOF1的0.1间隔空间分布来看，秋季降水的EOF1空间分布与夏季相。北部灌区减小到0.1以下，中部干旱带在0.1～0.2，南部山区分成2个区域，固原北部在0.3～0.4，而在南部六盘山区形成一个大值区，在0.4以上。反映六盘山区受地形影响，阵性降水天气较多，明显区别于宁夏北部。南部大值区域面积南缩(图3c)。

2.1.3.4冬季

从冬季降水的EOF1的0.1间隔空间分布来看，冬季降水的EOF1空间分布基本呈东西向带状分布。从南到北大致分为4个区域，北部灌区在0.1以下，中部干旱带在0.1～0.2，南部山区分成2个区域，固原北部在0.3～0.4，在南部六盘山区存在一个大值区，在0.4以上。受六盘山区地形抬升影响，凝结降水多于北部。南部山区大值区域面积进一步向南收缩减小(图3d)。

注释：a:春季b:夏季c:秋季d:冬季

图3各季降水EOF1的空间分布

2.2年降水变化

2.2.1EOF1和EOF2的方差贡献率

年降水的EOF1和EOF2方差贡献率分别为0.9755和0.0098，合并方差贡献率0.9854。表明宁夏年降水有较好的区域一致性，EOF2的方差贡献率不到1%。

2.2.2EOF1和EOF2的时间系数分布

从年降水EOF1的时间系数分布来看(图4a)，总体呈线性下降趋势，60年代有明显的正距平，之后逐渐减少，特别是进入2000年以后，为明显的负距平。其二次拟合曲线虽呈下凹型，但不明显，几乎与线性趋势性重合。年降水呈减少趋势，宁夏全境干旱趋势加重。而年降水EOF2的时间系数无明显的减少或增加趋势，二次拟合曲线与线性趋势性重合，呈平直型(图4b)。

图4年降水EOF1(a)和EOF2(b)的时间系数分布

2.2.3EOF1和EOF2的空间分布

宁夏降水南多北少，自南向北年降水量从近700mm迅速降至200mm左右。六盘山区是相对多雨区,年降水量为500～700mm。

从年降水EOF1的0.1间隔的空间分布可以看出，年降水的EOF1空间分布基本呈东西向带状分布，同纬度东部略大于西部，东西向带状略呈东北—西南向。由南到北大致分为3个区域，北部灌区在0.2以下，中部干旱带在0.2～0.3，南部山区分成2个区域，固原大部在0.3～0.4，而在南部六盘山区形成一个大值区，在0.4以上。由图5a可见，EOF1的分布从南至北逐渐递减，北部灌区和南部山区各分为2个带状区域。而EOF2的空间分布差异很大，南部为正值区，且等值线较为密集，而北部相反为负值区，等值线较为稀疏(图5b)。表明南部山区受地形影响，多局地阵性天气降水。

注：a:EOF1 b:EOF2

图5年降水EOF1(a)和EOF2(b)的空间分布

2.2.4EOF1和EOF2的周期分析

上述分析表明，宁夏年降水具有年代际的振荡变化。为了进一步弄清其周期变化规律，有必要对其进行周期分析。对原序列去线性趋势后,利用傅氏变换求其不同周期的功率谱,并画出功率谱图(图6)。最大落后步长取m=n/，n为降水序列样本容量。

王澄海等研究表明，近50年西北地区降水普遍存在的准3年左右的周期，在20世纪70～80年代显著性下降，5～7年左右的周期和9～14年左右的长周期也随时间有着不同的变化；即各地区所有周期成分的稳定性都显著性地随时间发生变化，各地降水普遍存在一个相对比较稳定的但不太显著的10年左右的平衡态^[22]。从宁夏年降水EOF1的周期功率谱图(图6a)来看，存在着5～6、11和14年的周期分布，11年的周期较为明显，通过0.1信度的红白噪音检验。而年降水EOF2的周期功率谱有6和10年的周期分布(图6b)，其中6年的周期通过了0.1信度的红白噪音检验。

注：虚线表示0.1置信度的检验值

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