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目 录

1. 引言 1

2. 降水量时空变化研究进展 1

3. 研究区概况与数据 2

3.1 研究区概况 2

3.2 数据来源及预处理 3

4. 研究方法 4

4.1 时间序列分析方法 5

4.1.1 降水距平 5

4.1.2 降水距平百分率 5

4.1.3 降水气候倾向率 5

4.1.4 变异系数 6

4.2 空间插值分析方法 6

5. 降水量时空分析 7

5.1 降水距平分析 7

5.2 降水距平百分率分析 10

5.3 降水气候倾向率分析 12

5.4 降水变异系数分析 12

5.5 空间插值分析 13

6. 西北三省降水变化分析 16

7. 结论 18

参考文献 19

致 谢 20

我国年降水量的时空变化分析

许晨辰

，China

Abstract：Climate change is related to the survival of mankind, which has been widely concerned in recent years. Precipitation is an important factor affecting climate, which has caused a lot of scholars' research and discussion. In this paper, the temporal and spatial variability of precipitation in China is analyzed by using the annual precipitation data of 1951 - 2013 in China's climatic data from the Chinese meteorological data network. The anomaly, the velocity of relative variety, coefficient of variation and climate index and the inverse distance weighting method is used to study the variation of the temporal and spatial interpolation of precipitation in China. From the interdecadal anomaly analysis, it is found that the average annual precipitation in the country has decreased significantly from the 1960s to the 1980s, and the stable recovery trend has occurred in the late 1980s. And the spatial distribution of precipitation is manifested as the gradual decrease of the southeastern coast to the northwest inland. The interdecadal anomaly percentage shows that the precipitation in the northwest inland is very different. The spatial distribution of the climate tendency reflects our country Most of the precipitation has been increasing in the past 63 years. According to the distribution of the variation coefficient of precipitation, the precipitation variation in the northwestern arctic arid region is the largest.

Keywords: precipitation; time series; anomaly; IDW

引言

气候变化已成为当今人们关注的热点，其关系着整个人类生存的问题^[1]。物种分布及其生态系统演变过程，因气候变化所导致的动植物生态环境变化、全球变暖而倍受影响，而降水作为主要的气候要素，其时空分布模式的改变将引起水资源和营养物质的时空分布发生变化，并增加对自然生态系统及其演替过程的干扰程度，从而影响各种生态系统的结构、服务功能及空间分布变化^[2-3]。

我国地理位置处于中纬度和副热带地区，在全球气候变化的背景下，中国过去60年的气候变化也十分显著。有关研究指出我国过去60年的降水量的总体下降及20世纪90年代后期的回升现象与全球降水变化趋势基本一致^[4]，但空间变化格局与热带和亚热带地区减少、全球中高纬度地区降水增加特征正好相反，且我国北方有从干旱向湿润转变的迹象。因此，研究此背景下降水量时空序列的变化特征具有重要意义^[5]。

降水量时空变化研究进展

对于降水量的时空变化，目前许多学者从年、季、月等各个尺度，采用小波分析、线性回归、滑动平均、累计距平、有序聚类、Mann-Kendall检验、集中度和集中期等不同分析方法对不同地区的降水的时空变化趋势进行了研究。其中大多采用Morlet小波变换结合线性回归，有时还会结合变异系数、移动平均曲线或者在M-AMMRR 法上进行改进的I-AMMRR法。

国内学者张秀娟^[3]在研究西北四省区降水的时空变化特征中、李俊^[6]在研究1953-2012年湖北省降水量时空变化时均使用了Morlet小波变换的方法。首先进行线性趋势估计，利用降水的时间序列，建立含气候趋势系数（回归系数）的一元回归方程，然后进行小波分析，得到序列变化的尺度和变化的时间位置。此外，潘杰^[7]在研究常州地区1978-2012年降水时空变化时在利用小波变换的基础上还结合了线性回归、变异系数、移动平均曲线这几个方法。

另外，有一种方法称为Mann-Kendall（M-K）的趋势分析及检验方法在此类研究中被广泛应用与检验突变，国内学者张文纲^[8]在研究青藏高原40年来降水量时空变化趋势时使用了此种方法，他们采用Mann-Kendall方法对各台站降水量的40年序列进行趋势变化和突变分析。年代际的变化主要以计算的逐站10年降水量插值，用空间插值反映其区域变化情况，同时应用主成分方法对高原台站 40年的降水资料所构成的降水量场进行分解，以其载荷向量场的特征分出区域分异，再结合 M-K 法对主成分以及不同分区的平均降水量同时进行趋势和突变点检测。

国外专家学者也对我国降水时空变化进行了研究，LI Xiang^[9]以1951～2009年河西走廊月降水量资料为基础，利用移动平均、小波分析和气候趋势系数等方法，分析了河西走廊近58年来降水量的变化规律。BING WANG^[10]在对我国近53年海河流域降水的时空变化分析中，主要运用了Mann-Kendall检验方法分析不同时间段的降水变化并确定降水突变，另外也分析了海河流域降水的空间变化，通过镶嵌多边形的方法计算地表降雨量。

王红霞^[11]在研究甘肃省近 42 年降水量变化时空分布格局分析时，对几种插值方法进行了比较，在M-AMMRR 插值法基础上，采用OK 法进行残差面模拟以改进 M-AMMRR，形成改进型插值模型 (I-AMMRR)。采用 I-AMMRR、M-AMMRR、IDW、 OK、 CK 对甘肃省降水量和降水倾向率进行插值模拟。此研究表明考虑经纬度、海拔高度、坡度和坡向的M-AMMRR和 I-AMMRR 具有较好的插值效果，优于传统插值方法(OK、CK、IDW)。其中，尤以I-AMMRR的相关系数最高，MAE、MRE、RMSE最低，表现出明显优势，因而选取M-AMMRR法模拟降水量和降水倾向率的空间分布。

国内学者范泽孟^[12]在中国气温与降水的时空变化趋势分析一文中，在对全国1964-2007年的752个气象站点的观测气温、降水数据进行空间统计分析的基础上，综合考虑了一系列地形特征因子对气温和降水的空间分布的影响，构建了全国平均气温和平均降水空间分布趋势模型，并将高精度曲面建模(HASM)方法与该模型进行集成，实现研究周期内各时段的年均气温和年均降水时空变化趋势模拟。他的模拟结果表明，在1964-1974、1975-1985、1986-1996和1997-2007年4个时段内，全国年均气温总体呈持续上升的趋势，而全国年均降水量变化幅度不大且存在显著的空间分布差异及变化特征。他所建立的这种模型和方法，满足了多尺度生态系统时空分析模型的参数精度需求并可以高效快速地实现将离散点气候观测数据转换成高分辨率的空间栅格数据。

研究区概况与数据

研究区概况

中国版图幅员辽阔，纬度跨度较广，距海远近差异也大，整个地势上呈现出西高东低的形态，其中山地、高原和丘陵约占陆地面积的67％，盆地和平原约占陆地面积的33％。而我国山脉多呈东西和东北一西南走向，主要有昆仑山、喜马拉雅山、秦岭、大兴安岭、武夷山和台湾山脉等山脉。我国西部有世界上最高打的高原——青藏高原，平均海拔4 000米以上，素有“世界屋脊”之称，其中世界第一高峰——珠穆朗玛峰，海拔达到8848米。在青藏高原北部、东部的内蒙古、新疆、黄土高原、四川盆地和云贵高原等地，是中国地势的第二级阶梯。再往沿海方向的大兴安岭一太行山一巫山一武陵山一雪峰山一线以东至海岸线多为平原和丘陵，为我国地势的第三级阶梯(http://www.gov.cn/)。

我国的年均降水量的空间分布特点大体上呈现由东南沿海向西北内陆递减的现象，是由于中国版图由东南沿海至西北深入到亚欧大陆内部，来自太平洋的水汽自东南沿海向西北内陆逐渐减弱，空气中的可降水量也随之减少。另一方面，我国受季风影响可带来大量降水的夏季风由东南沿海向内陆刮去，但受重重高山的阻挡和越来越远的路途的限制，其对降水量的影响程度也从东南沿海向西北内陆逐渐减小。另外加上我国的地理条件多样，经度、纬度范围都较广，降水的地区分布也极不均匀，干湿地区在我国都存在，且旱涝灾害时有发生。

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