引言

中国西北地区远离海洋，平均年降水量约在400 mm以下，水资源短缺，多属于干旱、半干旱区。整个区域地广人稀，地形复杂，降水分布极其不均匀，加之生态环境脆弱，所以该地区的气候变化一直颇受关注^[1-4]。但是由于该区域气象台站建站时间不统一，空间站点相对稀少，且观测资料不连续等原因，极大地限制了人们对于该地区气候变化的认识，所以有些早期关于西北地区的气候研究多用代用资料，如：年轮资料、冰川积累量等^[5-6]，这些研究成果对于人们认识当地气候起到了积极作用。21世纪初，施雅风等^[7-9]通过地表气温升高、降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加，内陆湖泊水位显著上升、洪水灾害增加、植被有所改善和沙尘暴日数锐减等一系列气候变化的事实，指出中国西北地区，尤其是新疆地区气候于1987年突然向暖、湿型转型，进而提出了西北气候自暖干向暖湿转型的假说，这一结论在当时引起了极大的关注。自提出假说到现在，又有20年之久了，西北地区的气候变得如何了呢？整个中国西北地区面积大约300多万km²，气候转型只发生在新疆地区，还是其他地区也有转型的现象?先前的研究多用水文资料，冰川融雪资料，加上少数几个站点的气象观测资料^[10-12]，很难全面、客观地反映这片区域的气候变化。自20世纪50年代始，气象部门整编了全国范围的气象站点资料，但由于1961年以前西北地区很多站点的降水资料存在缺测问题，最后选取了1961—2015年的资料^[13-14]。

以往针对中国西北地区的气候研究，尤其是降水变化的分析，多用年、月降水量数据的平均值、降水百分率等指标^[15-17]。近几年，随着观测资料的日趋丰富，在分析西部地区的降水特征时，有些专家也逐渐从降水频次与降水量级等方面入手，取得了许多有价值的成果^[18-19]。但这些研究成果多针对中国西北地区的某一区域，对整个西北地区的降水过程及极端事件的分析还相对较少。因为我国西北地区常年降水偏少，植被覆盖有区域特色，持续长的湿润过程或干燥过程可以改变某地区的干湿状况，或一次大雨以上的降水过程就可能带来水土流失，造成灾害，所以本研究在分析西北地区的降水特征时，首先将日降水量进行分级，再对极端降水事件强度与频次的变化进行研究，最后探讨降水异常产生的可能机理，旨在加强人们对于西北地区降水特征的认识，为当地政府合理利用水资源和避免降水灾害提供科学依据。

1 数据与方法 1.1 数据

采用由国家气象信息中心提供的中国西北地区的气象站点降水数据。为了确保统计资料的准确性，把每年夏天(6—8月)有5%数据缺失的站点去除，最后选取274个站点1961—2015年逐日降水资料进行分析。此外，采用了美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析数据中的月平均高度场、相对湿度场及风场资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。

1.2 方法

经验正交函数(EOF)分解^[20-22]最早由Pearson提出，20世纪50年代中期Lorenz将其引入大气科学领域。因为这种方法能在有限区域对不规则分布的站点进行分解，进而将变量场的信息集中在几个模态上，分离出的空间结构具有一定的物理意义。因此EOF已成为气候科学研究中分析变量场特征的主要工具。另外，累积距平也是一种常用的，由曲线直观判断变化趋势的方法^[23]。从曲线明显的上下起伏，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。因此，这两种方法被用来诊断西北地区的降水异常。

在进行降水长期变化的研究过程中，人们常常依据研究区域的特点，设计许多不同阈值的降水指数，比如将日降水量超过25.4 mm或50.8 mm定义为极端降水事件^[24]。不同阈值的降水指数，显然不适合在大范围区域的气候变化研究中应用，因此国际上逐渐将第90或95个百分位值的多年平均值定义为极端降水事件的阈值^[25-26]。本文采用的是第95个百分位值的30 a平均值(R_95p)，当某站某日降水量超过这一阈值时，则认为该日发生了极端降水事件。同时使用了持续干燥指数(CDD)、持续湿润指数(CWD)和强降水指数(HRD)等极端降水指数，并结合每日雨量的大小，将一般降水分为小雨(R_small)、中雨(R_mid)及大雨以上(R_large)量级，来分别表征该区域降水百分率、降水持续性和降水强度的特征。具体的夏季降水指数参见表 1。

2 中国西北地区降水分型及夏季降水指数的变化 2.1 中国西北地区的降水分型

国内外许多学者利用EOF方法分析了东亚，尤其是中国区域的降水分布特征，取得了很多有价值的成果^[27-29]。本研究也采用该方法，对1961—2015年中国西北地区274个站点的降水资料进行EOF分解，其中，前2个特征向量的累积方差贡献分别为30.5%与16.7%，均通过了North准则检验^[30]。

图 1给出了中国西北地区近55 a夏季降水EOF分解的前2个特征向量。由降水异常的第一个特征向量(图 1a)可以看出，中国西北地区的东部降水为负异常，异常中心位于宁夏、陕西与内蒙古的中部地区，而西北地区的西部降水为正异常，异常中心主要位于新疆与青海某地。这表征在东西方向上降水的分布具有西多(少)东少(多)的特点，类似于“跷跷板”现象。结合其时间系数(PC1)可以看到，在1961—1975年，西北地区的西部降水略偏多，1976—1996年，其东部降水偏多，1997年之后其西部降水偏多。年代际变化的转折点在1975/1976年与1996/1997年(图 1c)。第二个特征向量(图 1b)则显示，西北地区的西部降水异常振幅较小，大的降水异常区出现在西北地区的东部，且在东部的南北方向上出现一对“正、负”异常中心。同PC1一样，时间系数(PC2)在1979/1980年也呈现出明显的年代际转折信号(图 1d)。即1961—1979年，内蒙古中部降水偏多，1980—1993年，陕西与宁夏等地降水偏多。从两个模态的方差贡献来看，第一特征向量的方差贡献较第二特征向量的高近1倍，更能体现中国西北地区降水分布的特征，所以下面的分析以第一特征向量为主。

为了进一步确定中国西北地区降水变化的年代际转折点，采用累积距平方法进行分析(图 2)。由图可以看出，在1961—1975年，降水累积距平曲线呈下降态势，1976年转为上升，于1996年达到顶点后又迅速下降，曲线的变化趋势清晰地展示出该地区降水的年代际转折在1975/1976年与1996/1997年，这同EOF-PC1的分析结果一致。基于这两个转折点，可以将近55 a分为三个时间段：1961—1975年，1976—1996年与1997—2015年。下面分别对这三个时间段内降水的时、空变化进行分析。

2.2 平均降水异常型及降水指数的变化

图 3给出了中国西北地区夏季平均降水的异常型。图 3a为站点分布，1961—1975年(图 3b), 西北地区降水普遍偏少，84%的站点降水异常为负距平。1976—1996年(图 3c)，降水异常分布发生了变化，西北地区的东部降水明显增加，且有14%的站点降水正异常值超过20 mm，而西北地区的西部半数以上的站点仍是负异常，呈现出降水东多西少的分布特征。1997—2015年(图 3d)，西北地区的东部多为负异常，而其西部，尤其是新疆境内的多数站点转为正异常，说明这段时期，东部降水偏少，西部降水偏多。最后这两段时期降水的分布型恰好反映了EOF分解中第一模态的空间分布型。

为了分析平均降水异常分布的“跷跷板”现象中，哪种量级的降水指数贡献最大，计算了降水强度指数的频次异常与雨量异常(图 4)。由图可以看到，1961—1975年，除了R_small指数在西北地区东部的频次为正异常外，其余的降水强度指数，无论是频次还是雨量均为负异常，所以该时段中国西北地区降水偏少。1976—1996年，西北地区东部的R_small、R_mid、R_large指数的频次与强度异常均为正值，尤以R_mid指数雨量的增加最为明显。相反，在西北地区西部，降水强度指数接近常年，因此该时期西北地区东部降水偏多，而西北地区西部降水偏少。1997年之后，出现了与前一时期相反的情况，即西北地区的东部，降水强度指数的频次与强度转为负异常或接近常年，其中以R_small指数的频次与R_mid指数的雨量减少最明显，使得该地区降水偏少。而西北地区的西部，虽然降水强度指数在频次上无明显变化，但是降水强度却较常年有所增加，尤其是R_mid与R_large两指数雨量的增加明显，导致该地降水偏多。

不同强度降水指数的雨量与频次对一个地区的降水分布能产生影响，那么极端降水指数造成的影响又有多大呢？由于极端降水比一般降水在强度上要强，而且容易造成灾害，所以对于极端降水事件的研究正逐年增多^[31-35]。中国西北地区处于干旱半干旱区，生态环境脆弱，极端降水事件与强降水事件更应该引起关注。因此本文利用R_95p指数与HRD指数来表征上述两类事件。

图 5给出了中国西北地区R_95p指数与HRD指数在三个时段的空间分布。由图可以看出，两个指数的空间分布极其相似。第一时段，两个指数负异常的站数居多，这与该时期西北地区降水偏少相对应。第二时段，R_95p指数与HRD指数的正异常区多位于西北地区东部，而西北地区西部多数站的异常值为0或负值，这恰好对应该时期降水东部偏多西部偏少。在最后时段，西北地区东部的站点R_95p指数与HRD指数多为负值，而西北地区的西部，尤其是新疆境内，两指数的站点值多为0或正值，所以该时段其东部降水偏少，西部降水偏多。可见，后两个时段的极端降水事件、强降水事件的空间分布与平均降水异常型分布相似，其相似度分别为0.80与0.71。

为了更好地揭示极端降水事件的特征，图 6给出了持续湿润指数(CWD)与持续干燥指数(CDD)在三个时段的空间分布。由图 6a、c、e可见，CWD指数的空间分布型与其对应时段的平均降水异常型(图 3b、c、d)相似, 两者在三个时段的空间相似度均在0.54以上。1961—1975年，CWD指数在整个西北地区多为负距平，1976—1996年，CWD指数的正异常区出现在西北地区东部，而在1997—2015年，其指数的正异常区又转移到西北地区西部。而CDD指数表征的是某地区持续干燥的程度，其空间分布(图 6b、d、f)恰好与CWD指数的分布相反，其三个时段的空间分布分别与对应时段平均降水的空间型相关为-0.36、-0.55、-0.48。

R_95p、HRD、CWD和CDD等四类指数分别表征了中国西北地区极端降水事件的降水百分率、降水强度与降水持续性等特征。那么，在1976—2015年间，该区域的强降水区随时间东西转移的现象中，这四类指数各起了多大作用呢？为此，计算了四类指数对降水区转移的相对贡献率(图 7)。由图可知，1976—1996年，中国西北地区东部降水偏多，贡献率最大的是CDD指数，贡献值为-65%，其次是持续湿润指数CWD，它的贡献率为16%，而西北地区西部，CDD指数的贡献率为42%，虽然R_95p与CWD指数也略有正贡献，但还是形成了西部降水偏少的态势。1997—2015年，西北地区东部的CDD指数贡献率由前期的负值转为正值，达89%，这为该区域降水偏少起了决定性作用，而西北地区的西部，CDD指数的贡献率却由正转负，为-72%，再加上其他三类指数正的贡献，从而使得该区域降水偏多。可见CDD指数在中国西北地区的极端降水事件中扮演着重要角色。

以上分析主要针对降水与极端降水指数的空间分布，下面着重分析西北地区降水的年际、年代际变化。由图 8可以看出，总体上，平均降水与R_95p、CWD指数的变化趋势一致，但与CDD指数呈相反关系。在西北地区的东部(图 8a)平均降水与R_95p、CWD、CDD等指数的相关系数分别为0.94、0.68、-0.76，而与西北地区西部(图 8b)指数的相关分别为0.76、0.54、-0.65。可见R_95P指数在整个西北地区与平均降水的相关最好。1976—1996年，西北地区的东部，R_95p、CWD与平均降水均呈上升趋势，CDD指数呈下降趋势；1997—2015年，R_95p、CWD与平均降水呈下降趋势，CDD指数转为上升趋势，这与该地区在前期降水偏多后期降水偏少相对应。而在西北地区的西部，1961—1975年，R_95p、CWD与平均降水呈缓慢上升趋势，CDD指数呈缓慢下降趋势；1976—1986年，反之；1987—1996年，平均降水的振幅猛增，同时R_95p与CWD指数也呈上升趋势，CDD指数反而明显下降；1997—2012年，虽然平均降水与三类极端指数的趋势没有明显改变，但是各自的振幅却均有所减少，这些变化与该地区在近20 a降水偏多相对应。值得注意的是，无论是西北地区西部还是东部，2013年之后，R_95p、CWD、CDD均有猛增的态势，但平均降水的振幅却无明显变化，这说明中国西北地区在近几年极端灾害事件有增加的趋势。

3 降水“跷跷板”现象形成的大气环流成因分析

北半球对流层中层500 hPa大尺度环流，往往是天气事件发生的背景。中国西北地区位于中纬度西风带中，其上叠加着行星尺度的槽脊。当环流形势发生异常时，往往造成中纬度天气的变化^[36-37]。为了分析西北地区降水异常分布的“跷跷板”现象，本文将两个转折点前后夏季500 hPa高度场进行合成分析(图 9)。从1961—1975年西北地区降水偏少到1976—1996年西北地区东部降水偏多西部偏少，对应的500 hPa高度场中纬度为“-，+，-”的波列(图 9a)，即在东欧平原的南半部位势高度下降，西西伯利亚平原位势高度上升，鄂霍次克海附近位势高度下降，此高度场的变化有利于槽、脊、槽的建立。此时，中国大陆处于一个相对高值的位势场控制。1997—2015年，中国西北地区的降水分布发生变化，其东部降水偏少，西部降水偏多，对应500 hPa中高纬度的环流形势为“+，-，+”的波列(图 9b)，其与上一个转折点的形势恰好相反，即西西伯利亚平原的位势高度下降30 gpm，而两侧东欧平原与鄂霍次克海的位势高度却升高30 gpm以上，形成两高夹一槽的形势。西西伯利亚的高度槽呈西北—东南向，伸到贝加尔湖附近，势力强盛稳定，槽底不断有冷空气下滑进入中国。此时，中国大陆40°N以南位势高度差为负值，中国西北地区处于这个低值带与从东欧平原伸过来的高值区之间，易于冷暖空气交汇，对降水有利。

一个地区降水的多寡很大程度上取决于水汽输送的状况^[38-39]。图 10分析了整个时段1961—2015年对流层整层水汽积分及三个时段1961—1975年、1976—1996年及1997—2015年水汽垂直积分异常。由图 10a可以看出，中国西北地区的水汽来源主要有两个：一是来自印度洋。强盛的印度季风绕过青藏高原，从东、西两侧将水汽输送至西北地区；二是来自东欧的偏西气流。1961—1975年(图 10b), 中国西北地区处于水汽辐散区，来自东欧的水汽很弱，同时印度季风路径偏东，西北地区水汽缺乏，导致降水偏少。1976—1996年，西北地区的东部有明显的水汽辐合，而其西部有水汽辐散，这是降水东多西少的原因。1997—2015年，来自东亚的水汽输送在西北地区东部形成一个反环流异常，致使该地水汽辐散，但是其西部却有偏西风与偏南风的水汽辐合，所以这个时期降水西多东少。可见，水汽异常的空间分布可以解释西北地区降水异常区随时间的转移现象。

4 结论

中国西北地区属于干旱半干旱区，生态环境脆弱，降水严重影响着该区域的干湿状况。本文利用274个站点1961—2015年的日降水数据，重点分析了西北地区降水分布中东西向的“跷跷板”现象，并利用EOF分解与累积距平等方法，确定了该地区降水的空间分布型及气候转折点。主要结论如下：

1) 降水异常区存在转移现象。1961—1975年，西北地区降水偏少；1976—1996年，西北地区的东部降水偏多，西部降水偏少；1997年之后，反之，即西北地区东部降水偏少，西部降水偏多。这种现象不仅在平均降水中有表现，而且在表征极端降水事件的指数中也有表现。

2) 第一时段，西北地区降水偏少，是因为降水指数强度和频次均减少造成的；第二时段，西北地区的东部降水偏多，与小雨、中雨的频次增多，中雨、大雨的雨量增加有关；而西北地区的西部降水偏少，则是因为该区域降水的强度偏弱；第三时段，随着降水强度与频次大幅减少，西北地区的东部降水偏少，而西北地区西部却因降水频次显著增加，中雨与大雨的雨量明显增加，导致了该区域降水偏多。

3) 极端降水的频次和持续降水日数的空间分布与平均降水的类似，但与持续干燥日数的相反。在降水异常区转移的过程中，持续干燥日数所起的作用最大，往往该指数的增加或减少决定了一个地区降水的多寡。

4) 大尺度环流为天气事件发生提供了背景场。1976—1996年，500 hPa中纬度为“-，+，-”的波列；1997—2015年，反之。不同的高空形势，伴随着不同的水汽输送。降水偏多时，多对应水汽辐合，降水偏少时，则对应水汽辐散。水汽异常分布可以很好地解释降水异常区的转移。