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地理科学进展 >

2025 , Vol. 44 >Issue 1: 170 - 184

DOI: https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2025.01.013

研究论文

面向昼夜过程的黄土高原夏季降水时空变化特征

  • 李双双 ,
  • 胡佳岚 ,
  • 段生勇
展开
  • 陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安 710119

李双双(1988— )，男，陕西潼关人，副教授，硕士生导师，研究方向为气候变化与区域灾害防治。E-mail:

收稿日期: 2024-04-16

  修回日期: 2024-07-09

  网络出版日期: 2025-01-15

基金资助

国家自然科学基金项目(U2243231)

国家自然科学基金项目(41701592)

收起

Spatiotemporal variation of the summer diurnal composite precipitation on the Loess Plateau

  • LI Shuangshuang ,
  • HU Jialan ,
  • DUAN Shengyong
Expand
  • School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi'an 710119, China

Received date: 2024-04-16

  Revised date: 2024-07-09

  Online published: 2025-01-15

Supported by

National Natural Science Foundation of China(U2243231)

National Natural Science Foundation of China(41701592)

Fold

摘要

全球变暖背景下，北半球夏季陆地昼夜复合高温频发，天尺度连续性降水减少，短历时、强降水致灾强度增加，昼夜降水组合关系正在改变。与年代、季节尺度相比，黄土高原夏季昼夜尺度降水时空变化规律尚不明晰。论文基于1970—2020年逐日降水数据，辅以经验正交分解、趋势分析等气候诊断方法，对黄土高原夏季(6—8月)4种昼夜降水类型(昼晴夜雨、昼伏夜雨、昼夜连雨和昼雨夜晴)降水量、天数和强度时空变化特征进行分析。结果表明：① 2000—2020年，黄土高原夏季和夜雨雨量显著增加，并未改变夏季和夜雨“东南多、西北少”的空间分布格局；② 受降水量波动与降水日数下降的影响，黄土高原昼晴夜雨、昼夜连雨、昼雨夜晴的降雨强度呈现显著增加趋势，而昼伏夜雨降雨强度在20世纪90年代后维持稳定；③ 宁夏中部干旱带、河套平原东部、山西北部、汾渭平原—伊洛河平原，是昼晴夜雨变化的敏感区；昼伏夜雨变化敏感区为：土石山区、黄土高原西南高海拔地区。黄土高原东南部河谷平原区，是昼夜连雨、昼雨夜晴变化的敏感区。研究结果启示：夏季白天和昼夜连雨降水强度增加，正在改变黄土高原昼夜极端降水态势，未来需要加强夏季昼夜极端降水变化机理研究，为构建区域综合风险防范体系提供理论基础。

关键词： 气候变化; 昼夜降水; 时空格局; 黄土高原

本文引用格式

李双双 , 胡佳岚 , 段生勇 . 面向昼夜过程的黄土高原夏季降水时空变化特征[J]. 地理科学进展, 2025 , 44(1) : 170 -184 . DOI: 10.18306/dlkxjz.2025.01.013

Abstract

In the context of global warming, there is a higher probability of occurrence of the summertime compound hot extremes when daytime and nighttime heat sustains, which lead to the reduction of continuous precipitation and increase of precipitation with short duration and high intensity, resulting in changes of diurnal precipitation pattern at summertime in the Northern Hemisphere land area. Compared with the well-understood summer precipitation on the annual scale, current knowledge about combined daytime and nighttime precipitation remains too scarce for the Loess Plateau of China. Based on the daily precipitation and maximum temperature dataset from 1970 to 2020 released by the National Meteorological Information Center and using the empirical orthogonal function (EOF) and Mann-Kendall trend analysis method, we investigated the spatiotemporal variations of rainfall amount, days, and intensity for four types of diurnal precipitation process on the Loess Plateau in summertime (from June to August), including sunny days and rainy nighttime, hot daytime and rainy nighttime, rainfall days for diurnal composite precipitation, as well as rainy daytime and rainless nighttime. The results are as follows: 1) From 2000 to 2020, the Loess Plateau witnessed a significant increase of precipitation amount in summertime and nighttime, which had not changed the spatial pattern characterized by a decreasing gradient of precipitation from southeast to northwest. 2) Consistent with the fluctuating precipitation amount and decreased precipitation days, there was a significant increasing trend for the precipitation intensity in sunny days and rainy nighttime, rainfall days for diurnal composite precipitation, rainy daytime and rainless nighttime from 2000 to 2020, while for hot daytime and rainy nighttime the precipitation intensity maintained stable fluctuations after the 1990s. 3) Areas in the central arid zone of Ningxia, eastern part of the Hetao Plain, northern Shanxi Province, and from the Fen-Wei Plain to the Yiluo River Plain were sensitive to the variations of sunny days and rainy nighttime. However, the Earth-Rock Mountain and high-altitude regions of the southwestern Loess Plateau are sensitive to hot daytime and rainy nighttime changes. Meanwhile, we observed a high sensitivity for the variations of rainfall days for diurnal composite precipitation, as well as rainy daytime and rainless nighttime in the valley and plain areas of the southeastern part of the Loess Plateau. The findings highlight that the increased intensity of daytime precipitation and diurnal composite precipitation is changing the patterns of diurnal extreme precipitation on the Loess Plateau, inspiring to enhance the research regarding the variations and mechanism of diurnal extreme precipitation in summertime.

Key words： climate change; summer diurnal precipitation; spatial and temporal patterns; Loess Plateau

黄土高原位于季风与非季风区、半湿润与半干旱区，森林与草地、农业与牧业的过渡带[1]，是中国“两屏三带”生态安全格局的组成部分[2]，是绿水由西南向东北输送的关键枢纽[3]，也是“退耕还林还草”“治沟造地”“小流域综合治理”等生态工程实施的核心区[4]。2021年中共中央、国务院印发《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，标志着黄土高原生态建设正式进入生态治理成效巩固、经济社会发展转型的关键期[5]。黄土高原6—9月雨季降水占全年降水70%，高强度降水是雨季降水主要形式[6]。同时，气候变暖增加了黄土高原干旱、洪涝灾害以及生态安全风险[7⇓⇓-10]。因此，关注气候变化与极端降水响应关系，是黄土高原植被恢复可持续发展、巩固生态治理成效研究的热点问题。
在降水格局变化中，中国西北地区暖湿化趋势逐渐增强，“西湿东干”的空间差异愈加明显[11]。在太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和北大西洋多年代际振荡(Atlantic Multi-decadal Oscillation, AMO)协同影响下，20世纪60年代以来，东亚夏季风经历“强—弱—强”的年代际变化，对应中国东部夏季降水呈现出“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变[12]。2000年后，中国东部夏季雨带北移至江淮地区，黄土高原东南部降水呈现增加趋势[13⇓-15]。同时，大规模生态工程通过气候—植被互馈机制，正在改变水热、能量输送和交换过程，增加了区域蒸散发(17.18%)和潜热通量(4.11 W/m2)，使得大气水汽含量增加3.25%，对流有效位能增加15.94%，垂直运动增强18.93%，有利于局地降水形成[16]。受气候变化、耦合强迫和内部变率的影响，黄土高原降水变化机制呈现复杂化，也预示着未来夏季极端降水变化存在不确定性。
在研究思路上，极端降水时空变化和影响机制研究呈现两个新趋势：① 极端降水研究由天尺度(daily-scale)向小时尺度(hourly-scale)转变，短历时、强降水致灾过程备受学界关注。通过观测和气候模拟研究发现，全球变暖背景下，次天尺度极端降水(sub-daily precipitation extremes)强度增加远高于天尺度极端降水变化[17⇓⇓⇓-21]。中国华南和东部地区1970—2018年短历时极端降水频率和强度显著增加[22]。小时尺度极端降水研究，为理解全球变暖与区域灾害防治提供了新视角。② 关注昼夜降水组合关系。全球变暖背景下，北半球陆地夏季昼夜复合高温频发[23]，连续性降水减少，单日型降水增多，昼夜降水配置关系正在发生变化[24]。更短、更强热浪之后，7 d内暴雨发生概率明显增加[25]。因此，关注复合气候事件，细化夏季昼夜降水组合类型，对认识气候变暖与夏季降水响应关系具有重要的实践意义。
黄土高原作为气候变化敏感区，将研究视角由年代、年际或天尺度转为昼夜尺度，再认识夏季降水与全球变暖的响应规律，迫切需要回答以下问题：伴随着中国西北暖湿化和东部季风区雨带北移，黄土高原夏季昼夜降水空间格局如何变化?黄土高原不同昼夜降水类型降水量、天数和强度是否增加?黄土高原夏季昼夜降水变化对增温的响应是否存在不同?针对上述问题，本文利用277个气象台站逐日气象数据，辅以正交经验分解和趋势分析等方法，对黄土高原夏季(6—8月)昼夜降水时空变化特征进行分析，识别昼晴夜雨、昼伏夜雨、昼夜连雨和昼雨夜晴等4种类型变化敏感区，探讨AMO、PDO异常与昼夜降水年代际转折的相关关系，以期为理解黄土高原夏季气候变化规律、科学制定区域适应措施提供理论基础和方法借鉴。

1 研究区域、数据与方法

1.1 研究区概况

黄土高原地处黄河上中游，介于100°~114°E和33°~41°N之间，包括太行山以西、青海省日月山以东、秦岭以北、阴山以南的广大地区。黄土高原位于中国地势第二阶梯之上，是中国水土流失最严重的地区[1]。近年来，大规模生态工程建设下，黄土高原大量坡耕地转为林地、草地。为了对比黄土高原昼夜降水变化的空间差异性，依据《黄土高原地区综合治理规划大纲(2010—2030年)》[26]，并考虑典型地理单元的完整性，将研究区划分7个子区，即河套平原、毛乌素沙地、宁夏平原、土石山区、汾渭平原、黄土高塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区(图1)。
图1 黄土高原气象站点与土地利用分布

Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and land use types on the Loess Plateau

1.2 数据来源

黄土高原277个气象站点逐日降水量、最高温数据来源于中国国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)。该数据集中，当日8:00~20:00降水可表征白天降水，当日20:00至次日8:00降水可表征夜间降水。2020年黄土高原土地利用数据来源于全球30 m空间分辨率地表覆盖数据集(www.globallandcover.com)。数字高程数据来源于地理空间数据云(http://gscloud.cn/)。
在环流指数方面，大西洋多年代际振荡指数(AMO)为0°~70°N、80°W~0°区域内海表温度距平的区域平均值，该数据来源于国家气候中心研制的百项气候系统指数集(http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php)；北太平洋年代际振荡指数(PDO)为20°N以北太平洋地区海表温度距平经验正交分解(empirical orthogonal function，EOF)第一模态的时间系数，该数据来源于日本气象厅(https://ds.data.jma.go.jp/tcc/tcc/products/elnino/decadal/pdo_month.html)。

1.3 研究方法

1.3.1 昼夜降水的类型

以当日20:00至次日8:00划分昼夜，利用白天、夜晚降水数据，将夏季昼夜降水类型划分为：昼雨夜晴、昼晴夜雨、昼夜连雨等3种类型。同时，全球变暖背景下，夏季极端高温日益频发，降雨日数下降，白天高温炎热，夜晚降雨的天气事件是否增加亟需验证。本文以最高温数据为基础，以90%阈值为判断条件，识别高温天气，将昼晴夜雨天气划分出昼伏夜雨的特殊类型。
在昼夜降水变化分析中，首先，对黄土高原4种降雨类型降雨量、天数、强度时空变化特征进行研究，识别影响降雨强度的关键因子，判断黄土高原降雨强度增加，是降雨量增加主导，还是降雨天数减少主导。其次，利用EOF对影响降水强度的关键因子时空信息进行分解，识别变化关键区域，回答“昼晴夜雨、昼雨夜晴、昼夜连雨、昼伏夜雨变化对气候变化响应区域是否存在不同”等问题。最后，识别关键因子时间变化特征，为分析黄土高原昼夜降水变化的影响因素提供理论基础(图2)。
图2 面向昼夜过程的夏季降水时空变化与影响因素研究框架

Fig.2 A framework of research for the spatiotemporal variation of summer rainfall based on diurnal composite precipitation process and its influencing factors

1.3.2 经验正交分解法

经验正交分解(EOF)已被广泛应用于气候变量场时空结构分离[27]。该方法可获得特征向量的空间模态，反映气象要素的空间分布规律；对应的时间系数，反映主导模态随时间变化的特征。其中，时间系数绝对值越大，表明该年份降水异常空间分布结构越典型。本文利用EOF方法对黄土高原4种昼夜降水类型降水日数时空格局进行识别。利用North等[28]提出的特征值误差范围检验EOF分解模态显著性。

1.3.3 趋势分析法

采用Mann-Kendall检验方法[27]，对黄土高原4种昼夜降水类型降水量、天数、强度变化趋势显著性进行检验。
对于时间序列x，首先构建统计量S，计算公式如下：
S = ∑ i = 1 n - 1 ∑ j = i + 1 n s g n ( x j - x i )
s g n ( x j - x i ) = 1                   ( x j - x i > 0 ) 0                   ( x j - x i = 0 ) - 1             ( x j - x i < 0 )
构造标准化的检验统计量Z：
Z = S - 1 V a r ( S )             ( S > 0 )             0                                     ( S = 0 ) S + 1 V a r ( S )             ( S < 0 )
式中：Var(S)为S的方差。对于显著水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则表示4种昼夜降水量、天数和强度时间序列变化趋势显著。本文显著水平α取0.05，对应Z1-α/2为±1.96。同时，Z值越大表示变化趋势越强。

2 结果分析

2.1 黄土高原降水变化背景

2000年后，黄土高原全年、夏季、夏季夜雨雨量呈现显著增加趋势(图3)。在变化趋势上，2000—2020年，夏季夜雨雨量增加速率为33.8 mm/10 a，高于夏季(25.9 mm/10 a)和全年(14.4 mm/10 a)降水的增加速率，三者均通过0.05显著水平检验。值得关注的是，夏季夜雨量快速增加，并未改变夏季昼夜降水的占比，即夏季夜雨占比并未呈现出显著增加趋势，多年维持在0.45~0.55波动。
图3 1970—2020年黄土高原全年、夏季、夏季夜雨降水量与夏季夜雨雨量占比变化特征

Fig.3 Change of annual, summer, summer nighttime precipitation and the proportion of summer nighttime precipitation on the Loess Plateau during 1970-2020

受气候变暖的影响，夏季风雨带持续北移，黄土高原降水增加，并未改变全年、夏季和夏季夜雨“东南多、西北少”的分布格局(图4)。以30年为平均气候态，对比1971—2000年和1991—2020年黄土高原全年、夏季以及夏季夜雨空间格局变化。结果表明：与1970—2000年相比，1991—2020年，黄土高原全年降水≥500 mm区域占比由40.7%增加为42.6%，空间增加区域主要分布于延安北部、吕梁山区；400 mm等降水量线明显向西北推移，以毛乌素沙地边缘变化最为明显。
图4 1971—2000年和1991—2020年黄土高原全年、夏季和夏季夜雨雨量空间格局

注：图例年降水量、夏季降水量、夏季夜雨量中数字1~7分别对应各左上角小图中的降水量分区。

Fig.4 Spatial distribution of annual, summer, and summer nighttime precipitation on the Loess Plateau during 1971-2000 and 1991-2020

与全年降水变化不同，1991—2020年，黄土高原夏季降水量呈现出增加区与减少区并存的空间分布特征。其中，汾渭谷地为夏季降水减少区，多数区域降水下降至240 mm以下；太行山区部分区域降水量由320~360 mm降至280~320 mm；在陕北农牧交错带，240 mm等降雨量线明显向西北移动，为夏季降水量增加区；甘肃陇东、宁夏平原、鄂尔多斯高原、河套地区夏季降水格局维持稳定。
对于夏季夜雨而言，除黄土高原西北部<70 mm区域扩大外，夜雨高值区相对稳定，空间集中分布于110 mm等降水量以东地区；关中平原、太原盆地、大同盆地以及农牧交错带夏季夜雨雨量基本维持在110~130 mm之间。

2.2 黄土高原昼夜降水时空变化特征

1970—2020年，黄土高原4种昼夜降水类型共同表现出：以1998年为转折点，降雨量呈现先波动下降后增加的变化过程，但是降水日数变化存在明显的差异。其中，昼晴夜雨天数在1997年之前维持波动下降，1997年之后波动上升；昼伏夜雨天数在20世纪70—80年代先减少后增加，90年代后维持快速增加趋势；昼夜连雨与昼雨夜晴天数近期呈现显著下降趋势。受降水量波动变化与降水日数趋势下降的影响，昼晴夜雨、昼夜连雨、昼雨夜晴的降雨强度呈现增加趋势，而昼伏夜雨降雨强度在20世纪90年代后基本维持低位波动(图5)。
图5 1970—2020年黄土高原夏季4种昼夜降水类型降雨量、天数和强度变化趋势特征

Fig.5 Variation of summer rainfall amount, days, and intensity for four types of diurnal composite precipitation process on the Loess Plateau during 1970-2020

2000—2020年黄土高原夜雨雨量增加，在4种昼夜降水类型雨量变化均有体现。昼伏夜雨、昼夜连雨在2000—2012年雨量增幅相对平缓，而昼晴夜雨和昼雨夜晴雨量增幅更为明显。黄土高原降水极端化表现在两个方面：昼夜连雨、昼雨夜晴天数在2000年前后断崖式下降，导致降水强度增加。昼晴夜雨雨量增加，降水日数维持低位波动，导致夜间降水强度增加。昼伏夜雨天数增加，表征黄土高原夏季高温天气与夜间降水复合概率增加；昼伏夜雨降水强度异常(±40 mm)高于其他3种昼夜降水类型。说明黄土高原白天炎热，夜晚降雨既有缓解高温、补充生态缺水的作用，也具有白天高温与夜间暴雨的复合致灾作用。
在站点尺度上，1970—2020年，黄土高原4种昼夜降水类型少有站点降雨量变化趋势通过0.05显著性水平检验。降水日数变化趋势上，昼晴夜雨、昼夜连雨、昼雨夜晴天数分别有23.5%、87.4%和71.8%的站点呈现显著下降趋势，有19.5%站点昼伏夜雨天数呈现显著增加趋势。受夏季降雨天数显著下降影响，昼夜连雨和昼雨夜晴降雨强度分别有74.7%和24.2%站点呈现显著增加趋势。可见，全球变暖背景下，黄土高原昼夜降水最明显的特征是，多数区域持续性降雨量维持波动变化，降雨天数显著下降，强度显著增加。昼晴夜雨(昼伏夜雨)天数下降(增加)空间分布具有局部性，且对降雨强度变化影响不大(图6)。
图6 1970—2020年黄土高原夏季4种昼夜降水类型降雨量、天数和强度变化趋势站点占比分布特征

注：虚线上下的各百分数分别表示趋势显著增加/下降站点占比。

Fig.6 Proportion of stations that showed the same trend of summer rainfall amount, days, and intensity for four types of diurnal composite precipitation process on the Loess Plateau during 1970-2020

2.3 黄土高原昼夜降水日数时空变化

降水日数，是影响黄土高原昼夜降水强度的关键因素；不同区域昼夜降水类型天数变化存在空间差异。本文利用EOF对黄土高原2000—2022年4种昼夜降水日数距平场进行时空结构分离。EOF第一个载荷向量通过North显著性检验，可表征黄土高原昼夜降水日数时空异常的主要信息。
4种昼夜降水日数主导模态时间系数与区域站点平均降水日数相关关系为：昼伏夜雨(0.944)<昼晴夜雨(0.980)<昼雨夜晴(0.997)<昼夜连雨(0.999)，相关性通过0.01显著性水平检验，说明主导模态时间变化，再现了黄土高原4种类型昼夜降水日数的年代际和趋势变化特征。
在站点尺度，对特征向量与降雨天数Mann—Kendall趋势值进行回归分析发现，当特征向量值越大时，昼晴夜雨、昼夜连雨、昼雨夜晴天数下降趋势越显著，昼伏夜雨天数上升趋势越显著。由此识别出4种昼夜降水类型变化的敏感区。其中，昼晴夜雨天数显著下降区域主要分布在宁夏中部干旱带、河套平原东部—山西北部、汾渭平原—伊洛河平原(图7a)；昼伏夜雨天数显著增加区域主要分布在六盘山以西的高海拔地区、吕梁山—太行山等土石山区(图7c)；昼夜连雨天数显著下降区域主要分布于无定河以南，“靖边—定边—环县—同心—白银”以东、伊洛河平原(图8a)；昼雨夜晴天数显著下降区域分布于晋陕峡谷南部、宁夏南部山区、河套平原等地区(图8c)。
图7 1970—2020年黄土高原夏季昼晴夜雨、昼伏夜雨降水日数空间主导模态和时间系数变化特征

注：图a、c中13.9%和16.5%分别表示主导空间模态方差贡献率。图8同。

Fig.7 Change of first leading spatial mode and time series of summer rainfall days for sunny days and rainy nighttime or hot daytime and rainy nighttime on the Loess Plateau during 1970-2020 based on EOF analysis

图8 1970—2020年黄土高原夏季昼夜连雨、昼雨夜晴降水日数空间主导模态和时间系数变化特征

Fig.8 Change of first leading spatial mode and time series of summer rainfall days for diurnal composite precipitation and rainy daytime and rainless nighttime on the Loess Plateau during 1970-2020 based on EOF analysis

相关研究表明，无论是天尺度，还是小时尺度，中国极端降水强度均在1999年前后显著增强。1970—2018年，中国东部短历时极端降水更为频发，极端降水强度显著增加信号在2010年更为明显[22]。上述结论与黄土高原地区夏季4种昼夜降水日数变化规律一致，通过降水日数分析可补充已有研究结论，即1998—2020年，黄土高原昼晴夜雨、昼夜连雨天数显著下降；2010年后，昼雨夜晴天数显著下降。在降雨量维持稳定的情况下，降水日数下降，是黄土高原昼夜降水强度增加的主要原因。

3 讨论

3.1 黄土高原昼夜降水年代转折的原因

许多研究表明：中国东部降水格局变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关，且大西洋年代际振荡(AMO)对降水格局变化具有调控作用[29⇓-31]。当PDO处于暖位相时，华北地区对应高温、少雨和干旱，长江中下游地区降水偏多，中国东部地区形成“南涝北旱”的降水格局；此时，AMO若处于冷相位，将加强南涝北旱降水格局；AMO若处于暖相位，则起到削弱作用。PDO和AMO协同作用影响中国东部降水的年代尺度变化(图9)。
图9 PDO和AMO协同作用影响中国东部降水格局的环流机制

注：本图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1665号的标准地图制作，底图无修改。

Fig.9 Synergistic effect of PDO and AMO on modulating the decadal variation of summer rainfall over eastern China

图10为1970—2020年夏季AMO和PDO指数变化。PDO-/AMO-时段为1970—1978年，PDO+/AMO-时段为1979—1997年，PDO-/AMO+时段为1998—2020年。从图中可以看出，1998年，AMO由冷相位转为暖相位，而PDO由暖相位转为冷相位。通过PDO和AMO协同作用，使得中国东部夏季风经历了“强—弱—强”的年代际变化，相应夏季降水出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。
图10 1970—2020年AMO和PDO指数变化特征

Fig.10 Variation of AMO and PDO index during 1970-2020

在PDO-/AMO-同相变化，PDO处于冷相位，中国东部降水格局呈现“南旱北涝”，但是北方降水偏多程度明显偏弱。具体机制如下：PDO处于冷相位，导致西太平洋至东亚地区对流层低层呈现“反气旋—反气旋”环流异常，水汽在江淮地区辐合，导致江淮地区降水偏多[29]；同时，北大西洋海温异常偏冷，AMO通过激发环球尺度的斜压遥相关型(AMO-Northern Hemisphere teleconnection，ANH)，在长江以北低层大气形成反气旋异常，对北方湿润程度具有削弱作用[32]。
对于黄土高原地区，1970—1978年，昼晴夜雨、昼伏夜雨和昼夜连雨降雨量呈现增加趋势，昼雨夜晴降雨量呈现下降趋势；昼晴夜雨和昼夜连雨天数轻微增加，但是上述变化趋势均未通过0.05显著水平检验。可见，PDO-/AMO-同相变化时，黄土高原昼夜降水呈现增加趋势，但受AMO冷相位调控影响，区域降水增加并不显著(表1)。
表1 PDO和AMO不同相位组合下黄土高原夏季4种昼夜降水类型降雨量、天数和强度变化趋势

Tab.1 Trends of rainfall amount, days, and intensity for four types of diurnal composite precipitation process on the Loess Plateau during the three combined PDO and AMO phases

指标 类型 PDO-与AMO-
(1970—1978年)		 PDO+与AMO-
(1979—1997年)		 PDO-与AMO+
(1998—2020年)
趋势值 P值 趋势值 P值 趋势值 P值
降雨量 昼晴夜雨 25.12 0.60 -3.43 0.73 15.50 0.09
昼伏夜雨 34.24 0.25 -2.18 0.83 9.99 0.09
昼夜连雨 60.82 0.35 -3.84 0.83 20.49 0.05*
昼雨夜晴 -2.16 0.92 1.50 0.44 4.30 0.02*
降水日数 昼晴夜雨 0.43 0.92 -0.17 0.83 0.21 0.44
昼伏夜雨 -0.60 0.35 0.43 0.13 0.31 0.06
昼夜连雨 3.44 0.35 -3.04 0.03* -1.37 0.04*
昼雨夜晴 -1.69 0.75 -0.54 0.33 -1.89 0.01*
降水强度 昼晴夜雨 0.14 0.60 -0.09 0.53 0.13 0.10
昼伏夜雨 2.12 0.18 -1.72 0.21 -0.29 0.63
昼夜连雨 0.03 0.92 0.12 0.12 0.33 0.01*
昼雨夜晴 -0.01 0.99 0.01 0.44 0.04 0.01*

注：*表示变化趋势通过0.05显著水平检验；降雨量趋势单位为mm/10 a，降水日数趋势单位为d/10 a，降水强度趋势单位为mm/(d·a)。

PDO+/AMO-反相变化，PDO处于暖相位时，中国东部降水格局呈现“南涝北旱”，黄土高原，在1979—1997年，除昼雨夜晴降水量有所增加之外，其他昼夜降水类型均呈现下降趋势。其中，昼夜连雨天数下降趋势为-3.04 d/10 a，变化趋势通过0.05显著性水平检验。具体环流机制如下：PDO处于暖相位，导致西太平洋至东亚地区对流层低层呈现“反气旋—气旋—反气旋”环流异常，水汽在江淮地区辐散，导致长江中下游降水偏少；AMO激发的ANH遥相关型引起中国北方低层反气旋异常，增强西风，阻挡了东部暖湿水汽输送，加剧了北方干旱。
PDO-/AMO+反相变化，PDO处于冷相位时，随着东亚夏季风由减弱转为增强，中国东部雨带北移至淮河流域，黄土高原夏季降水呈现增加趋势。在1998—2020年，4种昼夜降水类型降雨量均呈现增加趋势。其中，昼夜连雨和昼雨夜晴雨量增加趋势分别为：20.49 mm/10 a和4.30 mm/10 a，两者变化速率均通过0.05显著性水平检验(表1)。昼晴夜雨和昼伏夜雨天数呈现增加趋势，昼夜连雨和昼雨夜晴天数显著下降，导致黄土高原夏季白天和昼夜连雨降水强度显著增加。
降水量、天数和强度的气象站点区域平均，导致AMO和PDO组合时段下4种昼夜降水类型趋势变化损失了空间信息，增加了上述结论的不确定性。因此，本文在站点尺度对AMO和PDO反相位组合下，对黄土高原昼夜降水量、天数变化(数据经过标准化处理)进行统计分析，更加精细地认识气候系统年代异常对区域降水的影响(图11)。结果表明：
(1) 降水量响应具有区域性。在PDO+与AMO-相位组合下，黄土高原昼晴夜雨、昼伏夜雨、昼夜连雨降水减少，昼雨夜晴降水增加的区域，与前文EOF识别4种昼夜降水类型变化的敏感区一致。黄土高原东南部是夏季昼夜持续性降水、白天降水变化的敏感区。
(2) 降雨天数响应具有全局性。在PDO+与AMO-相位组合下，黄土高原昼伏夜雨天数增加，昼夜连雨、昼雨夜晴和昼晴夜雨天数下降；其中，昼夜连雨、昼雨夜晴天数下降具有全区一致性，且下降幅度更为明显。说明与夜间降水相比，黄土高原夏季昼夜持续降水、昼雨变化对AMO、PDO年代变化响应更敏感。究其原因是：黄土高原夜雨受局地地形、小尺度环流的影响较大，AMO和PDO对昼雨年代际变化影响更为突出。
图11 PDO和AMO不同相位下黄土高原夏季4种昼夜降水类型降雨量、天数变化特征

Fig.11 Variation of summer rainfall amount and days for four types of diurnal composite precipitation process on the Loess Plateau during the combined PDO and AMO phases

3.2 黄土高原昼夜降水变化结论不确定性分析

受研究数据、阈值选择等影响，黄土高原昼夜降水变化结论尚存在不确定性。空间上，黄土高原气象站点主要分布于汾渭平原，毛乌素沙地、河套平原气象站点稀少；六盘山、吕梁山和秦岭北麓等典型山地区，受观测条件限制，气象观测存在明显缺失。气象站点监测数据空间分布不均，核心地理单元气象观测不足，导致研究结论存在不确定性。
本文以最高温90%阈值作为夏季白天高温判断依据，且结合昼晴夜雨状况，识别了昼伏夜雨降水量、天数和强度的变化规律。从图12可以看出，黄土高原不同分区最高温阈值存在明显差异。其中，河套平原、毛乌素沙地、宁夏平原、黄土丘陵沟壑区、土石山区最高温阈值相对一致，均在30 ℃左右波动；受地形影响，汾渭平原最高温阈值明显偏高，黄土高塬沟壑区最高温阈值则明显偏低。上述最高温阈值差异，导致不同区域昼伏夜雨的气候响应物理意义存在复杂性。
图12 黄土高原不同分区夏季最高温阈值变化特征

Fig.12 Variation of maximum temperature threshold in the sub-regions of the Loess Plateau

以汾渭平原为例，昼伏夜雨发生时，夜间降水若不极端，则可缓解白天高温对社会、经济、生态系统的影响，夜雨表现为资源特征。若夜间降水极端化，则出现“高温+雨涝”现象，夜雨表现为灾害特征。可见，昼伏夜雨描述昼夜降水变化，其内涵为中性，涉及资源与灾害过程具有复杂性。
与年代、季节尺度相比，面向昼夜过程划分降水类型，解析黄土高原夏季降水变化机理具有挑战性。昼夜降水变化机制研究难点在于：夜雨受局地地形、天气条件影响较大。特别是，地形造成的辐射热力差异，形成山谷风环流，促使暖空气上升，为夜间降水形成的热力和动力条件[33⇓-35]。深入理解全球变暖背景下，六盘山以西高海拔地区，吕梁山、太行山昼伏夜雨天数增多的内在机制，尚需结合动力学过程分析。

4 结论

本文以黄土高原277个气象站点逐日降水数据为基础，采用EOF、趋势分析等方法，对夏季昼夜降水4种类型降水量、天数和强度时空变化特征进行分析，识别了不同昼夜降水类型变化的敏感区，研究揭示了AMO、PDO异常与昼夜降水年代际转折的相关关系。主要结论如下：
(1) 1999—2020年，黄土高原全年、夏季、夏季夜雨降水持续增加，气候呈现暖湿化。昼夜连雨、昼雨夜晴天数下降，伴随昼夜持续性降水、昼雨夜晴降水强度显著增加；昼晴夜雨雨量增加，降水日数维持低位波动，导致夜间降水强度增加。4种昼夜降水组合类型中，降水日数减少，是黄土高原夏季降水极端化的主要原因。
(2) 在空间格局上，昼晴夜雨、昼伏夜雨变化具有局地性，宁夏中部干旱带、河套平原东部—山西北部、汾渭平原—伊洛河平原是昼晴夜雨变化的敏感区；昼伏夜雨敏感区位于：土石山区、黄土高原西南高海拔地区。黄土高原东南部河谷平原区，是昼夜连雨、昼雨夜晴变化的敏感区。
(3) 在影响因素上，PDO年代际转折，主导中国东部“南涝北旱”向“雨带北移”降水格局的变化；AMO通过激发北半球环球尺度的遥相关型，调控降水异常的强度。2000年后，受气候变暖影响，加之PDO-和AMO+协同放大作用，黄土高原东南部昼夜连雨、昼雨雨量显著增加，降水日数明显减少。需关注夏季白天和昼夜连雨降水强度显著增加对区域生态建设可持续发展的影响。
(4) 受气候变化、耦合强迫和内部变率的影响，黄土高原降水变化机制呈现复杂化。全球变暖背景下，黄土高原夏季天尺度连续性降水减少，短历时、强降水致灾强度增加，昼夜降水组合关系改变，直接影响社会、经济和生态系统可持续发展。关注复合气候事件，细化夏季昼夜降水组合类型，对认识中国其他区域气候变暖与夏季降水响应规律具有重要的启示意义。

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