论文总字数：17379字

目 录

1 引言 3

1.1 研究意义 3

1.2 国内外研究进展 3

1.2.1 国内研究进展 3

1.2.2 国外研究进展 4

2 研究区及数据 5

2.1 研究区概况 5

2.2 数据来源及处理 6

3 研究方法 7

3.1 Mann-Kendall趋势分析 7

3.1.1 Mann-Kendall趋势检验原理 7

3.2 CV变异系数分析 8

3.2.1 CV变异系数原理 8

3.2.2 CV变异系数的运算 8

3.3 一元线性回归分析 8

4 时间特征分析 8

4.1 降水量时间特征分析 9

4.2 气温时间特征分析 11

5 空间特征分析 12

5.1 降水量空间特征分析 12

5.2 气温空间特征分析 14

5.3 气温和降水的关系 15

6 总结 16

6.1降水量时空间特征 16

6.2气温时空间特征 16

6.3气温与降水量相关性 17

参考文献 : 18

致 谢 19

黄河流域气温降水时空变化分析

张典

Abstract：Factors such as precipitation and air temperature have an important impact on human production. China's climate, especially temperature and precipitation, is also undergoing tremendous changes. The Yellow River Basin is the second largest river basin in China. Changes in temperature and precipitation in the Yellow River Basin are important for flood control and drought prevention, agricultural production, and economic development. Therefore, this paper conducts the spatial-temporal changes of temperature precipitation within the 10 years after the return of farmland to forest in the Yellow River Basin. the study. This paper selects the annual average temperature and precipitation data from 96 meteorological stations in the Yellow River Basin from 2004 to 2013, and uses the Mann-Kendall trend test, the analysis of CV coefficient of variation, and the one-dimensional linear regression analysis to study the temporal and spatial characteristics of temperature and precipitation. And its relevance. The results show that precipitation in the Yellow River Basin is extremely uneven throughout the year, with more precipitation in spring and summer, mainly in summer, and less precipitation in autumn and winter seasons. The precipitation in the Yellow River Basin varies from one year to the next, but overall The trend is an upward trend. The total amount of precipitation in space gradually decreases from south to north. The precipitation in the basin is the largest in the southeast and the least in the northwest, with a spatial wavy pattern. The average temperature in the Yellow River Basin is 8.5°C for many years, and the overall trend is relatively stable with a slight decrease. The difference between the upper and lower reaches of the Yellow River is obvious. The average annual temperature in the upper reaches is 6.1 degrees Celsius, 10.2 degrees Celsius in the middle reaches, and 11.8 degrees Celsius in the lower reaches. The reasons for the differences are mainly elevation factors and topographic factors. A polynomial relationship model has been established for rainfall and temperature, indicating that there is a curve correlation between the two. However, the absolute value of the correlation coefficient obtained from the linear correlation analysis of temperature precipitation is too small, indicating that the linear correlation between temperature and precipitation over the decade is very low.

Key words：Yellow River Basin;Temperature and Precipitation;Temporal and Spatial Variations;Temperature Precipitation Correlation

1 引言

1.1 研究意义

气候变化已经成为全世界所关注的焦点问题，IPPC第五次评估报告第一工作组报告谈到，全球范围的气候变化已对生态系统、水资源和人类健康造成了极为严重的影响。受全球气候变暖和人类活动的影响，极端天气气候事件趋多趋强，已逐渐成为全球主要的气象灾害之一，正日益引起各国政府和专家学者的重视。中国是世界上受气候灾害影响最为严重的国家之一，频发的气象灾害不仅威胁到人民的生命财产安全，而且对社会经济的稳定发展造成了严重影响。黄河是中华文明最主要的发源地，中国人称其为“母亲河”。黄河作为西北干旱地区唯一的水源，重要性不言而喻。黄河流域的水资源，满足了流域区域内农作物的灌溉需求，满足了黄河流域人民的用水需求，通过水力发电亦满足了一部分能源需求，随着经济与人口的不断发展，人类对黄河水质，水量的需求越来越高。降水是水资源的重要来源，影响各个自然圈层和人类社会等对水资源的需求。降水又和气温有着千丝万缕的关系，例如温室气体的增加使温度增高，加快了水循环速度，影响到降水量。气温降水变化不仅影响自然生态系统还会影响到国民经济和人类生活。然而，气温降水变化存在很强的地域特征，不同流域的时空间特征不尽相同，因此有必要对具体的流域地域对气温、降水变化进行详尽评估。因此，本文在前人研究的基础上，拟对黄河流域降水与气温的时空变化特征进行研究，以促进当地水资源合理开发与利用。

本文选取黄河流域范围内96个气象站点，在退耕还林后10年的年均气温降水数据进行分析，运用Man-Kendall趋势检验法对气温降水数据进行时间，空间上的变化趋势分析，使用CV变异系数表现气温降水数据在时间空间上变化的波动情况，通过一元线性回归方法，表达气温与降水在时间与空间上的线性关系，以分析其相关性，揭示其规律。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国内研究进展

前人的研究集中在分析黄河流域的降水与温度上，这是研究气候变化的两大基本要素。从20世纪80 年代以来，很多学者对中国气候变化进行了大量的研究。贺俊平等^[1]采用一元线性回归分析，移动平均法等对黄河流域近53年降水进行时空变化分析，发现时间上下降趋势比较显著，空间上有明显的阶梯性，由北向南呈增加趋势；张鹏等^[2]对黄河流域区间采用滑动平均，Mann-Kendall趋势分析方法，空间克里金插值法等，发现降水年内分布非常集中，5~9 月降水量占到年降水量的 81%以上，汛期降水量占全年的 73%以上。年降水量、汛期降水量及春夏秋三季降水量均呈不明显减少趋势，而冬季降水量呈现不明显增加趋势。对于中国其他地区气温降水时空变化特征分析，也有许多学者做出了研究。李希国等^[3]使用二次方程回归量化对烟台的未来降水趋势提供了预测。刘然等^[4]采用线性回归和5年趋势滑动对合肥市气温降水变化和突变做出了分析。商沙沙等^[5]研究结果表明，中国西北地区降水有明显增加趋势。葛杰等^[6]在对青海湟水流域的气温降水时空变化分析中研究出今年湟水流域的气温降水变化周期及原因分析。郑巍斐^[7]等在基于统计降尺度的长江上游流域降水和气温的时空变化趋势研究中，基于长江流域宜昌站以上集水区的气象站实测数据对长江上游流域降水和气温的变化进行趋势分析，长江上游未来时期的降水、气温均呈增加趋势，且气温显著性增加。

1.2.2 国外研究进展

国外学者也使用了多样的方法对全球主要流域进行了许多研究分析。H.B.Mann和M.G.Kendall提出了Mann-Kendall检验法，该方法可以检验气候序列中的气候突变，进行趋势分析，被广泛利用于研究中。He Yin^[8]等在论文中对黄河流域近50年的气温降水，极端降水进行了分析，发现近五十年来，降水量呈持续下降趋势，温度呈上升趋势，而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著的上升趋势。Z.F. Yang等^[9]在论文中发现全球气候变化极大的影响了全球气温降水变化，并以黄河流域为例，分析了数十年间各气象站点气温降水的增减变化及趋势，以更好的解决问题。Christensen，Porporato，Jasper^[10]等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^[10]。Goswami^[11]等人总结，在对一个季风气候区的案例研究中，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。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。

1.3 研究思路

本文收集全国范围气象站点坐标数据和黄河流域矢量图，首先使用月均值数据制作三线表和图，分析年际变化趋势，并制作月平均气温线性变化率。然后选中黄河流域范围气象站点气温降水年均值数据并保存导出到Excel，之后分别进行Mann-Kendall趋势分析，CV变异系数计算，一元线性回归分析，获取变化趋势线，以此对气温降水分别进行时间，空间方面的分析。最后利用SPSS分析气温降水变化的相关性。技术流程图如图1所示：

2 研究区及数据

2.1 研究区概况

黄河发源于青海省，流经了青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东九个省，最后流入渤海，是中国第二长河，是中华名族最主要的发源地。

黄河流域地理环境、气候条件十分复杂，其人口、资源、环境与可持续发展一直是人们关注的焦点。黄河流域幅员辽阔，地形地貌差别很大，从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原四个部分。流域内气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候，西部干旱，东部湿润。黄河分为上中下游三段，其中上、中游的分界点位于内蒙古的河口镇，中游与下游的分界点位于河南省桃花峪。黄河流域是中国的一个大型流域，干旱半干旱地区占了其中很大比重。黄河流域承载了中国百分之三十的人口，但黄河流域也存在许多问题。黄河流域特殊的黄土高原地貌环境，使其很容易受到水土流失，极端降水等事件的影响。黄河流域山脉遍布，幅员辽阔，受到季风环流大气环流影响很复杂，所以黄河流域气温和降水都较大，具体表现为季节差别很大，温差悬殊，气温年较差，日较差都比较大，降水较为集中，并且地区分布不均。下游地区降水量可达800毫米以上，而内陆地区一般仅有100~200毫米，其比值超过5。降水在时间上也有较大差异，全年的七成降水位于夏秋季节。因此，了解黄河流域气温降水趋势性，时间空间变化特征以及气温降水相关性，对保护利用黄河流域水土资源，控制气象灾害，推动我国可持续发展都有重要意义。

2.2 数据来源及处理

收集获取的包含上游中游下游分界线的黄河流域的96个气象站点分布图如图2，选取站点要有代表性以便于插值，个别缺测站点已被剔除。考虑到下游流域范围内气象站点数量过少，故选取个别位于下游区域外侧的气象站点，以便于后期插值分析，此类个别位于流域边缘外侧的特殊站点已特别标记出。

本文所需数据包括：黄河流域上中下游矢量图层，黄河流域气象站点经纬度坐标，以及黄河流域气象站点2004~2013年气温降水年均值数据和月均值数据。其中，黄河流域气温降水年均值数据与月均值数据下载自中国气象数据网的中国地面气候资料数据集。黄河流域矢量图层通过遥感影像及行政区划图数字化获得并标记上中下游边界线。

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