中国黄土高原气候系统主要特征

第!"卷增刊灾害学#$%&!"’$&()&*))+ *))+年!)月,-./’01-23040(4/-56-1-78-9: ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;中国黄土高原气候系统主要特征<王毅荣!=*=尹宪志!=袁志鹏!>!&中国气象局兰州干旱气象研究所=甘肃兰州=?@))*)A*&甘肃省定西市气象局=甘肃定西=?+@)))B摘要C分析了气候系统变化=结果表明C黄土高原气候系统中岩石圈和大气圈相互影响A大气系统中降水量具有很明显的地域和季节性=降水年际变率大=时间变化上降水呈减少趋势=平均每年减少*&D E E左右=下降速度高原东部明显快于西部=年降水存在*F+年左右的年际振荡A年G季气温的年际变化全区以一致变暖为主=高原中部变化幅度大于周边=气温上升速度年平均气温为)&*H IJ!)K=冬季升温最快=夏季升温最慢A干旱频繁G暴雨较多L关键词C黄土高原A气候系统A特征中图分类号C5+H!文献标识码C0文章编号C!)))M N!!O>*))+B()M))@"M)?从*)世纪?)年代后期=大气科学研究取得一个突破性进展=人们认识到气候变化不仅是由于发生在大气内部的动力G热力过程所造成=更重要是由于受海洋G冰雪圈>包括冰川G 海冰和大陆上冰雪覆盖B G岩石圈>主要是山脉G陆面G土壤B G生物圈和人类活动影响这些圈组成了气候系统=气候系统是一个很复杂的系统L这些各不相同的P圈Q之间的相互作用可以形成月R季度G年际G年代际以及!))年以上时间尺度的气候变化S!T L 黄土高原位于黄河中上游和海河上游地区=东起太行山=西至日月山=南界秦岭=北抵鄂尔多斯高原=总面积D!&?万U E*=承载人口约!V!)N=包括河北西部=山西大部=陕西中北部=甘肃中东部=宁夏南部及青海东部等地S*T L根据地貌的形成过程和自然特征的差异=可分为四部分C陇中盆地=陇东G陕北高原=渭河地堑平原=山西高原L本文着重分析了黄土高原区域气候系统主要特征LW黄土高原岩石圈特征黄土高原除了一些裸岩的高山以外=基本上构成了连续的黄土盖层=堆积了H)F*))E厚的黄土=是一种细腻G均匀G颗粒大小只有!E E的几十之一的土质L黄土高原地形破碎=到处都是一条条深深的沟谷和土山L主要地形地貌是C陇东G陕北高原包括六盘山以东=吕梁山以西=渭河北山以北=长城以南的地区=是一个盆地型高原=长城内外广大地面发生由西北向东南掀斜式的整体抬升=并加大了长城以南的斜度=于是泾河G洛河与山陕之间的黄河<收稿日起C*))+M)D M!?作者简介C王毅荣>!"H?M B=男=甘肃定西人=在读研究生=主要从事天气气候G应用气象研究和计算机软件工程&从三趾马红土堆积面切下!形成以渭河地堑谷为汇集的扇状水系"由于谷坡的不断扩展!谷地间的形态!有些成为面积或大或小的平台!有些成为长条形或椭圆形的丘陵"在黄土堆积最厚的中心地区!泾#洛河中游#马连河和蒲河间有几片相对平坦的塬面!如董志塬#洛川塬等!陇中祖厉河中游#延水关到禹门口的黄河两侧#晋东南漳河中游等地保留部分窄条的$黄土残塬%"塬的顶面比较平整!四周受沟谷侵蚀!形成陡峻的边坡"目前!平整的黄土塬已残存不多!塬面已不及黄土覆盖面积的&’&("大部分地区已被分割成千沟万壑的丘陵沟壑区!其面积约占黄土高覆盖面积的)’&(!梁峁分布区地面非常破碎!丘陵顶部面积小!很少超过*+,*!峁的面积仅有(-*.+,*左右"大体上!陇中梁多于峁!多见具有大面的凹斜坡的长梁/陕北与晋西梁多于峁的比例较小!则以具有较大面积的凸斜形坡的短梁居多/在延水关以北的黄河沿岸及其较大支流的下游!梁#峁面积大致相等"黄土高原被水蚀切割的程度和速度十分惊人"从地面分割度为*(01230!黄土丘陵沟壑区一般可达42156+,’+,*"由于黄土结构疏松!抗蚀力差!垂直节理发育!极易崩塌!加上植被覆盖很差!又多暴雨!侵蚀切割非常强烈"发源和流经这里的河流含沙量都很高!成为黄河泥沙的主要来源"每年进入黄河的泥沙相当于尼罗河#密西西比河#亚马逊河和长江2条大河输沙量的总和"严重的水土流失!形成了黄土高原千沟万壑#光山秃岭#灾害频繁#地瘠民贫!使黄河中游成为集中连片的贫困地区"每+,*平均每年冲走表土3((12((7!肥土大量流失!耕地越种越薄"长期的水土流失!从根本上恶化了农业生产的基本条件"黄土高原地区经济发展与生态环境严重失调的局面由来已久!而且随着人口的增加!经济的发展!水土流失问题和资源紧缺的形势将更加严峻"8黄土高原大气圈对岩石圈作用在辽阔的中亚地区的中央部分!分布着大片砾石遍地的戈壁滩!在戈壁滩的外围!分布着哈萨克斯坦的卜拉库姆沙漠#中国境内的塔克拉玛干沙漠#巴丹吉林沙漠#腾格里沙漠!再向外!就是广布于中国黄土高原上的黄土"从戈壁!到沙漠!再到黄土!三种不同粗细的物质!由粗到细!由细到更细!大约呈同心圆的方式分布着"这个现象说明了中国黄土高原上的黄土是由大风把中亚#中国的戈壁和沙漠地区中的细土吹到黄土高原上的"形成黄土的当时气候是一种比较干旱的多风的环境!有利于黄土的搬运和堆积"同时!通过对不同地区的黄土颗粒的分析!可以看出黄土的颗粒越往东南方向越细!相反越接近沙漠地区就粗一些"青藏高原隆起最快的时间距今只有几十万年!与黄土形成时间大体相当"青藏高原是一片非常辽阔#非常高大的土地!必然会对地球上的大气流动产生影响"正是由于青藏高原的作用!才出现了中国的季风与中国西部的干旱区"中国黄土高原正好处在中国东部季风区与西部干旱区之间!这种大环境!为黄土的形成创造了先决条件93:"黄土高原上主要的山有太行山#吕梁山#六盘山等基本上是南北走向!与西风带风力输送的作用方向是一致的";黄土高原大气圈气候特征;-<黄土高原降水特征(2灾害学&)卷!"#"#黄土高原区域降水特征黄土高原是中国东部季风区向西部干旱区过度的地带$%&’从#()#*+,,,年的%,年中黄土高原区域年平均降水为%)%"#--’区域分布.图#/状况是0降水量从东南向西北依次递减1在黄土高原东南部的宝鸡2洛川2孟津一带年平均降水在),,--以上1阳泉2榆社2三门峡2西峰一线在33,--左右1高原中部的临洮2固原2吴旗2绥德2太原一带在%3,--左右1西宁2民和2榆中2同心一带大约在!3,--左右1靖远4海源4盐池一带大约在+3,--左右1景泰2中卫2中宁一带5+,,--’年平均降水最大的地方在华山6!)--7次多是五台山886"3--1最少的是中卫#6+"#--1次少的是景泰#6%"(--’降水的季节性十分明显’总体夏季.)*6月/最多1占年降水的3%"691年降水少的地方夏季降水所占的比例高达339*),91年降水多的地方1夏季降水占%39左右:秋季.6*##月/占年降水的+3"691春季.!*3月/占8"89:冬季.#+*+月/最少仅占,",)9左右’可见黄土高原降水主要集中在夏季1冬季降水微乎其微1秋季多于春季’降水的年际变化也很大1%,年中最多的年份区域平均为8,%"8--1最少的年份区域平均为!+#"6--’各地降水变率.极大值与极小值之百分比/就整个高原.图+/来说1北部大1南部小1都在+3,9以上’区域单点最小值为6+--1区域单点最大值为#+)!--’正距平与负距平的年份大致相当’+,世纪),年代平均降水量3,!"8--18,年代为%)#"#--16,年代为%)6",--1(,年代为%+6"8--1+,世纪),年代降水最多1(,年代降水最少’图#年均降水分布图+年均降水变率分布降水变化趋势1由线性拟合斜率.降水序列与拟合函数值之间的相关系数通过,",3信度检验/描述’斜率分布由图!给出1从中看出高原降水呈减少趋势1平均每年减少+"3--左右1下降速度高原东部明显快于西部1山西高原一带最大1以;%--<=的速度下降1陇东高原一带以5#"3--<=的速度下降1青海境内降水呈现增加的趋势’作物生长期.%*#,月/降水量递减率在4+--<=左右1冬季降雪量呈上升趋势1递增率在,",%--<=左右’由年降水的>?@分解的第#特征向量.方差贡献为%%")%9/时间系数反映出1高原降水量最多的年份是#()%1次多的是#()8年1#()#年居!位:最少的是#((8年1次少的是#()3年1#(8+居!位’由作物生长期.%*#,月/降水的>?@分解的第#特征向量.差贡献为%)")#9/时间系反映出1作物生长期降水量最多的是#()%年1次多的是#()#年1#()8年居!位:最少的是#((81次少的是#(8+年1#()3居!位’#%增刊王毅荣1等0中国黄土高原气候系统主要特征图!降水量变化趋势分布图"次区域划分由冬季降水的#$%分解的第&特征向量’方差贡献为(")"*+,时间系数反映出-冬季降水最多的是&..&年-次多的是&../年-&.**年居!位0最少的是1///-次少的是&.2"年-&.2.居!位3!)&)1黄土高原次区域降水特征黄土高原区域内各地域年降水差异较大-根据高原区域年降水量之间相关程度的高低-把相关程度高的区域规划到一起3利用4#$%分解-将前"个空间模’累计方差贡献为*1)!/+,的分布图叠放在一起-发现空间模态等值区基本重合于/)2(的等值线’表征相关程度,处-/)2(的等值线将黄土高原分成(个空间型’图",3黄土高原北部为&区-山西高原地带为1区-渭河平原地带为!区-陇中盆地为"区-六盘山地带为(区3对&5(区降水进行单因素方差分析-通过/)//&的信度检验-表明各区都存在显著差异3&61区降水于在&.*.年左右发生变化-反映&.7/年以后降水向减少的趋势发展3!6"区降水于&.7(年发生变化-&.72年以后减少-&.72年前后是1个明显的阶段3尤其!区降水在&.72年后的变化明显-降水显著减少-此后降水一直处于低值状态-表明在&.7(年左右发生明显转折3在"/年的变化中-年降水存在15"年和7年左右的年际振荡和&(年左右和1(年左右的年代际振荡3多雨期’转折前,-振荡强6年降水变幅大0少雨期’转折后,-振荡弱6年降水变幅小3转折后不仅降水量减少-而且降水量的变幅也减小3转折前后降水特征明显不同-各区降水量变率减小3&区的年降水的变化-在&.7/年代之前-年际振荡以1年6"年67年左右的周期为主-振荡强6周期明显-尤其&.2(年左右明显呈现出1年67年左右的短周期振荡且振荡是近"/年来最强的0在&.7/年代之后-年际振荡有1年5"年左右的周期-但周期性明显程度下降6振荡较弱-尤其&.7(年之后3在&.*/6&.7/年代短周期不明显-出现&(年左右长周期-但振荡不强3多雨期’&.7/年之前,-振荡强说明年降水变幅大-少雨期’&.7/年,-振荡弱说明年降水变幅小3这说明黄土高原&区降水量变率是减小的-转折’&.*.年左右,后不仅降水量减少-而且降水量的变幅也减小3转折前后降水特征明显不同31区降水具有"年67年左右的年际振荡为主-年代际振荡不明显3在&.2/年代年际振荡以"年67年并存-此阶段年际振荡最强0&.*/年代年际振荡以"年为主-此阶段振荡较强0&.*(5&.7(年之间周期不明显-&.72年后存在"年年际振荡-振荡强度比以前明显减弱3!区降水的15"年和7年左右的1"灾害学&.卷年际振荡和!"年左右的年代际振荡并存#振荡不强$!%&’年之前周期复杂#之后变为(年左右年际振荡和!"年左右的年代际振荡#周期比较单一$!%%"年后(年左右的年际振荡成为主振荡#振荡加强)(区年降水存在*+(年和&年左右的年际振荡和*"年左右的年代际振荡)!%’,+!%-,年代(年.&年左右的周期明显振荡最强#而年代际振荡不明显)在!%-,年代后以(年左右年际振荡为主#振荡减弱#在!%&"年左右出现*"年左右的年代际振荡)!+(区年降水振荡的周期和强度阶段性明显)"区年降水振荡的比较零乱#周期和阶段性不太明显)/01黄土高原气温特征高原区域年平均气温为&0&2#春季为!,0,2#夏季为*,0%2#秋季为&0&2#冬季为3(0’2)各地气温的差别主要在拔海高度的不同#经度和纬度而造成的差别不大)对年.季平均气温进行456分解#表!给出第!特征向量方差贡献率#反映出第一特征向量已概括了场的主要信息)第一特征向量空间分布是一致的正值#大值区在高原中部#反映出年.季气温的年际变化全区一致程度很高#高原中部变化幅度最大)由456第一特征向量时间系数及其7阶主值函数曲线反映出年.季气温上升很明显)图"给出年气温456第一特征向量时间系数及其7阶主值函数曲线#看到年均气温变化趋势在!%&(年后明显上升趋势#%,年代上升最突出)同理分析发现#夏季气温在!%&,年为最低值点#之后时间系数持续上升$冬季变化自!%’(年后缓慢上升)图"年均气温456!时间系数及其7阶主值函数曲线表!第一征向量方差贡献时间方差贡献全年--0-8春季-*0’8夏季’*0!8秋季-%078冬季&!0(8表*中国黄土高原各年代气温9平均:!%’!+!%-,!%-!+!%&,!%&!+!%%,!%%,+*,,,年气温92:夏季气温92:冬季气温92:&0"*!0,3"07&0’*,0&3(0&&0-*,0’3(0"%07*!07370-气温上升速度大致为#年平均气温是,0*’2;!,<#冬季升温最快#达,0"!2;!,<#秋季次之#为,0*(2;!,<#春季为,0!%2;!,<#夏季升温最慢#为,0,-2;!,<)年气温增幅黄土高原腹地较大#边缘较小)年.夏季.冬季气温在%,年代最高9表*:#其中!%%-+*,,,年#平均气温分别达%0-2.!,072.!,0*2.%0’2#是*,世纪最高的几年)’,年代冬季冷#夏季热)将距平大于或等于一个标准差划分为暖9年.季:#小于或等于一个负标准差划分为冷9年.季:#大于或等于两个标准差为异常暖#小于或等于两个负标准差为异常冷)则在!%’+*,,,年间#暖年为!%&-.!%%(.!%%-.!%%&.!%%%.*,,,#其中!%%&.!%%%年为异常暖$冷年为!%-,.!%-’.!%&(年#没有出现异常冷的年份)热夏年有!%’*.!%-*.!%-".!%%!.!%%-.!%%&.!%%%.*,,,年#其中!%%-年为异常热)暖冬有!%-%+7(增刊王毅荣#等=中国黄土高原气候系统主要特征!"#$%!"#&’!"##%!""$’!""!%!""!’!""(%!""&’!""#%!""#’!"""%!"""’($$$年)其中!"""’($$$年为异常暖冬*!"+,’!"+-%!"+&’!"+#%!"+#’!"+"%!"&(’!"&.%!"&&’!"&#%!"#,’!"#-年为冷冬)其中!"+#’!"+"年为异常冷冬/年平均气温和夏季平均气温变率的年代变化是增大)"$年代最大*冬季变率大于其它季节)冬季平均气温变率呈减小的趋势/010黄土高原主要灾害性气候事件特征.1.1!干旱马宗晋等2-3曾对中国的自然灾害进行研究并提出了减灾对策和建议)黄土高原主要灾害性气候事件是干旱和暴雨/黄土高原干旱的演变趋势是全区一致向严重发展2+3/!"+!’($$$年的,$年中)最旱的是!""&年)在黄土高原的大多数地方成了百年不遇的严重干旱)严重干旱年还有!"+-%!"&(%!""!%!"#+%!"&,年/,$年中处于干旱时段的有)!"&$年!(月’!"&.年(月和!"&"年!(月’!"#.年+月)干旱时间最长的是!""!年!月’($$$年!(月)长达!$年之久)可以说上世纪"$年代是最为干旱的!$年)而黄河流域历史上曾发生两次连续!!年的干旱期4即!+.(’!+,(年和!"((’!".(年5/干旱时间演变中)存在以(年’,年为主的年际振荡)(年’,年就出现一次严重干旱/.1.1(暴雨暴雨直接造成黄土高原严重水土流失)引发山洪等地质灾害/暴雨年气候概率分布是高原的东部概率明显高于西部/在天水6固原6环县以东概率在$1-以上)即(年内至少出现!次暴雨)在西安6临汾6榆社以东的地区基本每年都出现暴雨/在渭河上游%六盘山一带(年’-年出现!次)在贵得6西宁6景泰一带暴雨最少)大约三%四十年一遇/7小结中国黄土高原是一个盆地型高原)长城内外广大地面发生由西北向东南掀斜式的整体抬升)并加大了长城以南的斜度)泾河%洛河和黄河)形成以渭河地堑谷为汇集的扇状水系/谷坡的不断扩展)谷地间的形态)成为平台%丘陵/黄土结构疏松)抗蚀力差)植被覆盖很差)侵蚀切割非常强烈)发源和流经这里的河流含沙量都很高)成为黄河泥沙的主要来源/严重的水土流失)肥土大量流失)耕地越种越薄)干旱频繁)暴雨多)形成了黄土高原千沟万壑%光山秃岭%灾害频繁%地瘠民贫)成为集中连片的贫困地区/大气系统中降水量从东南向西北依次递减)年降水从西到东基本在!#$到+$$88之间/降水的季节性十分明显)主要集中在夏季)秋季次之)春季较少)冬季降水最少/降水的年际变化也很大)最多的年份区域平均为&$,1&88)最少的年份区域平均为.(!1#88/各地降水变率北部大)南部小)但都在(-$9以上/降水变化趋势)呈减少趋势)下降速度高原东部明显快于西部)山西高原一带最大)以:,88;<的速度下降)陇东高原一带以=!1-88;<的速度下降/作物生长期降水量递减率在>(88;<左右)冬季降雪量略呈上升趋势/高原区域内各地域降水的年际变化差异也很大)存在-个次区域)即黄土高原北部%山西高原地带%渭河平原地带%陇中盆地%六盘山地带-个区)各区之间存在显著差异/在,$年的变化中)年降水存在(’,年和#年左右的年际振荡和!-年左右和(-年左右的年代际振荡/多雨期4转,,灾害学!"卷折前!"振荡强#年降水变幅大$少雨期%转折后!"振荡弱#年降水变幅小&转折后不仅降水量减少"而且降水量的变幅也减小&转折前后降水特征明显不同"各区降水量变率在减小&高原年平均气温为’(’)"春季为*+(+)"夏季为,+(-)"秋季为’(’)"冬季为./(0)&年#季气温的年际变化全区一致"高原中部变化幅度最大&气温上升速度年平均气温为+(,0)1*+2"冬季升温最快"达+(3*)1*+2"秋季次之"为+(,/)1*+2"春季为+(*-)1*+2"夏季升温最慢"为+(+4)1*+2&年气温增度黄土高原腹地较大&年#夏季#冬季气温在-+年代最高"其中*--45,+++年"是,+世纪最高的几年&黄土高原干旱的演变趋势是全区一致向严重发展",年5/年就出现一次严重干旱&暴雨在高原的东部出现的概率明显高于西部&在天水6固原6环县以东,年内至少出现*次暴雨"在西安6临汾6榆社以东的地区基本每年都出现暴雨&参考文献78*9黄荣辉(大气科学发展的回顾与展望8:9(地球科学进展",++*"*0%3!(8,9周立三(中国农业地理8;9(北京(科学出版社",+++"</4.<0/(8<9=2>?@A B C D >?(E F G H I J IK L I J J ;M N H I O G J ;M H PQ M K I L E K G ;M O I 7R I E I H OP I S I K L Q ;I H O J 8:9(M T U 2>V DA >I 2W X CJ V A D >V DB "H Y (3"M Q R (,++*(8/9Z F MH N:A >?[Y >?"P L H N=D >\A D "]^E Y >?_A >"D X 2‘(O C D G >a ‘b D >V D Y a S D ?D X 2X A Y >E Y U D W Y >J b cc D W Q W D V A d A X 2X A Y >A >E C A >272J X 2X A B X A V 2‘M >2‘[B A B Y a HP S G 2>TE ‘A c 2X D P 2X 28:9(M T U 2>V D B A >M X c Y B d C D W A V J V A D >V D B ",++<",+%0!7*++,e *++0(839马宗晋"赵阿兴(中国近/+年自然灾害总况与减灾对策建议8:9(灾害学"*--*"4%*!7’-.-/(809王毅荣(中国黄土高原干旱对全球气候变化的响应8:9(西北大学学报%自然科学网络版!",++/",%’!(fg h ij k g l g m n o l h p n h m p q r j s h t g n o u v p n o t h iw q o p p x s g n o g y h ij k h i g=2>?z A e W Y >?*","z G H @A 2>e {C A *2>T z ^M H Z C A e d D >?*%*(|}~!"!#!$%&’(")*$!$%(%+%,-".*’"/0}12%#4<++,+".2"}0$,(*$!$%(%+%,"30+4#($0#%&5"},6""5"},6"4/<+++".2"}0!789:;<=:7O C D V C 2>?D B Y a X C D V ‘A c 2X D B [B X D c 2W D 2>2‘[{D T (O C D W D B b ‘X B B C Y >X C 2X A >X C DV ‘A c 2X D B [B X D c ‘Y D B B d ‘2X D 2b "‘A X C Y B d C D W D 2>T2X c Y B d C D W D 2a a D V X B D 2V CY X C D W (O C D d W D V A d A X 2e X A Y >A B Y a Y _U A Y b B W D ?A Y >2‘"B D 2B Y >2‘2>T 2>>b 2‘T A a a D W D >V D B (O C D [D 2W d W D V A d A X 2X A Y >T D V W D 2B D Ta W Y c *-0*X Y ,+++>A X C2_Yb X e ,(3c c 1[D 2W A >2U D W 2?D (O C D T D V W D 2B D W 2X D A >X C D D 2B Xd ‘2X D 2b A B W D c 2W ?2_‘[a 2B X D W X C 2>X C 2X A >X C D >D B X (O C D[D 2W d W D V A d A X 2X A Y >C 2B ,5/[D 2W B U 2W A 2X A Y >(O C D [D 2W 2>TB D 2B Y >2‘X D c d D W 2X b W D U 2W A 2X A Y >A >X C A B W D ?A Y >C 2B 2X D >T D >V [Y a >2W c A >?(O C DX D c d D W 2X b W DA >V W D 2B D B >A X C +(,0)1*+[D 2W B (O C D A >V W D 2B DW 2X DA BX C Da 2B X D B X A >>A >X D W2>TX C DB ‘Y >D B X A >B b cc D W (O C DW 2X DY a X D c d D W 2X b W DA >V W D 2B DA >X C DV D >X W 2‘d 2W X A Ba 2B X D WX C 2>X C 2X A >X C Dd D W A d C D W [(G >X C D >C Y ‘D‘Y D B B d ‘2X D 2b "T W Y b ?C X 2>TW 2A >B X Y W c 2W D a W D @b D >X (A B CD E ;F 97‘Y D B B d ‘2X D 2b $V ‘A c 2X D B [B X D c $V C 2W 2V X D W A B X A V B 3/增刊王毅荣"等7中国黄土高原气候系统主要特征。