1961—2018年降水量时空变化特征

分析等方法，研究了区域降水的时空变化规律。结果表明：1961—2018年降水量呈明显的增加趋势,21世纪以

来降水量增加趋势放缓;降水量在1987年发生突变，但变化特征时间和空间上存在一定的差异;降水量存在着22〜30、 12〜18、6〜9和3~4 a时间尺度的变化周期;从时空模态变化来看，降水量在空间上具有全区一致性、东一西部反向变

化、西北一东南部反向变化以及天山西部一周边地区反向变化等4个时空变化模态，时空模态在时间变化上也存在一定 的差异。研究结果对于对区域应对气候变化和区域水资源管理，以及“一带一路”核心区的战略规划有着一定的参考

价值。关键词：降水量;时空变化;时空模态;中图分类号:P94

文献标识码:A

文章编号：1674-2109(2021)03-0045-07在全球变暖背景下，全球及区域尺度降水的时空

分布及其变化特征研究受到学者们的关注。研究表明

布，构成典型的山-盆体系,形成“三山夹两盆”的独特地形。区域内山地、荒漠与绿洲共存并相互作用，

形成了独特的、具有全球代表性的“山地一绿洲一荒

陆地上的总降水量增加趋势不明显，但存在明显区域 差异，其中北半球中高纬度陆地上的降水量呈增加趋 势［1］,而其他地区呈现相反的趋势叫认为全球变暖会导

漠”生态系统格局［9］°众多学者从降水的时空特

征［10-11］、降水的环流背景［12］、水汽来源［13］及降水动力机

致降水分布不平衡更显著，出现“干旱区越干，湿润区

越湿”的趋势［1^°此外，也有学者研究指出“干旱区越

理网进行了大量的研究,并取得了一些进展。21世纪 初施雅风等咱15暂指出我国西北地区气候可能出现暖干

向暖湿转型，而西北西部的降水增速达到0.4〜

0.5 mm/a［16-19］,增加趋势显著,且北疆的降水增加幅度

干,湿润区越湿”并不适用于全球绝大部分地区［7-］°地处亚欧腹地,盆地和高大山脉交错分收稿时间：2020-04-29比南疆更为明显［20］°然而,另有学者研究却指出，

气候格局不会发生大改变，在增温的背景下,蒸散发

量上升，干旱频次将可能增多的,并从多个角度研究指

基金项目：中国博士后科学基金(2019M653905XB)曰级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(IDM2018001)；荒漠与绿洲生态国家重 点实验室开放基金(G2018-02-02)；安徽省高校人文社科研究重点项目(SK2019A0335,出从1997年后地区出现由暖-湿向暖-干转折的 可能信号［22-23］°是全球气候变化的敏感区，同时是“一带一

路”规划中丝绸之路经济带核心区，区域降水对其生

SK2019A0306)°作者简介:胡文峰(1978-)，男，汉族，讲师，主要从事气候

变化与环境研究。态环境和经济发展影响显著。在全球气候的变化背景

下, 开展对降水的变化格局和发展趋势, 尤其是

通讯作者:姚俊强(1987-),男，副研究员，主要从事气候

对时空模态及变化特征的研究, 对区域应对气候

变化与水循环研究。变化和区域水资源管理，乃至“一带一路”倡议的发展

• 46 •《武夷学院学报》2021年第3期有着重要的现实意义。1数据来源与研究方法利用105个气象站逐月降水观测数据，数据

来自气象信息中心,经过了严格的气象业务应用

质量控制。为了保证研究时间序列的统一和数据的完

整性,选取其中个站点、从1961—2018年的降水

观测数据作为本文的分析对象。所选站点分布相对均

匀，基本能反映全域降水变化的基本事实。本文

所用地图是通过国家测绘地理信息局标准地图服务

网站(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn)下载,审图号为 GS

(2019) 3333号的标准地图制作,底图无修改。1.1突变检验Mann-Kenddall检验法是一种气候诊断与预测技

术，由于其是一种非参数统计检验方法,样本不需要 遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。应用

Mann-Kendall检验法可以判断气候序列中是否存在

气候突变，若有突变则同时能确定出突变发生的时

间。Mann-Kendall检验法也经常用于气候变化影响下

的降水、干旱频次趋势检测。具体计算和分析过程见 文献［24］。1.2小波分析Morlet小波分析(wavelet analysis)是一种具有时-

频多分辨率功能的分析方法，可以研究一个时间序列 的不同尺度(周期)随时间的变化情况。可以利用其本

身的伸缩和平移等运算功能对非平稳时间序列进行

多尺度细化分析,充分反映系统在不同时间尺度的变

化趋势，是研究气象要素长期变化的重要工具,具体 计算和分析过程见文献［25］。1.3 EOF分析经验正交函数分解(EOF分析)的主要作用是以时 空数据为对象，将时间序列所构成的要素场分解为不

依赖于时间变化的空间函数和只依赖于时间变化的

时间函数线性组合，以此来分析要素场的时间和空间 结构，该方法现已广泛应用于地质学、气候变化及气

象预报等领域,具体计算和分析过程见文献［25］,其空间

可视化用ArcGIS软件实现。图1研究区及站点分布Fig.1 Study areas and distribution of the stations2结果分析2.1降水量的时间变化趋势1961—2018 年多年平均降水量为 163.4 mm,

其中1997年降水量最小，为114.7 mm；2016年降水 最大，为246.9 mm。1961—2018年降水量呈明显

的增加趋势，增加速率达到0.99 mm/a (P<0.05)(图

2a)o考虑到降水变化趋势空间差异，把分为

北疆、天山山区和南疆3个区域。北疆(图2b)多年平均

降水量要高于全区平均值，为199.1 mm,其中1962年

为北疆降水最小年，降水量为126.9 mm,2016年是北

疆降水最大年，降水量达到310.3 mm；北疆降水增加趋

势为1.22 mm/a,增加速率大于全区。天山山区(图2c)是

降水最丰富的区域，多年平均降水量为348.2 mm,

其中1997年为降水最小年，降水量为246.9 mm,2016 年是降水最大年，降水量达到496.1 mm。天山山区是新

疆降水增加趋势最大的区域，增加速率达到1.60 mm/a

(P<0.05)；南疆(图2d)多年平均降水量为60.6 mm,

其中1985年为降水最小年，仅为28.2 mm,2010年是 降水最大年，降水量为118.9 mm,南疆降水增加速率 为0.54 mm/a(P<0.05),小于北疆和天山山区变化趋

势。总体来讲，降水量增加趋势明显，高于我国西 北地区平均水平(0.59 mm/a) ［26］。从年代际上来看,20世纪60年代和70年代降水 偏少,80年代和90年代降水增加趋势明显。但是21

世纪以来降水增加趋势放缓。此外，降水量年际变化胡文峰，等：1961—2018年降水量时空变化特征-47 -波动更大，处于高位震荡期，这同YAO [23,27]等人的研 究一致。-1-m

长邀

1960

1970

1980 1990

2000 2010 2020 1960 1970 19S0 1990

2000 2010 2020时间

时间图2 1961—2018年降水量的时间变化Fig.2 The change of precipitation from 1961 to 2018从季节上来看，降水季节分布不均（图3）o降 水最多的季节是夏季，多年平均降水量为69 mm,占全

年降水量的42.2%；其次是春季，降水量为43.2 mm,占

全年降水量的26.4%；秋季降水量为33.7 mm,占全年

降水量的20.8%；最少的是冬季，平均降水17.5 mm, 占全年降水量的10.6%o 1961—2018年四个季节中降

水量均呈增加趋势，但是增加的趋势不明显,速率也

存在差异，其中夏季增加速率最大，为0.39 mm/a,其

次是春季的0.21 mm/a和秋季的0.20 mm/a，最小的是

冬季，为0.19 mm/a（图3）。从春、夏、秋、冬四季降水各

自占全年降水的比重来看,均呈波动变化，趋势不明 显，说明降水增加量与降水的季节分布一致。时间 时间Fig.3 The temporal changes of the seasonal precipitation and

its proportion in Xinjiang from 1961 to 20182.2降水的突变与周期分析1961—2018年降水量发生了明显的突变（图 4a）。M-K突变分析表明降水有突变型增加特征,

其中在1987年发生了突变，并通过了显著水平检验。

因此,1961—1987年间降水量虽有所增加但不显 著，而1987年以后降水量增加显著。考虑到降水的区域差异，进一步分析了北

疆、天山山区和南疆的降水量的突变特征。M-K突变

分析发现及各区域的降水量均呈增加趋势，且降

水的增加是全域性,均发生了突变,且通过了显著性

检验。北疆和南疆均在1987年发生了突变（图4b和

4d）,而天山山区发生突变的时间相对延后，出现在 1992年（图4c）,并通过了显著性检验，说明虽然南疆

和北疆降水比天山山区要少,但其对气候变化的响应

更为敏感。从降水的季节尺度上来看,其突变比较复 杂，春季（图5a）从其UF（正序列）和UB（逆序列）曲线

值大于0,但基本没有超过1.96（0.05显著水平）的临

界值，说明春季降水量呈增加趋势但不显著，也意味

着UF（正序列）和UB（逆序列）曲线虽然分别在1996

年、1998 年、1990 年，2001 年,2011 年,2013 年,2014 年均有交汇，但没有突变发生。夏季（图4b）、秋季（图

4c）和冬季（图5d）的UF（正序列）和UB（逆序列）曲线

均指示着降水均呈增加趋势，通过了显著性检验，且

均发生了突变，但突变时间并不同步,其中夏季的突

变时间出现在19年,秋季出现在1982年,冬季出

现 1985 年。UF （a）全疆（b）北鴉UB0.05显署水半1970 1980 1990 2000 2010 202090 2000 2010 2020年份年份1（c）天山（b）南軀1970 1980 1990 2000 2010 20201960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份年份图4年降水量的突变检验Fig.4 The mutation test of annual precipitation• 48・《武夷学院学报》2021年第3期——

UF --------UB••…0.05显着水平,«七塢

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份 年份图5季节降水量的突变检验Fig.5 The mutation test of seasonal precipitation由于小波系数实部等值线图能反映降水序列不同

时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，故能通 过小波分析判断在不同时间尺度上降水的变化趋势。

对年平均降水进行小波分析（图5）,可以看出

降水演化过程中存在多时间尺度特征。总的来说， 降水量变化存在22〜30、12〜18、6〜9以及3〜4 a 4个尺 度的周期变化规律。其中，在22〜30 a尺度上降水出现

了由多到少交替的准4次震荡，在1961—2018年表现

不稳定;在12〜18 a时间尺度上存在准8次震荡，但在

1985—2000年表现的不显著；而6-9 a尺度的周期变

化，在20世纪80年代以后表现得显著,3〜4 a尺度的 周期变化在整个分析时段有所体现，但显著性不强。

降水的小波方差图中（图6）存在4个较为明显的

峰值，它们依次对应着28、18、9和4 a的时间尺度。 其中，最大峰值对应着28 a的时间尺度，说明28 a左

右的周期震荡最强，为降水变化的第1主周期;

9 a时间尺度对应着第2峰值，为降水的第2主

周期;第3、第3峰值分别对应着18、4 a的时间尺度,

它们依次为降水的第3和第4主周期。这说明这

4个周期的波动控制着域内降水的时间的变化特

征°时间（a）小波系数的模等值线O

5 10 15

20 25 30 35时间尺度（b）小波方差图图6年降水量的小波分析Fig.6 Wavelet analysis of annual precipitation2.3降水的空间分布与规律图7为单站年平均降水量的空间分布，从图中可 以看出降水具有明显的空间差异。从降水量的丰

富程度上来看,天山山区降水量最为丰富，其次是北 疆地区,南疆降水量最少;另一个明显的规律是,

降水量跟海拔有明显的关联,海拔较高的天山、阿尔

泰山降水量明显要大于其他海拔较低的地区。N70° 东

80° 东 90° 东 100° 东图7单站年平均降水量的空间分布Fig.7 Spatial distribution of annual average precipitation

为了降水变化的结构，根据EOF分析法，分

解出降水量空间特征向量场，前4种模态累积方 差贡献量达到70.6%,对这4种模态进行可视化（如

图8）°第1模态特征向量场的分布如图8a所示，其方 差贡献率为47.7%,是主要模态,因此是降水的胡文峰，等：1961—2018年降水量时空变化特征• 49 •主要分布形式。在第一模态下，特征值由北向南 逐渐升高,呈现“北低南高”格局，全区特征值为负

值,意味着全域内降水变化具有整体的一致性特

征,全区降水增多或减少。高值中心位于南疆，反映南

疆降水变化量大,也是气候异常最敏感的区域，低值

中心位于北疆的西部。整个南疆地区的降水变化程度 要高于北疆地区。第2模态特征向量场的分布如图

8b,其方差贡献率为10.4%，在这种模态下特征值由

东向西逐渐升高,在东部博格达山一一大黑山一带形 成一个负低值中心，西部的喀拉铁克山一带形成一个 正高值中心,整体呈现“东低西高”格局，说明在这种

模态下东、西部降水具有反向性的分布特征。第3

模态特征向量场的分布如图8c所示，其方差贡献率

为7.5%,在这种模态下特征值由西北向东南逐渐降 低，在吐鲁番盆地形成一个低值中心，在伊犁河谷形 成一个高值中心,整体呈现为“西北高东南低”,说明

在这种模态下西北部和东南部降水呈现反向性

的分布特征。第4模态特征向量场的分布如图8d,其

方差贡献率为5.0%,在这种模态下特征值由天山西

部的一个负低值为中心，分别向北、东、南逐渐升高为

正值,整体呈现“中低周高”格局，说明在这种模态下

天山西部一带降水变化与周边地区降水呈现反向性

的分布特征。这4种模态的模式与南[28]2003年研

究基本保持一致，这是说明在进入21世纪后，降

水变化结构没有发生根本性的变化。70°'东

80°'东

90°'东

100。东 70°'东 80。'东 90°'东 100° 东70° 东 80° 东 90° 东 100° 东 70 80。'东 90。'东 W 东图8降水量EOF分析的空间特征向量场Fig.8 Spatial distribution of annual average precipitationwith EOF analysis

EOF分析4种模态所对应的时间系数随时间变

化如图9所示。第1模态时间系数变化（图9a）总体趋势在减弱。同时，把第1模态时间系数变化（图9a）与

全疆年平均降水量变化对比可知，第1模态时间系数 变化等同于全疆年平均降水量的变化，时间系数越

大,表示降水量越少,时间系数小,表示降水量越大。

从图9a中可以看出在这种模态下在1990年以前，新

疆平均降水量偏少,1990年以后降水量偏多，总体趋

势是降水增多这也与前文分析的降水变化规律

保持一致。第2模态时间系数变化（图9b）中可以看

出，这种东、西部降水具有反向性的分布特征在上

世纪80年代中期以前呈减弱趋势，以后呈增强趋

势。第3模态时间系数变化（图9c）中可以看出，这种

西北部和东南部降水呈现反向性的分布特征基

本呈减弱趋势。第4模态时间系数变化（图9d）中可

以看出，这种天山西部一带降水变化与周边地区降水 呈现反向性的分布特征在上世纪90年代中期以前呈

增强趋势，以后维持着震荡状态。8006004002000

-200-400-600-80010001

411003^ 28 18 o -1g -24g1960

1970

1980 1990

2000 2010 2020 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020时间

时间图9降水量EOF分析的时间系数Fig.9 Temporal distribution of annual average

precipitation with EOF analysis3结论利用地区个台站1961—2018年的降水

观测数据，采用M-K突变检验、小波分析及EOF分析

等方法进行分析，结果表明：（1）降水量呈明显的增加趋势，增加速率达

到0.99 mm/a,但降水增加趋势存在时空差异。北疆地

区降水增加速率达到1.22 mm/a,天山山区降水增加速率

达到1.60 mm/a；南疆地区降水增加速率为0.54 mm/a；夏

-50 -《武夷学院学报》 2021 年第 3 期季降水增加速率为0.39 mm/a,春季降水为0.21 mm/a,

[6] HSU P C ,LI T ,WANG B .Trends in global monsoon area

and precipitation over the past 30 Years[J]. Geophysical Re­

秋季降水为 0.20 mm/a, 冬季降水为 0.19 mm/a。 从年 代际上来看，上世纪的60年代和70年代上水偏少,

80年代和90年代降水增加趋势明显,但是从2000年

search Letters,2011,38(8): L08701.[7] GREVE P ,ORLOWSKY B ,MUELLER B ,et al.Global as­

sessment of trends in wetting and drying over land[J].Nature

以后,降水增加趋势放缓，目前，降水处于高位震荡 期。Geoscience,2014,7(11):716-742.[8] DONAT M G ,LOWRY A L ,ALEXANDER L V ,et al.More

(2)降水量在1987年发生了突变，但时间和

空间上有存在一定的差异。北疆和南疆是降水同时在

1987年发生了突变，天山山区发生突变的时间为 1992年。从季节尺度上来看，春季降水没有明显的突

变发生，夏季的突变时间为19年,秋季为1982年， 冬季为1985年。(3)降水量存在着22~30、12~18、6~9以及

3~4 a 4类尺度的周期变化。其中28 a时间尺度的周

期为降水变化的第1主周期,9 a时间尺度第2

主周期，第3周期为18 a和第4主周期为4 a,这4个

周期的波动控制着域内降水的时间的变化特征。(4) 降水量具有明显的4种空间变化规律。

分别是全区一致性变化、东一西部反向性变

化、西北一东南部反向性变化以及天山西部一周

边地区反向性变化,4种规律在时间变化上也存在一

定的差异。参考文献：[1] TRENBERTH K E .Changes in precipitation with climate

change [J].Climate Research,2010,47(47): 123-138.[2] DONAT M G ,ALEXER L V ,YANG H ,et al.Updated analy­

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KOSTELICH E J ,SCHREIBER T .Noise reduction in chaotic time -series data:A survey of common methods [J].

Physical Review E,1993,48(3):1752-1763.(责任编辑：白晔)Spatiotemporal Precipitation Variation in Xinjiang from 1961 to 2018HU Wenfeng1，2,3, YAO Junqiang1，2*, ZHANG Wenna4(1. Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi, Xinjiang 830002;2. School of History, Culture and Tourism, Fuyang Normal University, Fuyang, Anhui 236037;3. Center of Central Asia Atmospheric Science Research, Urumqi, Xinjiang 830002;4. Xinjiang Vocational & Technical College of Construction, Urumqi, Xinjiang 830002)Abstract: In order to study the change pattern of precipitation under the background of global climate change, the precipitation obser­

vation data of stations in Xinjiang from 1961 to 2018 were analyzed by using M-K mutation test, wavelet analysis and EOF analysis.

The results show that the precipitation in Xinjiang has been increasing obviously in the past 60 years, while the increasing trend of pre­cipitation slowed down after 2000 and the precipitation changed dramatically in 1987,and there were some differences in time and space.

There are four types of cycles of precipitation in 22~30、12~18、6~9 and 3~4 years,and its fluctuations control the temporal change of precipitation in Xinjiang. There are four variations in Xinjiang's precipitation: spatial consistency, east-west inversion, northwest-southeast

inversion, and western Tianshan-surrounding area inversion, but there are also some differences in time changes of these four laws. The research results of this paper have certain reference value for Xinjiang's regional water resources management and even 野The Belt and

Road” strategic planning.Key words:precipitation; spatiotemporal changes; spatiotemporal mode; Xinjiang