1957-2006年黄河流域降水量与温度变化的相关分析外文翻译资料

 2022-12-25 12:32:43

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1957-2006年黄河流域降水量与温度变化的相关分析

摘要：基于中国黄河流域的9个省区88个气象观测站资料，我们分析了年降水量和温度的时间序列以及每年极端降水的频率和数量，得出从1957年到2006年这50年间降水量与温度增加变化的关系。结果表明：近五十年来，降水量呈持续下降趋势，温度呈上升趋势。降水与温度之间的相关系数随时间变化呈现出统计学上显着的上升趋势（p lt;0.01）。在黄河流域上游，具有典型脆弱生态系统的干旱区，暴雨，干旱期等极端降水事件明显增多。与半湿润区的下游相比，干旱区降水对温度的变化更加敏感。

关键词：降水 温度 暴雨 相关系数 黄河 中国

1：介绍

温度变化会对生态系统和经济发展产生很大影响（Karl等, 1995; Boo等, 2004; Zhang等, 2005）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告显示，20世纪全球年平均气温上升了0.4-0.8℃，到21世纪末，基于六种不同排放情景的模拟结果，气温上升可能达到1.8-4.0℃（IPCC, 1996, 2001,2007）。尽管IPCC的模拟存在很多不确定性，但人们普遍认为，如果从现在起没有采取适当的行动，由人类活动引起的温度升高可能对全球水文循环产生一些突变和不可逆转的影响（UNEP, 2007）。

随着温度的变化，人们对水资源的认识也越来越多，研究结果为理解水资源变化和分布可能受温度增加的空间和时间特征提供了宝贵的见解(Hamlet 和 Lettenmaier, 1999; Vorosmarty 等, 2000; Nijssen 等, 2001; Christensen 等, 2004; Porporato 等, 2004; Jasper 等, 2004)。大多数关于水文气候关系的研究集中在温度变化如何影响水资源总指标，通常是总降水量，以及一些研究针对降水的另一个特征，即极端降水事件的变化模式，通常是水资源状况的另一个重要指标，因为这是与水有关的自然灾害的关键原因（洪水和干旱）。最近Goswami等人（2006）报道，在气候变暖的季节，季风季节期间印度中部极端降雨事件的频率和幅度显着上升，而季节性平均降水量并没有显示出明显的趋势，这是因为日益增加的极端事件的影响通过正常事件的减少被抵消。这是一个季风气候区的案例研究。对于干旱和半干旱地区而言，生态系统更脆弱，因为水资源系统更容易受到半湿润地区的影响。 一些研究表明，干旱和半干旱地区降水受温度升高显着影响(Hess 等,1995; Elagib 和 Abdu, 1997;Modarres 和 Silva, 2007)。但是很少有与干旱和半干旱区温度变化相关的极端降雨事件的信息。

黄河流域（HRB）是中国的一个大型流域，大部分属于干旱半干旱地区。它是一个承载着中国30%人口的重要的河流流域。脆弱的水资源和其他与水有关的问题，例如侵蚀，一直是该区域可持续发展的主要障碍之一。黄河流域的水文状态一直是研究的重点。大量的研究集中在分析黄河流域的降水随着温度的升高而更加关注年际和季节性排放变化的水文气候趋势(Fu 等, 2004; Yang 等, 2004; Wang 等, 2006; Xu 等, 2007)。研究表明，随着温度的变化，黄河流域的降水在过去20年里呈下降趋势，使得水资源更加脆弱。然而，大多数研究都是基于总降水量，而不是暴雨、低效雨或极端降水事件的特征。

本文旨在阐明温度变化下黄河流域的水文气候关系。这一分析将涉及到两个方面的水文气候问题：（1）温度升高对降水变化的一般影响；（2）随着温度升高对极端降水事件（暴雨和小雨）在另一个层面上的水资源压力随温度变化的影响

2：数据和方法

2.1 数据

1957年到2006年的气温和降水数据由中国气象局提供(http://www.cma.gov.cn/english/)。数据集包含了分布在黄河流域9个省（自治区）(即青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东)的88个气象观测站的信息（图1）。

图1：划分为上(左)、中(中)、下(右) 的黄河流域的地图，及本研究中的气象观测站(点) 的分布

黄河流域包含大量具有不同气候和生物物理条件的地区。此外，在管理实践中，由于水资源保护和利用功能的差异，该流域通常分为三个部分。因此,本研究将呈现整个流域以及它的三个河段的数据,即位于青海-青藏高原的上游河段(UR)、流经黄土高原的中游河段(MR)和坐落在靠近渤海的华北平原的下游河段(LR)（图1）。从流域不同区域可以预测到不同的响应模式，因为它们位于不同的气候区，从流域上游的干旱地带、流域中游的黄土高原特殊干旱地带和半干旱地带到流域下游的半湿润地带。

2.2 定义

根据中国气象局制定的标准，黄河流域中暴雨的定义为日降水量等于或大于50毫米的天数。暴雨频率（RF）被定义为一年中暴雨的总天数，暴雨强度（RI）被定义为一年中暴雨天数的平均降水量。

相对暴雨频率(RRF)则被定义为雨天总天数中暴雨天数所占的百分比，相对暴雨强度(RRI)被定义为年总降水量中总暴雨降水量的百分比。

2.3 方法

对时间序列的同质性和趋势的检验

根据Buishand（1982）和Rodrigo（1999）等人的方法，水文气候时间序列的趋势同质性是通过在95％置信水平下的Thom检验(Thom, 1966)确定的。

目前，水文气象非正态数据变化的分析方法有回归、异常累积、移动平均、二次平滑、三次样条函数这几种(Chen 和 Rao, 2002)。特别Mann-Kendall秩相关分析被广泛用于评估1957-2006年的时间序列趋势(Kundzewicz 等, 2005; Su 等, 2005; Svensson 等, 2005)。这种方法的优点表明，它不仅可以处理涉及季节性、缺失值、核查或异常数据报告（如标记为“小于”的值）的非正态性，，而且具有高渐近效率(Berryman 等, 1988; Gan, 1998; Fu 等, 2004)，以及特定公式(Modarres and Silva, 2007)。

自1980年以来开发的奇异光谱分析(SSA)可以应用有效的方法来分析具有经验正交函数的随机非线性TS，从而获得时间序列的主要分量，具有不同时间和空间尺度下的复杂组合机制(Vautard 和 Ghil, 1989; Elsner 和 Tsonis, 1996; Golyandina 等, 2001)。在本研究中，通过对时间序列趋势的重构，确定了5年的插入维数来消除数据噪声。

相关系数分析

根据Goswami等人（2006）的研究，年相关系数（CC）被用来展示降水变化之间的分散度，RF和RI和温度异常，是基于整个黄河流域及其三个河段在1957–2006年的日数据，由两个年度相应的可变数据在低于0.01的显著水平（P＜0.01）下的静态计算，。对于降水和温度变化之间的相关系数计算，是将年温度和降水量数据归一化（与总均值的百分比距离）。

3：结果

3.1黄河流域温度和降水的总体趋势（1957年-2006年）

从1957年到2006年，整个黄河流域观测到的年平均温度呈上升趋势（图2A）。2006年的年平均温度为8.9℃，比50年间的年际温度高近1.1℃。

在同一时期，整个黄河流域观测到的年降水量呈下降趋势，这与气温50年间的年际水平变化相反（图2A）。2006年，年降水量低至431毫米，仅为50年间年际水平的89.6%。

对温度变化与降水变化之间相关系数的进一步分析表明，其在统计上有显著的上升趋势(负)(plt;0.01)（图2B）。结果表明，全流域内温度变化与降水变化存在较强的负相关关系; 换言之，过去五十年来，黄河流域降水量的减少对温度的升高越来越敏感。

图2：(A)年际间温度和降水变化趋势和(B)整个黄河流域1957-2006年间温度变化和降水变化之间的相关系数(1)粗线表示5年间的SSA值;(2)点线表示年际相关系数值;(3)虚线表示相关系数的趋势和(4)相关系数的分析(plt;0.01)

在黄河流域的上游（UR）、中游（MR）和下游（LR）河段中也观察到类似的温度和降水趋势，分别为（图3A，4A和5A）。然而，相关系数分析表明，只有在上游河段中，降水和温度之间才存在着与整个流域相似的显著负相关（p lt;0.01）（图3B）。相反，中游河段（图4B）和下游河段（图5B）的相关系数波动在统计上不显著。结果表明，干旱区（UR）的降水与温度升高之间的关系更密切，半干旱和半湿润地区（MR和LR）的降水量与温度变化间的直接相关性较低，可能是受到更多因素影响的原因，例如如海岸季风（LR）(Goswami et al., 2006)。

图3：(A)年际间温度和降水变化趋势和(B)黄河流域上游河段1957-2006年间温度变化和降水变化之间的相关系数(1)粗线表示5年间的SSA值;(2)点线表示年际相关系数值;(3)虚线表示相关系数的趋势和(4)相关系数的分析(plt;0.01)

图4：(A)年际间温度和降水变化趋势和(B)黄河流域中游河段1957-2006年间温度变化和降水变化之间的相关系数(1)粗线表示5年间的SSA值;(2)点线表示年际相关系数值;(3)虚线表示相关系数的趋势和(4)相关系数的分析(plt;0.01)

图5：(A)年际间温度和降水变化趋势和(B)黄河流域下游河段1957-2006年间温度变化和降水变化之间的相关系数(1)粗线表示5年间的SSA值;(2)点线表示年际相关系数值;(3)虚线表示相关系数的趋势和(4)相关系数的分析(plt;0.01)

3.2 极端降水的频率和强度

整个黄河流域的年度暴雨频率（RF）自1957年到2006年呈上升趋势。在过去的5年中，年际暴雨频率（RF）为29天，比50年间的年际水平高出近10％（图6A）。整个流域每年的暴雨强度（RI）趋势在同期并没有大致波动（图6A）。

在1957-2006年间，黄河上游河段（UR）的暴雨频率（RF）呈增加趋势，而中游（MR）的暴雨强度（RI）呈减少趋势（图6B和6C）。除此之外，其他河段的暴雨频率（RF）和暴雨强度（RI）趋势变化不大（图6B-6D）。

图6：1957 -2006年整个流域(A)、上游 (B)、中游 (C)和下游 (D)的年度暴雨频率（RF）和暴雨强度（RI）。粗线表示5年间的SSA值

1957-2006年，整个黄河流域的相对暴雨频率(RRF)呈下降趋势，2006年为33.01％，仅为50年间年际水平的92％（图7A）。进一步分析黄河流域三个河段的相对暴雨频率(RRF)得出，除过流域下游（LR），其余河段均显示与整个流域类似的减少趋势（图7B-7D）。

图7：1957-2006年整个流域(A)、上游 (B)、中游 (C)和下游 (D)的年度相对暴雨频率

粗线表示5年间的SSA值

除了暴雨（日降水量大于50毫米）外，另一个极端降雨事件是降水效率低，定义为日降水量在（0,10]毫米内(Wanget 等, 2005; Gong 等, 2006)。根据Wang等人（2005）提供的方法，进一步分析了具有两个日降水范围（即[0,5]毫米和（5,10] 毫米）的低效降水。

在两种低效降水类型中，极低的日降水量（（0,5）毫米）比日降水量为（5,10] 毫米的天数多15％左右，其情况不仅在整个流域类似，对于其三个河段同样适用（图8）。很显然，低效降水更多发生在日降水量极低的情况下。还可以看出，整个流域的低效降水比例（（0,5] 毫米和（5,10] 毫米）在很长一段时间内都在增加（图8A），以及流域上游（UR）和中游（MR）的（0,5]毫米降水量具有相似的变化趋势（图8B和8C），但是流域下游（LR）呈现下降趋势（图8D）。同时，对于流域上游（UR）、中游（MR）和下游（LR），分析（5,10]毫米的低效降水，三个河段皆显示增加趋势。

因此，如果考虑到低效降水天数，实际的暴雨天数会在分析时间内增加。

图8：1957-2006年间整个流域(A)、上游（B）、中游（C）和下游（D）的全年(0,5]毫米的低效降水天数的百分比和全年(5,10]毫米低效降水天数的百分比。粗线表示5年间的SSA值

1957-2006年间，整个黄河流域的年相对暴雨强度(RRI)呈上升趋势。2006年，相对暴雨强度(RRI)为87.77％，比50年间的年际水平高出近9％（图9A）。进一步分析黄河流域三个河段的相对暴雨强度(RRI)表明，其趋势与整个流域相同皆呈上升趋势（图9B-9D）。

图9：1957-2006年间整个流域(A)、上游(B)、中游(C)和下游(D)的年度相对暴雨强度(RRI)。粗线表示5年间的SSA值

4：讨论和结论

在过去的五十年里，黄河流域的温度呈现持续增长的态势，过去10年的年平均温度为8.6℃，比50年间的年平均值高出10.26％。这与全球变化趋势一致(IPCC, 2007)。相反，该流域的同期降水量持续减少（图2A）。阿拉伯(Abahussain 等, 2002)、叙利亚(Evans 和 Geerken, 2004)和伊朗(Modarres 和 Sil

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