1970—2018年商洛地區(qū)氣候變化特征分析

齊建鋒 王長燕 郁耀闖

摘 要：利用商洛地區(qū)境內的7個氣象站1970—2018年氣溫、降水和相對濕度數據資料，通過氣候趨勢分析、氣候突變分析及Morlet小波分析等方法，分析該區(qū)域近49年的氣候變化情況。結果表明：近49年來商洛氣溫總體呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.16℃/10a;降水量總體呈增加趨勢，降水量傾向率為3.10mm/10a，年際降水量波動較大;相對濕度總體呈現增長趨勢，傾向率為0.554%/10a;商洛地區(qū)相對濕度與降水量正相關顯著，與氣溫負相關;平均氣溫存在6a、14a和31a的周期，降水量存在4a、7a、12a和24a的周期，相對濕度均存在7a、25a和31a的周期變化規(guī)律;商洛地區(qū)氣候總體呈暖濕型，空間差異大。

關鍵詞：氣候變化;Morlet小波分析;商洛

中圖分類號 P467文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）22-0154-06

Abstract：Based on the data of temperature，precipitation and relative humidity from 1970 to 2018 from 7 meteorological stations in Shangluo area，and by means of climate trend analysis，abrupt climate change analysis and Morlet wavelet analysis，analysis of climate change in the region over the past 49 years. The results show that the temperature trend is increasing in the last 49years，and the temperature trend rate is 0.16°C/10a. The trend of precipitation was increasing，the trend rate of precipitation was 3.10mm/10a，and the annual precipitation fluctuated greatly. The relative humidity showed an increasing trend with a tendency rate of 0.554%/10a. There is a positive correlation between relative humidity and precipitation in Shangluo and a negative correlation between relative humidity and temperature. There are 6a，14a and 31a periods in average temperature，4a， 7a， 12a and 24a periods in precipitation，and 7a， 25a and 31a periods in relative humidity. The climate in Shangluo has been generally warm and humid，with large spatial differences.

Key words：Climate change;Morlet wavelet analysis;Shangluo

氣候變化與人類生活、生態(tài)環(huán)境和農作物生長等密切相關，分析過去并預測未來氣候變化對于人類在預防自然災害、規(guī)劃生態(tài)工程和生產活動等具有重要意義。IPCC第5次評估報告指出，130多年來全球地表均溫升高了0.85℃，自工業(yè)革命以來，全球氣溫上漲趨勢明顯[1]。北半球中緯度地區(qū)變暖趨勢最為顯著[2]，全球氣候變暖已成為研究的熱點問題[3]，近百年來我國與全球氣候變化總體趨勢基本相一致[4-7]，氣候變化具有較為復雜。國內外眾多學者針對影響氣候變暖影響因子從不同區(qū)域、角度，以及運用不同方法做了大量的研究[8-14]。氣候變暖將會導致冰川面積減少、徑流變化、洪澇、干旱等極端氣候事件發(fā)生的概率，進而影響生態(tài)環(huán)境乃至威脅到人類生活的發(fā)展[15-17]。氣候變暖將會產生新的農業(yè)氣候資源，對于農、牧業(yè)的發(fā)展有著重要的影響，作物生長生育、種植結構改變、種植區(qū)域產量、作物多熟制的面積擴大等，對淺層土壤生態(tài)環(huán)境等也產生了影響[18-19]。

商洛地區(qū)位于陜西省東南部，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，地處秦嶺山地，橫跨長江、黃河流域，氣候復雜多變，四季分明、雨熱同期，溫暖濕潤、降雨主要集中于夏秋季節(jié)。氣象災害有干旱、暴雨、連陰雨、冰雹、霜凍等。地形復雜垂直高度差異大，具有山地立體氣候特點，水氣候資源和氣象災害都有明顯的差異，分布極不均衡。商洛地區(qū)受地理特征、季風等影響因素，降水時空差異明顯，氣象災害問題都與降水有著密切的關系。為此，本文運用1970—2018年氣象資料數據，分析近49年商洛地區(qū)氣溫、降水和相對濕度的變化情況，揭示氣候變化特征，對于該區(qū)水資源的利用、治理、防災減災及農業(yè)協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源 選用商洛地區(qū)7個站點（1970—2018年）逐日平均氣溫、降水量以及相對濕度數據資料，通過數理統(tǒng)計獲得月、季、年數據進行分析。季節(jié)劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至次年2月）。

1.2 研究方法

小波方差表示時間序列在一定時間尺度下周期波動的變化情況，小波方差圖能反映所包含的各種時間尺度及其強弱隨尺度的變化特征，圖像中對應極值處的尺度即為該序列的主要時間尺度，即主要周期。

2 結果與分析

2.1 趨勢分析

2.1.1 氣溫 從氣溫距平值變化趨勢（圖1），近49a來商洛地區(qū)平均氣溫為13.00℃，呈波動上升趨勢，氣溫傾向率為0.16℃/10a，氣溫上升約0.52℃。與我國同期的變化情況相一致，且低于全國氣溫變化率[20]。研究期間內，年平均氣溫最高值為14.05℃，最低值為12.05℃，極差為2.0℃，變化幅度較大。由5a滑動平均曲線可見，氣溫呈現出“峰-谷”交替的持續(xù)增長形式，1970—1984年氣溫以下降為主，1984年為最低值，之后主要以上升為主，將氣溫5a滑動曲線可分為2個階段，1970—1997年氣溫距平值小于0，低于平均氣溫值，1998—2018年氣溫距平值大于0，高于平均氣溫值。就年代際氣溫變化情況（表1），20世紀70—80年代平均氣溫降低，80年代至今氣溫逐年代呈現持續(xù)增長趨勢。商洛地區(qū)近49a來各季節(jié)平均氣溫分別為：春季13.44℃;夏季23.38℃;秋季13.17℃;冬季2.00℃。四季氣溫均呈現出增長趨勢，氣溫變化率分別為：春季0.36℃/10a、夏季0.12℃/10a、秋季0.03℃/10a和冬季0.14℃/10a，四季均呈現出不同程度增加趨勢，其中春季氣溫變化率最大，秋季最小，商洛地區(qū)氣溫變化與我國西北地區(qū)各季平均氣溫的研究結果相一致，各季節(jié)均呈現出上升趨勢[21]。

2.1.2 降水量 近49年商洛地區(qū)平均年降水量為758.97mm，年降水量最高值為1159.47mm，最低值為537.74mm。從降水量距平值變化趨勢圖來看（圖2），年降水量整體呈現出波動增加的趨勢，降水量傾向率為3.10mm/10a，年度降水差異較大。與我國同期的變化情況相一致，且低于全國降水變化率[20]。由5a滑動平均曲線看，1970—1982年和1993—2004年降水距平值小于0，降水明顯較少，1983—1992年降水距平值大于0，降水較多，2005年以來降水距平值波動不明顯，降水較為穩(wěn)定。降水量年代際變化（表1），各年代降水差異較大，80年代降水量值最大，處于多雨期，90年代以后各年代呈持續(xù)增長趨勢。商洛地區(qū)近49a來各季節(jié)平均降水量分別為：春季156.11mm、夏季363.44mm、秋季210.51mm、冬季29.11mm。各季節(jié)降水量在全年降水量中貢獻占比為：春季20.56%、夏季47.87%、秋季27.73%和冬季3.83%。降水變化率分別為：春季0.822mm/10a、夏季3.56mm/10a、秋季0.563mm/10a、冬季-1.962mm/10a。冬季呈現降水減少趨勢，其他季節(jié)均為增加，其中夏季降水量變化率最大。

2.1.3 相對濕度 近49年來商洛地區(qū)年均相對濕度為68.46%，年相對濕度最高值為74.55%，最低值為62.68%。從相對濕度距平值變化趨勢圖來看（圖3），整體呈現波動增加的趨勢，傾向率為0.554%/10a，從5a滑動平均曲線看，1970—1980年相對濕度降低明顯，1981—1994年增加比較明顯，1995—2018年較為穩(wěn)定。相對濕度年代際變化（表1），各年代呈現持續(xù)增長趨勢。商洛地區(qū)近49a來各季節(jié)平均相對濕度分別為：春季63.55%、夏季75.06%、秋季74.77%;冬季60.59%。相對濕度變化率分別為：春季0.195%/10a、夏季0.678%/10a、秋季1.25%/10a、冬季0.515%/10a，商洛地區(qū)四季相對濕度均呈現出增加趨勢，秋季最為顯著。

2.2 相關性分析 對1970—2018年商洛地區(qū)的相對濕度與氣溫、降水做時間序列的相關性分析，結果所示（表2），年均相對濕度與降水量的相關系數分別為：年度0.495、春季0.616、夏季0.575、秋季0.703、冬季0.625;與氣溫的相關系數分別為：年度-0.152、春季-0.436、夏季-0.464、秋季-0.034、冬季-0.047。可以看出，相對濕度與降水呈正相關、與氣溫呈負相關，商洛地區(qū)的相對濕度受降水的影響顯著。

2.3 突變分析

2.3.1 氣溫 1970—2018年商洛地區(qū)年均氣溫M—K突變檢驗結果顯示（圖2），在1970—1998年UF統(tǒng)計值都小于0（除1971年），年平均氣溫呈下降趨勢，個別年份大于0則表示增加趨勢;1999—2018年UF統(tǒng)計值大于0，氣溫為上升趨勢，UF統(tǒng)計值超出臨界值，則上升趨勢顯著。UF和UB曲線在置信區(qū)間內存在交點于2004年與2008年，可知年平均氣溫發(fā)生突變?yōu)?004年、2008年，此后年均氣溫上升明顯，2013—2018年UF曲線超出置信區(qū)間，增溫趨勢顯著。

2.3.2 降水 商洛年均降水量M-K突變檢驗結果（圖2）表明，UF曲線在1970—1982年波動較大，該時間段降水差異較大，1983—1994年和2010—2018年UF曲線大于0，年均降水量呈增加趨勢;1995—2009年，UF曲線小于0，呈下降趨勢。在95%置信區(qū)間內UF和UB曲線存在多個交點，說明降水量發(fā)生多次突變，UF和UB曲線始終處于置信區(qū)間內，表明降水量雖有多次突變現象但是沒有顯著變化。突變年份為：1971年、1974年、1976年、1980年、1986年、1993年、2003年、2009年和2012年，降水不穩(wěn)定，年度差異較大。

2.3.3 相對濕度 商洛年均相對濕度M-K突變檢驗結果（圖2）表明，UF曲線在1970—1986年波動較大，該時間段濕度差異較大，其中1979年超出置信區(qū)間變化顯著，1987—2018年UF曲線大于0，年均相對濕度呈增加趨勢。在95%置信區(qū)間內UF和UB曲線存在交點1985年和1987年發(fā)生突變。

2.4 周期分析

2.4.1 氣溫 結合Morlet小波分析實部圖及其對應的小波分析方差圖，能準確地反映出氣候序列的時間尺度變化周期、干擾強度和主周期[22]。從研究區(qū)氣溫Morlet小波分析（圖7）可見，近49a來商洛地區(qū)平均氣溫周期交替變化強烈，具有不同尺度的周期。商洛地區(qū)年平均氣溫變化具有3種尺度的周期，即5～7a、13～15a和28～32a。氣溫小波方差圖上，在6a、14a和31a處方差出現峰值。表明本區(qū)域在研究時段內年平均氣溫存在6a、14a和31a的周期，其中以31a為第一主周期，這3類周期決定了商洛地區(qū)年平均氣溫序列的周期性變化特征。

2.4.2 降水 由商洛地區(qū)年降水量的小波分析（圖8）可以看出，年降水量變動存在3～5a、5～9a、10～14a和22～26a尺度的周期。由降水量小波方差圖可見，商洛地區(qū)在1970—2018年時間段內存在4a、7a、12a和24a周期，其中24a為第一主周期、7a為第二主周期，這2個主周期對商洛地區(qū)年平均降水量序列的周期性變化最為顯著。

2.4.3 相對濕度 由商洛地區(qū)年平均相對濕度的小波分析（圖9）可以看出，相對變化濕度存在5～8a、22～26a和28～32a尺度的周期。由相對濕度小波方差圖可見，商洛地區(qū)在1970—2018年時間段內存在7a、25a和31a周期，其中31a為第一主周期、24a為第二主周期，這2個主周期對商洛地區(qū)年平均相對濕度序列的周期性變化最為顯著。

2.5 空間分析 由圖10可知，氣溫變化率的空間變化較為復雜，各站點呈現出不同程度的增長速率，上升速率最顯著的地區(qū)商洛西南部的鎮(zhèn)安縣，其中商南和柞水氣溫上升速率最小;降水量變化率的空間變化，呈現不同程度的增減趨勢，商洛北部的洛南縣降水量變化率減少趨勢顯著，東部商南縣增加趨勢顯著;商洛地區(qū)各站點的相對濕度均為增加趨勢，西南部相對濕度增加趨勢明顯，北部增加趨勢較小。結合氣溫和降水的空間變化情況，商洛地區(qū)大部分為暖濕型，其中東部為暖濕、北部為暖干比較顯著。商洛地區(qū)大小河流及支流較多，而河流可以調節(jié)局部小氣候。河流使區(qū)域降水增多，空氣濕度增大，可緩解極端氣溫現象。因此，河流的分布會對區(qū)域氣候變化造成了一定的影響。

3 結論

（1）近49年商洛地區(qū)氣溫呈上升趨勢，年均氣溫變化傾向率為0.16℃/10a。降水量整體呈現出波動增加的趨勢，年均降水量傾向率為3.10mm/10a，各季節(jié)降水量在全年降水量中貢獻占比分別為：春季20.56%、夏季47.87%、秋季27.73%和冬季3.83%。相對濕度呈增加趨勢，相對濕度傾向率為0.554%/10a，商洛地區(qū)整體呈現暖濕化現象。

（2）研究時段內氣溫在2004和2008年發(fā)生了由冷到暖的突變。降水量發(fā)生了多次突變，降水量年度變化差異較大。相對濕度在1985年和1987年發(fā)生突變，之后相對濕度增加顯著。

（3）通過Morlet小波分析，商洛地區(qū)年均氣溫存在6a、14a和31a的周期，年降水量存在4a、7a、12a和24a的周期，目前商洛地區(qū)處于多雨期，相對濕度存在7a、25a和31a的周期變化規(guī)律。

（4）在空間上，氣溫上升最為顯著的地區(qū)位于商洛地區(qū)西南部，最不顯著地區(qū)位于東南部，降水量空間差異較大，西南部增加最明顯，北部減少最為顯著。商洛地區(qū)整體呈現暖濕化，北部地區(qū)出現暖干現象。

綜上所述，近49年來商洛地區(qū)氣候趨于暖濕型，氣溫、降水量及相對濕度呈增加趨勢;暖濕現象主要發(fā)生在春季和夏季，秋季變化較小，冬季為暖干趨勢;商洛地區(qū)氣候變化率在空間上差異較大，整體趨于暖濕現象，部分地區(qū)出現暖干現象。商洛地區(qū)氣候的暖濕化發(fā)展趨勢，在一定時間內對農業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響總體是有利的，對商洛地區(qū)的植被覆蓋、生態(tài)環(huán)境能夠得到進一步的改善，氣溫升高可以緩解低溫、冰雹對農業(yè)造成的災害，但在降低這些災害發(fā)生的概率同時也會引發(fā)一些潛在的其他災害。

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（責編：張宏民）