江漢平原區(qū)域降水與氣溫長期變化趨勢分析

羅啟華，郭生練，李天元，伏 琳

江漢平原區(qū)域降水與氣溫長期變化趨勢分析

羅啟華1，郭生練1，李天元1，伏 琳2

（1．武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2．長江水利委員會長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

挑選江漢平原區(qū)域內(nèi)具有代表性的5個氣象站52年間（1957－2008年）的逐月降水量和月平均氣溫觀測資料，取顯著性水平α＝0．05，運用Mann-Kendall檢驗對年季降水量和年平均氣溫時間序列進行統(tǒng)計分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：區(qū)域年降水量沒有明顯的變化趨勢。從季節(jié)變化來看，春秋兩季降水呈緩和的下降變化趨勢，夏季降水呈上升趨勢，但變化趨勢不顯著，冬季降水有顯著的上升變化趨勢；區(qū)域年平均氣溫有顯著的上升變化趨勢，特別是最近20年來上升幅度明顯增大。年平均氣溫時間序列從1994年開始發(fā)生了突變，突變以后上升變化趨勢更加強烈。

趨勢分析；Mann-Kendall檢驗；降水；氣溫；江漢平原

降水和氣溫是2個極其活躍的氣象要素，長時間內(nèi)各氣象要素的統(tǒng)計狀態(tài)就形成了氣候。氣候變化對人類和自然系統(tǒng)有重要影響，它對我國經(jīng)濟社會的發(fā)展有正面的也有負面的影響，但極端天氣事件（如連續(xù)暴雨，持續(xù)高溫等）對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是負面的［1］。江漢平原是我國九大商品糧基地之一，糧食生產(chǎn)條件好，每年能為國家提供大量的余糧。利用長系列歷史實測資料分析江漢平原區(qū)域降水與氣溫長期變化趨勢，可以增強人們對氣候變化的認知水平，同時能夠為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護、水利工程管理以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等提供科學的依據(jù)。

Mann-Kendall檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法［2］，其樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，且計算簡便，因此它在水文、氣象等非正態(tài)分布的時間序列變化趨勢分析和突變檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近50年來，隨著全球氣候變化加劇，為揭示流域或者區(qū)域降水與氣溫變化趨勢規(guī)律，出現(xiàn)了許多的研究成果［3－6］。另外，Mann-Kendall檢驗也用于河川徑流量［7，8］以及蒸發(fā)量［9］等的長期變化趨勢分析。

本文應(yīng)用Mann-Kendall檢驗方法對江漢平原1957－2008年的逐月降水量和月平均氣溫資料進行分析，在顯著性水平取α＝0．05的情況下，探討該區(qū)域降水與氣溫的長期變化趨勢規(guī)律。并對降水和氣溫時間序列進行突變檢測。

1 資料及研究區(qū)概況

1．1 研究區(qū)概況

江漢平原位于湖北省中南部，介于29°26′～31° 10′N，111°45′～114°16′E之間，西起枝江，東迄武漢，北至鐘祥，南與洞庭湖平原相連，面積3萬余平方公里，是長江與漢江的沖積平原。地勢低平，大體由西北向東南微傾。平原內(nèi)湖泊眾多，水網(wǎng)交織，氣候變化四季分明，冬季寒冷濕潤，夏季炎熱高溫，光照充足，降水豐沛。年均氣溫在15～17℃之間，年均降水量在1 100～1 300 mm之間，屬于典型的亞熱帶大陸性季風氣候。

1．2 資料來源及處理

資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，包括1957－2008年江漢平原區(qū)域內(nèi)的鐘祥、荊州、天門、武漢、嘉魚5個氣象站的逐月降水量和月平均氣溫觀測資料，資料完整無缺失。區(qū)域內(nèi)地形起伏不大，站點分布均勻且處于同一氣候帶，氣候變化無較大差異，具有良好的代表性，采用各站觀測值的算術(shù)平均作為研究區(qū)域的降水和氣溫值，計算出區(qū)域多年平均年降水量為1 164．1 mm，多年平均氣溫為16．7℃。

表1為江漢平原區(qū)域內(nèi)5個氣象站年降水量與年平均氣溫特征統(tǒng)計值表。各站年降水量的變差系數(shù)C v值在0．19～0．23之間，年均氣溫的C v值在0．03～0．05之間，說明各氣象站之間的降水和氣溫年際變化不大。武漢站的年降水量的極差和年均氣溫的極差都是最大，其多年平均年降水量為1 255．6 mm，多年年平均氣溫16．8℃。

表1 江漢平原各站1957－2008年年降水量與年平均氣溫特征值統(tǒng)計表Table 1 Eigenvalues of annual precipitation and mean tem perature at fivemeteorological stations in the Jianghan Plain

2 研究方法

當Mann-Kendall檢驗用于分析時間序列變化趨勢時，原假設(shè)H0：時間序列數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn是n個隨機獨立的、同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗：對于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算如下式：

其中，

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var（S）＝［n（n－1）（2n＋5）－t（t－1）（2t＋5）］／18。這里t為任意給定結(jié)點的范圍，∑t是所有結(jié)點的和，當n大于10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量z通過下式計算：

這樣，在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果｜z｜≥z1－α／2，則原假設(shè)是不可接受的，即在1－α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計變量z大于0時，是上升趨勢，小于0時，則是下降趨勢。

當Mann-Kendall法用于時間序列突變檢測時，通過構(gòu)造一秩序列：

其中，當xi＞xj（j＝1，2，…，i）時，ri＝1，否則ri＝0?？梢娭刃蛄衧k是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

式中：

UFi為標準正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若｜UFi｜＞Uα／2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時間序列x按逆序排列，再重復(fù)上述過程，同時使：

通過分析統(tǒng)計序列UFk和UBk，可以進一步分析序列x的趨勢變化，而且可以明確突變的時間，指出突變的區(qū)域。若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢，當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時刻。

在本文的趨勢分析中，檢驗的顯著性水平取α＝0．05。

3 降水量變化趨勢分析

江漢平原區(qū)域降水季節(jié)性分布不均，降水主要集中在春夏兩季，春季平均降水363．2 mm，夏季平均降水470．8 mm，占全年降水量的71．6%，秋季平均降水量209．7 mm，冬季（12月至次年2月）平均降水量最少，僅為120．6 mm。

對于降水量的長期變化趨勢，根據(jù)Mann-Ken-dall檢驗法，計算區(qū)域降水年季變化統(tǒng)計值z，見表2。從表中可以看出：對于整個區(qū)域而言，年降水量變化沒有明顯的變化趨勢，從季節(jié)變化來看，春、秋兩季降水呈下降趨勢，夏季顯上升趨勢，但變化趨勢都不顯著，只有冬季降水呈顯著的上升變化趨勢（z＝1．71）。這與運用趨勢系數(shù)和線性傾向估計法對江漢平原1958－2004年的年季降水變化趨勢的分析結(jié)果保持一致［10］。對于各氣象站而言，年降水量Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計值在±1．64之間，均沒有顯著的上升或者下降變化趨勢。各氣象站之間季節(jié)性降水變化趨勢完全一致，春秋兩季呈下降趨勢，夏冬呈上升趨勢。夏季降水只有鐘祥站有顯著的上升變化趨勢；冬季降水除了鐘祥站沒有明顯的上升變化趨勢外，其它站都有顯著的上升變化趨勢。

表2 區(qū)域年季降水量M ann-Kendall檢驗統(tǒng)計值表Table 2 M ann-Kendall statistical values of annual and seasonal precipitation in the Jianghan Plain

圖1是區(qū)域年降水量距平累計曲線，從圖中可以看出，江漢平原年降水量變化有幾個明顯的轉(zhuǎn)折點，分別是：1959年、1979年、1983年、1986年、2004年。從降水的豐枯變化來看，1958至1962年是豐水期，距平累計全為正值，年平均降水比多年平均值多44．2 mm；1965－1990年是一個大的的枯水期，累計距平全為負值，這26年間平均年降水較多年平均值略??；之后降水偏多和偏少時期交替出現(xiàn)。從短期變化來分析，1959－1979年降水量下降趨勢明顯，1979－1983年有上升變化趨勢，1983－1986年呈下降趨勢，1986－2004年呈明顯的上升變化趨勢。

根據(jù)Mann-Kendall法對時間序列的突變檢測原理，計算區(qū)域年降水量的順序時間序列的秩序列Sk，并計算統(tǒng)計量UFk；同樣處理逆序時間序列，將UFk與UBk2條曲線及臨界值±1．96的2條直線繪制在一張圖上，見圖2，從圖中可以大致挑選出1959年、1979年、1983年、1986年、2004年幾個突變點，這與距平累計曲線分析的結(jié)果基本保持一致。

圖2 區(qū)域年降水量Mann-Kendall突變檢測統(tǒng)計量曲線Fig．2 Curves of Mann-Kendall test on annual precipitation mutation in the Jianghan Plain during 1957－2008

4 氣溫變化趨勢分析

4．1 年平均氣溫變化趨勢分析

根據(jù)Mann-Kendall檢驗對時間序列長期變化趨勢分析原理，對江漢平原52年的年平均氣溫時間序列進行了統(tǒng)計，見表3。計算結(jié)果z＝5．15，這表明從52年時間序列來看，在顯著性水平α＝0．05的情況下，年平均氣溫變化呈顯著的上升變化趨勢。同樣，對區(qū)域各氣象站數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果表明，各站的年平均氣溫都有顯著的上升變化趨勢，統(tǒng)計值甚至都超過了顯著性水平α＝0．01時的臨界值，其中以武漢站的年平均氣溫上升趨勢最為強烈。

表3 區(qū)域年平均氣溫變化趨勢分析Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計值表Table 3 Results of Mann-Kendall test on trends of annualmean temperature in the Jianghan Plain during 1957－2008

從圖3看，年平均氣溫距平過程線在1994年以前年平均氣溫變化比較平穩(wěn)，且多數(shù)年份年平均氣溫小于多年平均氣溫，這之后年份都大于多年平均氣溫。因此截取1957－1993年年平均氣溫時間序列進行Mann-Kendall檢驗，計算結(jié)果表明研究區(qū)域37年（1957－1993年）時間序列的年平均氣溫沒有明顯的上升變化趨勢（z＝1．09）。就單站而言，只有荊州的年平均氣溫上升變化趨勢是顯著的。

圖3 區(qū)域1957－2008年年平均氣溫距平曲線Fig．3 Anomaly curve of annualmean temperature in the Jianghan Plain during 1957－2008

4．2 年平均氣溫突變檢測

依據(jù)Mann-Kendall法對時間序列的突變檢測原理，繪制年平均氣溫統(tǒng)計量曲線，如圖4。

圖4 區(qū)域年平均氣溫Mann-Kendall檢驗突變檢測統(tǒng)計量曲線Fig．4 Curves of M ann-Kendall test on annualmean temperaturemutation in the Jianghan Plain during 1957－2008

由圖4可知，自上世紀80年代中期（1986年）以來UFk值一直處于大于零的狀態(tài)，表明氣溫變化一直呈上升趨勢，UFk曲線與UBk曲線在1994－1995年之間出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，所以交點時刻就是突變開始的時間。從1996年開始，UFk值持續(xù)增大超過了上臨界線＋1．96甚至超過了顯著性水平α＝0．01時的臨界值Uα／2＝2．58，說明發(fā)生突變以后上升趨勢愈加明顯。探究其成因，這次氣溫突變受到了人類活動的影響。改革開放以來，隨著華中地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，溫室氣體排放增加、城市化進程致使下墊面地表改變等人為因素導致區(qū)域氣候逐漸變暖，氣溫漸變累積到1994年開始發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折性變異。

表4為不同年代區(qū)域氣溫均值統(tǒng)計表。從表中同樣可以看出最近20年來區(qū)域年平均氣溫升高幅度明顯增大。

表4 不同年代氣溫均值統(tǒng)計表Table 4 Average value of annualmean tem perature of different years in the Jianghan Plain

5 結(jié) 語

（1）江漢平原區(qū)域降水較為豐富，多年平均年降水量為1164．1mm，1983年的降水量高達1 630．0 mm。降水季節(jié)性分布不均，降水主要集中在春夏兩季。在顯著性水平取α＝0．05的情況下，應(yīng)用Mann-Kendall檢驗的結(jié)果是：區(qū)域年降水量沒有明顯的變化趨勢，從季節(jié)變化來看，春秋兩季降水呈緩和的下降變化趨勢，夏季呈上升趨勢，但變化趨勢不顯著，冬季降水有顯著的上升變化趨勢。

（2）區(qū)域多年平均氣溫為16．7℃，年平均氣溫呈顯著的上升變化趨勢，其中武漢站的年平均氣溫上升趨勢最為強烈，這與武漢城市化進程的推進不無關(guān)系。研究區(qū)域的年平均氣溫時間序列在1994－1995年間發(fā)生了突變，突變以后上升趨勢更加強烈。對37年（1957－1993年）的氣溫時間序列來說，年平均氣溫沒有顯著的上升變化趨勢。這表明，最近20年來區(qū)域年平均氣溫升高幅度明顯增大。這種陡然的增暖變化趨勢應(yīng)該引起足夠的重視。

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（編輯：趙衛(wèi)兵）

Long-term Trends of Precipitation and Tem perature in Jianghan Plain from 1957 to 2008

LUO Qi-hua1，GUO Sheng-lian1，LITian-yuan1，F(xiàn)U Lin2
（1．State Key Laboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2．Hydrology and Water Resources Survey Bureau of the Middle Reach of Changjiang River，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430012，China）

According to themonthly precipitation and average temperature data collected at the five typicalmeteoro-logical stations from 1957 to 2008，the authors analyze the trends of precipitation and temperature in the Jianghan Plain by using Mann-kendall testwith the significance levelα＝0．05．The results show that：there isn’t a remark-able variation trend of annual precipitation time series in the Jianghan Plain．As for the seasonal precipitation，spring and autumn precipitation have a downward trend and summer precipitation has an upward trend，but all of them are not remarkable，only winter precipitation has a remarkable upward trend．Annual average temperature time series have a remarkable upward trend，and the rate increases significantly in recent20 years．There is a ab-rupt change from 1994 to 1995；after that，the upward trend becomes even more fierce．

long-term trend；Mann-kendall test；precipitation；temperature；Jianghan Plain

P467

A

1001－5485（2011）03－0010－05

2010-03-30

羅啟華（1983-），男，湖北利川人，助理工程師，主要從事水文學及水資源方面的研究，（電話）027-68773568（電子信箱）qihualuo＠126．com。