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摘要利用长治地区11个气象观测台站1960—2013年逐月降水资料，运用小波分析、突变分析、主分量分析等方法，对近54年来长治地区干旱事件的时空异常分布和变化特征等进行了综合分析。结果表明，近54年来长治地区降水的分布特征是东少西多，区域内干旱频繁；长子县是长治地区干旱发生最为频繁、也是近年来旱情趋于严重的地区。从长治降水变化的分布型来看，全区一致旱涝的分布型占主要地位，其所贡献的方差达总方差的70%以上。长治地区降水存在着年代际变化（周期为准4～14年）和年际变化（周期为准2～4年）2个显著的振荡特征；1972—2013年长治地区降水有逐渐减少的趋势，且从1972年开始可能出现了趋于明显减少的气候突变。
关键词 降水；干旱；变化特征；长治地区
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）27-0194-04
Abstract Based on the monthly precipitation data of 11 meteorological observatories in Changzhi area from 1960 to 2013， the temporal and spatial anomalies and the change characteristics of drought events in Changzhi area were analyzed by wavelet analysis， mutation analysis and principal component analysis etc..The results showed precipitation distribution characteristics of Changzhi area presented more in the west part and less in the east part， and drought was frequently happened in this region.The situation in Zhangzi County was most serious and the drought frequency was the highest. From the distribution of precipitation change in Changzhi area， it showed that about 70% of the region had the situation of both drought and flood were existed.Two obvious oscillation characteristics， which were decade variability （a cycle of 4-14 years） and yearly variability （from 2-4 years） existed in the rainfall in Changzhi area. There was a trend that rainfall decreased gradually during 1972-2013. Moreover， we could say that an obvious climate change in the aspect of rainfall decrease had occurred from 1972.
Key words Precipitation；Drought；Change characteristics；Changzhi area
氣候变化的显著特点是全球气温升高，干旱以及干旱带来的生态环境问题加剧。干旱通常是指较大范围内的因水分收支（供求）不平衡而引起的持续性的土壤水分缺乏现象，其核心内容是水分匮乏，并且有一定的时空尺度和规模程度[1-2]。干旱是长治地区最主要的灾害性天气，每年都会不同程度地发生，而且全区域性干旱的出现情况比较频繁，约占总年数的50%以上。另外，全区性的干旱还有连年发生的特点，由干旱所引起的异常高温、异常降水直接影响农业、工业、人民生活、生态环境、旅游业、电力等各个方面，因此，分析长治地区的干旱成因并能针对性地进行预报有着重要的现实意义。Mckee等[3]于1993年提出标准化降水指数（SPI），定义为一段时间内降雨量相对于降水概率分布函数的标准差，是近年来在气象业务中应用比较多的干旱指数；李茂松[4]采用统计分析方法较早地对长治干旱的分布特征和发生频率进行了研究，对于引起其干旱的原因认为有天气气候原因、地形地貌的影响、作物结构和布局、农业措施这4个方面；张红英等[5]统计分析长治11个观测站点1960—1995年3—8月逐月降水资料，将长治的春旱和夏旱分别设为5个级别，从中寻找春夏两季干旱发生的规律。总体而言，尽管学者们从各个角度对干旱灾害的研究很多，但专门针对长治地区干旱、降水变化特征及其成因机制方面的研究较少；相关研究也多采用传统的频数统计等方法；从天气气候背景的角度来分析长治干旱成因机制等方面的工作还很不系统。针对上述问题，笔者利用长治地区11个气象观测站1960—2013年逐日降水资料，运用小波分析、突变分析、EOF分析等方法，对该区域异常干旱（降水）事件的时空异常分布和变化特征、天气气候背景以及可能成因机制等进行综合分析，并以此为基础来探讨对相关事件的可能影响因素，为提高相关事件的长期预报以及短期气候预测水平提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 研究资料
所用降水资料为中央气象台1960—2013年长治市11个站点（长治县、襄垣县、长子县、屯留县、壶关县、黎城县、平顺县、武乡县、沁县、沁源县、潞城市）的逐日和逐月降水资料，其中，因个别台站的建站时间晚于1960年，在进行资料整编时，这些站所缺年份的降水量通过附近台站的插值来补足，并经过非均一性检验和订正。 1.2 研究方法
1.2.1 干旱的划分标准。在计算单站干旱频数时，为便于对比，分别采用了我国气象干旱等级标准（GB/T 20481—2006）[6]规定的降水量距平百分率（Pa）和SPI，其干旱等级划分标准如表1～2所示。
1.2.2 小波分析。采用Morlet复小波分析技术[7]来分析降水量时间序列演变的多时空尺度特征。Morlet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，当小波系数实部值为正时，代表降水量多；为负时，表示降水量少。Morlet小波系数的模值表示能量密度，模值图可展示各种时间尺度的周期变化在时间域中的分布情况，模值越大，其所对应的时段和尺度的周期性就越明显。
1.2.3 Mann-Kendall突变检验法。Mann-Kendall方法是一种非参数统计的检验方法[8]，适用于类型变量和顺序变量，计算简便、且不受样本中个别异常值的干扰。
1.2.4 经验正交函数（EOF）分解。EOF又被称为“主分量分析”[9]。使用EOF主要是为了抓住气象要素场的主要特征，经分解后的气象要素的特征向量是由给定的气象要素场的序列本身具有的特征所规定的，而不含人为因素。
2 结果与分析
2.1 降水的时空变化特征
2.1.1 时间变化特征。
由图1可见，近54年来长治地区降水量总体呈下滑趋势，降水量变率较大，其中降水最多年2003年是最少年1965年的2倍多，降水异常偏少的年份有1965、1986、1997和2008年，54年中有32年降水量在平均线以下，而且在1977年以前降水总体相对充沛，罕见异常偏少的年份，超出平均线较多的年份几乎都在此时间段。
经统计，近54年来长治地区年降水量平均约为565 mm，一半以上的降水都集中在主汛期的5—8月份（图2）；四季的平均降水量分别约为88、336、124、17 mm，分别约为全年降水量的16%、59%、22%、3%；降水时间分布极不均匀，尤其冬季特别少。
2.1.2 空间分布特征。
由图3可知，近54年来降水量最少为襄垣县的43.2 mm，最多为沁源县的51.1 mm，全区平均降水量为46.4 mm。西部地区较全区平均偏多10%左右，而东北部则偏少约10%，表明长治地区降水具有东少西多的特征。
为了解长治降水变化的空间分布特征，使用EOF方法，对近54年长治地区降水的标准化场进行特征向量分离。从EOF第1模态特征向量分析结果（图4a1、b1）来看，长治全区均为正值，显示出长治降水变化趋势具有较高的全区分布一致性，这种分布特征以1971和2003年最为典型；极大值中心出现在市区、长治县、屯留县和长子县的交界处，而在地区的最东部和最西部的一致变化程度则相对较为缓和。长治降水EOF分析的第2模态（图4a2、b2）则反映出长治降水具有西多东少的地域分布类型，这类分布型在2006年最为典型，在1977和2007年也较为显著。EOF分析的第3模态（图4a3、b3）反映出长治降水还具有北多南少的地域分布特征，这种分布类型在1993年最为典型。分析这3种降水分布EOF模态的累积方差贡献发现，第1模态（即全区一致旱、涝型）占主要地位，所贡献的方差超过总方差的75%；而前3種典型分布型的累积方差贡献达总方差的80%以上，基本涵盖了长治地区降水的主要地域分布类型。
2.2 降水变化的趋势分析
Mann-Kendell分析表明（图5），自1963年开始，降水开始逐渐减少，趋势非常明显。在1969年出现了首次交汇，随后在1970—1972年出现2次交汇，表明自1972年起长治地区降水可能发生了趋于明显减少的突变。
2.3 降水变化的小波分析
由图6a可知，近54年长治地区年降水量在不同时间尺度上有周期振荡，振荡周期为2～4、4～14年；降水系列存在着时间周期尺度上的复杂嵌套结构，小尺度变化嵌套在较大尺度的变化下，即在一个大周期如14年总体是降水偏少，但这14年中可能会有4年的小周期是降水偏多。从图6b可以看出，模值最大的时间尺度是3～7年，说明该时间尺度周期变化最明显，9～16年时间尺度的周期变化次之，其他时间尺度的周期性变化较小。
2.4 干旱的分布和变化特征
根据选用干旱指标的不同，计算得出的长治地区干旱地域分布特点也不尽相同。首先采用SPI来对长治地区的干旱出现频数进行分析，结果发现，54年中11个县区干旱的发生频率均为30%，出现了全区一致性，这可能与分析的区域较小有关。改用Pa指标来分析，所得的结果与前者有明显的不同。由图7可知，总体上看，全区干旱的发生比较频繁；从地域分布情况看，东南部干旱频数小，西南部频数大，其他地区频数相当，这与人们的普遍感受相近。因此，从某种程度上说，较之SPI指标，使用Pa作为长治地区干旱的研究指标有更重要的科研和社会价值。
3 总结
通过上述分析表明，长治地区降水的分布特征是东少西多，区域内干旱频繁；降水距平百分率指标分析发现，全区各个地方的干旱发生率相差不是很大，频率多分布在24%～31%，其中长子县区是长治地区干旱发生最为频繁、也是近年来旱情趋于严重的地区。对比分析还表明，与标准化降水指数（SPI）指标相对比，如果使用降水距平百分率作为长治地区干旱的研究指标，得出的干旱发生频数分析结果更接近人们的普遍感受，同时也有更为重要的科研和社会价值。
从长治地区降水变化的分布类型来看，全区一致旱涝的分布型占主要地位，其所贡献的方差达总方差的70%以上；另外，长治地区降水还具有东西差异型、南北差异型以及沁源县西部和自西向东呈“+-+”的波状分布等其他3种典型分布型，上述这4种典型分布型的累积方差贡献超过了总方差的90%，基本涵盖了长治地区降水的主要地域分布类型。 长治地区降水存在着年代际变化（周期为准4～14年）和年际变化（周期为准2～4年）2个显著的振荡特征；这2个变化因素对长治降水具有同等重要的影响；1972—2013年长治地区降水有逐渐减少的趋势，且从1972年开始可能出现趋于明显减少的气候突变。
参考文献
[1] World Meteorological Organization.International meteorological vocabulary[M]. 2nd ed.Geneva：Secretariat of the World Meteorological Organization，1992.
[2] American Meteorological Society.Meteorological droughtpolicy statement [J].Bulletin of American Meteorological Society，1997，78：847-849.
[3] MCKEE T B，DOESKEN N J，KLEIST J.The relationship of drought frequency and duration to time scales[C].Massachusetts，Boston：American Meteorological Society，1993：179-184.
[4] 李茂松.晉东南地区干旱特点及其防御对策[J].中国农业气象，1991，12（1）：37-40.
[5] 张红英，魏建军，刘耀文，等.长治地区干旱成因分析及其预测[J].山西气象，2003，63（2）：12-15.
[6] 中国国家标准化管理委员会.气象干旱等级：GB/T 20481—2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.
[7] 李江南，王安宇，蒙伟光，等.广东省前汛期和后汛期降水的气候特征[J].中山大学学报（自然科学版），2002，41（3）：91-94.
[8] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，1999：126-127.
[9] PEARSON K.On lines and planes of closest fit to systems of points in space[J].Philos Mag，1902，6：559-572.
关键词 降水；干旱；变化特征；长治地区
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）27-0194-04
Abstract Based on the monthly precipitation data of 11 meteorological observatories in Changzhi area from 1960 to 2013， the temporal and spatial anomalies and the change characteristics of drought events in Changzhi area were analyzed by wavelet analysis， mutation analysis and principal component analysis etc..The results showed precipitation distribution characteristics of Changzhi area presented more in the west part and less in the east part， and drought was frequently happened in this region.The situation in Zhangzi County was most serious and the drought frequency was the highest. From the distribution of precipitation change in Changzhi area， it showed that about 70% of the region had the situation of both drought and flood were existed.Two obvious oscillation characteristics， which were decade variability （a cycle of 4-14 years） and yearly variability （from 2-4 years） existed in the rainfall in Changzhi area. There was a trend that rainfall decreased gradually during 1972-2013. Moreover， we could say that an obvious climate change in the aspect of rainfall decrease had occurred from 1972.
Key words Precipitation；Drought；Change characteristics；Changzhi area
氣候变化的显著特点是全球气温升高，干旱以及干旱带来的生态环境问题加剧。干旱通常是指较大范围内的因水分收支（供求）不平衡而引起的持续性的土壤水分缺乏现象，其核心内容是水分匮乏，并且有一定的时空尺度和规模程度[1-2]。干旱是长治地区最主要的灾害性天气，每年都会不同程度地发生，而且全区域性干旱的出现情况比较频繁，约占总年数的50%以上。另外，全区性的干旱还有连年发生的特点，由干旱所引起的异常高温、异常降水直接影响农业、工业、人民生活、生态环境、旅游业、电力等各个方面，因此，分析长治地区的干旱成因并能针对性地进行预报有着重要的现实意义。Mckee等[3]于1993年提出标准化降水指数（SPI），定义为一段时间内降雨量相对于降水概率分布函数的标准差，是近年来在气象业务中应用比较多的干旱指数；李茂松[4]采用统计分析方法较早地对长治干旱的分布特征和发生频率进行了研究，对于引起其干旱的原因认为有天气气候原因、地形地貌的影响、作物结构和布局、农业措施这4个方面；张红英等[5]统计分析长治11个观测站点1960—1995年3—8月逐月降水资料，将长治的春旱和夏旱分别设为5个级别，从中寻找春夏两季干旱发生的规律。总体而言，尽管学者们从各个角度对干旱灾害的研究很多，但专门针对长治地区干旱、降水变化特征及其成因机制方面的研究较少；相关研究也多采用传统的频数统计等方法；从天气气候背景的角度来分析长治干旱成因机制等方面的工作还很不系统。针对上述问题，笔者利用长治地区11个气象观测站1960—2013年逐日降水资料，运用小波分析、突变分析、EOF分析等方法，对该区域异常干旱（降水）事件的时空异常分布和变化特征、天气气候背景以及可能成因机制等进行综合分析，并以此为基础来探讨对相关事件的可能影响因素，为提高相关事件的长期预报以及短期气候预测水平提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 研究资料
所用降水资料为中央气象台1960—2013年长治市11个站点（长治县、襄垣县、长子县、屯留县、壶关县、黎城县、平顺县、武乡县、沁县、沁源县、潞城市）的逐日和逐月降水资料，其中，因个别台站的建站时间晚于1960年，在进行资料整编时，这些站所缺年份的降水量通过附近台站的插值来补足，并经过非均一性检验和订正。 1.2 研究方法
1.2.1 干旱的划分标准。在计算单站干旱频数时，为便于对比，分别采用了我国气象干旱等级标准（GB/T 20481—2006）[6]规定的降水量距平百分率（Pa）和SPI，其干旱等级划分标准如表1～2所示。
1.2.2 小波分析。采用Morlet复小波分析技术[7]来分析降水量时间序列演变的多时空尺度特征。Morlet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，当小波系数实部值为正时，代表降水量多；为负时，表示降水量少。Morlet小波系数的模值表示能量密度，模值图可展示各种时间尺度的周期变化在时间域中的分布情况，模值越大，其所对应的时段和尺度的周期性就越明显。
1.2.3 Mann-Kendall突变检验法。Mann-Kendall方法是一种非参数统计的检验方法[8]，适用于类型变量和顺序变量，计算简便、且不受样本中个别异常值的干扰。
1.2.4 经验正交函数（EOF）分解。EOF又被称为“主分量分析”[9]。使用EOF主要是为了抓住气象要素场的主要特征，经分解后的气象要素的特征向量是由给定的气象要素场的序列本身具有的特征所规定的，而不含人为因素。
2 结果与分析
2.1 降水的时空变化特征
2.1.1 时间变化特征。
由图1可见，近54年来长治地区降水量总体呈下滑趋势，降水量变率较大，其中降水最多年2003年是最少年1965年的2倍多，降水异常偏少的年份有1965、1986、1997和2008年，54年中有32年降水量在平均线以下，而且在1977年以前降水总体相对充沛，罕见异常偏少的年份，超出平均线较多的年份几乎都在此时间段。
经统计，近54年来长治地区年降水量平均约为565 mm，一半以上的降水都集中在主汛期的5—8月份（图2）；四季的平均降水量分别约为88、336、124、17 mm，分别约为全年降水量的16%、59%、22%、3%；降水时间分布极不均匀，尤其冬季特别少。
2.1.2 空间分布特征。
由图3可知，近54年来降水量最少为襄垣县的43.2 mm，最多为沁源县的51.1 mm，全区平均降水量为46.4 mm。西部地区较全区平均偏多10%左右，而东北部则偏少约10%，表明长治地区降水具有东少西多的特征。
为了解长治降水变化的空间分布特征，使用EOF方法，对近54年长治地区降水的标准化场进行特征向量分离。从EOF第1模态特征向量分析结果（图4a1、b1）来看，长治全区均为正值，显示出长治降水变化趋势具有较高的全区分布一致性，这种分布特征以1971和2003年最为典型；极大值中心出现在市区、长治县、屯留县和长子县的交界处，而在地区的最东部和最西部的一致变化程度则相对较为缓和。长治降水EOF分析的第2模态（图4a2、b2）则反映出长治降水具有西多东少的地域分布类型，这类分布型在2006年最为典型，在1977和2007年也较为显著。EOF分析的第3模态（图4a3、b3）反映出长治降水还具有北多南少的地域分布特征，这种分布类型在1993年最为典型。分析这3种降水分布EOF模态的累积方差贡献发现，第1模态（即全区一致旱、涝型）占主要地位，所贡献的方差超过总方差的75%；而前3種典型分布型的累积方差贡献达总方差的80%以上，基本涵盖了长治地区降水的主要地域分布类型。
2.2 降水变化的趋势分析
Mann-Kendell分析表明（图5），自1963年开始，降水开始逐渐减少，趋势非常明显。在1969年出现了首次交汇，随后在1970—1972年出现2次交汇，表明自1972年起长治地区降水可能发生了趋于明显减少的突变。
2.3 降水变化的小波分析
由图6a可知，近54年长治地区年降水量在不同时间尺度上有周期振荡，振荡周期为2～4、4～14年；降水系列存在着时间周期尺度上的复杂嵌套结构，小尺度变化嵌套在较大尺度的变化下，即在一个大周期如14年总体是降水偏少，但这14年中可能会有4年的小周期是降水偏多。从图6b可以看出，模值最大的时间尺度是3～7年，说明该时间尺度周期变化最明显，9～16年时间尺度的周期变化次之，其他时间尺度的周期性变化较小。
2.4 干旱的分布和变化特征
根据选用干旱指标的不同，计算得出的长治地区干旱地域分布特点也不尽相同。首先采用SPI来对长治地区的干旱出现频数进行分析，结果发现，54年中11个县区干旱的发生频率均为30%，出现了全区一致性，这可能与分析的区域较小有关。改用Pa指标来分析，所得的结果与前者有明显的不同。由图7可知，总体上看，全区干旱的发生比较频繁；从地域分布情况看，东南部干旱频数小，西南部频数大，其他地区频数相当，这与人们的普遍感受相近。因此，从某种程度上说，较之SPI指标，使用Pa作为长治地区干旱的研究指标有更重要的科研和社会价值。
3 总结
通过上述分析表明，长治地区降水的分布特征是东少西多，区域内干旱频繁；降水距平百分率指标分析发现，全区各个地方的干旱发生率相差不是很大，频率多分布在24%～31%，其中长子县区是长治地区干旱发生最为频繁、也是近年来旱情趋于严重的地区。对比分析还表明，与标准化降水指数（SPI）指标相对比，如果使用降水距平百分率作为长治地区干旱的研究指标，得出的干旱发生频数分析结果更接近人们的普遍感受，同时也有更为重要的科研和社会价值。
从长治地区降水变化的分布类型来看，全区一致旱涝的分布型占主要地位，其所贡献的方差达总方差的70%以上；另外，长治地区降水还具有东西差异型、南北差异型以及沁源县西部和自西向东呈“+-+”的波状分布等其他3种典型分布型，上述这4种典型分布型的累积方差贡献超过了总方差的90%，基本涵盖了长治地区降水的主要地域分布类型。 长治地区降水存在着年代际变化（周期为准4～14年）和年际变化（周期为准2～4年）2个显著的振荡特征；这2个变化因素对长治降水具有同等重要的影响；1972—2013年长治地区降水有逐渐减少的趋势，且从1972年开始可能出现趋于明显减少的气候突变。
参考文献
[1] World Meteorological Organization.International meteorological vocabulary[M]. 2nd ed.Geneva：Secretariat of the World Meteorological Organization，1992.
[2] American Meteorological Society.Meteorological droughtpolicy statement [J].Bulletin of American Meteorological Society，1997，78：847-849.
[3] MCKEE T B，DOESKEN N J，KLEIST J.The relationship of drought frequency and duration to time scales[C].Massachusetts，Boston：American Meteorological Society，1993：179-184.
[4] 李茂松.晉东南地区干旱特点及其防御对策[J].中国农业气象，1991，12（1）：37-40.
[5] 张红英，魏建军，刘耀文，等.长治地区干旱成因分析及其预测[J].山西气象，2003，63（2）：12-15.
[6] 中国国家标准化管理委员会.气象干旱等级：GB/T 20481—2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.
[7] 李江南，王安宇，蒙伟光，等.广东省前汛期和后汛期降水的气候特征[J].中山大学学报（自然科学版），2002，41（3）：91-94.
[8] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，1999：126-127.
[9] PEARSON K.On lines and planes of closest fit to systems of points in space[J].Philos Mag，1902，6：559-572.