關(guān)中地區(qū)降雨、氣溫動(dòng)態(tài)演變特征分析

熊光紅

(1.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院,陜西西安 710054;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054)

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關(guān)中地區(qū)降雨、氣溫動(dòng)態(tài)演變特征分析

熊光紅1，2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院,陜西西安 710054;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054)

利用1961～2012年陜西關(guān)中地區(qū)年均降雨量和年均氣溫資料，對(duì)近52年來(lái)該地區(qū)的降雨和氣溫的動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行分析，并探討了降雨和氣溫的相關(guān)性。結(jié)果表明，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)關(guān)中地區(qū)氣溫顯著升高，降雨量無(wú)明顯趨勢(shì)性，降雨量和氣溫的相關(guān)關(guān)系僅在20世紀(jì)末的20年達(dá)到典型負(fù)相關(guān)，其他時(shí)段并未達(dá)到顯著相關(guān)水平，無(wú)法得出研究時(shí)段內(nèi)該地區(qū)降雨量隨氣溫升高發(fā)生相關(guān)變化的統(tǒng)一結(jié)論；降雨和氣溫的階段性變化形成氣候類型的階段性，20世紀(jì)60～80年代為關(guān)中氣候變化的穩(wěn)定時(shí)段，80年代中期～20世紀(jì)末氣候類型為“暖干型”，進(jìn)入21世紀(jì)氣候類型轉(zhuǎn)為“暖濕型”。

關(guān)中地區(qū);降雨;氣溫;相關(guān)性;氣候類型

自20世紀(jì)以來(lái)，全球氣溫升溫趨勢(shì)普遍，特別是進(jìn)入80年代以來(lái)，氣溫普遍升高引起的氣候、水文、生態(tài)環(huán)境等一系列問(wèn)題已成為全球關(guān)注熱點(diǎn)。全球及我國(guó)氣候變化研究已取得諸多全局性和區(qū)域性的研究成果，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)全球氣溫普遍升高，進(jìn)而引起水汽循環(huán)過(guò)程的變化，降雨量也隨之發(fā)生區(qū)域性的變化[1]。氣溫和降雨量的變化，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害、干旱少雨等災(zāi)害性事件全球頻發(fā)，未來(lái)氣溫的變化趨勢(shì)如何，對(duì)區(qū)域降雨量將會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。

陜西關(guān)中地區(qū)地處內(nèi)陸腹地，氣候具有東西過(guò)渡和南北分界的典型特點(diǎn)。氣候變化的影響因素復(fù)雜，受氣候變化的影響，氣象災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政治穩(wěn)定等一系列問(wèn)題不容忽視。筆者利用1961～2012年陜西關(guān)中地區(qū)氣溫和降水資料，研究關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫的時(shí)空演變特征，探討該地區(qū)降雨和氣溫受全球氣候變化影響的程度、降雨和氣溫的相關(guān)影響關(guān)系以及氣象因素未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)等，為該地區(qū)氣象、水文、水利、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、政治等諸多方面提供有指導(dǎo)意義的科學(xué)結(jié)論。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源所選數(shù)據(jù)中，1984～2012年關(guān)中地區(qū)年均降雨量及年均氣溫來(lái)源于陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒；1983年以前年均降雨量及年均氣溫統(tǒng)計(jì)資料來(lái)源于陜西省氣象局資料室。統(tǒng)計(jì)資料中有個(gè)別年份資料缺失，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)于偶爾缺失的數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)平均值或趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了插補(bǔ)[4]。

1.2 分析方法運(yùn)用公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采用數(shù)據(jù)處理軟件Excell進(jìn)行年均降雨量和年均氣溫的動(dòng)態(tài)特征分析。相關(guān)性分析主要采用相關(guān)系數(shù)法、回歸分析方法和灰色關(guān)聯(lián)分析等幾種方法完成。各種相關(guān)分析方法有其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，分析結(jié)果也能夠從不同角度說(shuō)明時(shí)間序列相關(guān)性特征。相關(guān)分析的計(jì)算過(guò)程采用統(tǒng)計(jì)軟件包SPSS17.0完成。

1.2.1相關(guān)系數(shù)法。相關(guān)是研究2個(gè)變量之間是否存在一致而有序關(guān)系的一種方法，通常用相關(guān)系數(shù)rxy來(lái)衡量2個(gè)變量之間線性相關(guān)關(guān)系強(qiáng)弱的程度[5]。相關(guān)系數(shù)rxy為正，兩變量正相關(guān)；反之則為負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)rxy的取值范圍為[-1,1]，|rxy|越接近于1，相關(guān)程度越強(qiáng)，反之相關(guān)程度越弱。一般情況下，0.8≤|rxy|≤1，兩變量強(qiáng)相關(guān)；0.6≤|rxy|≤0.8，兩變量較強(qiáng)相關(guān)；0.4≤|rxy|<0.6，兩變量一般相關(guān)；0.2≤|rxy|<0.4，兩變量弱相關(guān)；|rxy|<0.2，兩變量極弱相關(guān)。

1.2.2回歸分析。當(dāng)2個(gè)變量之間不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)關(guān)系，可采用回歸分析的方法研究?jī)勺兞恐g相關(guān)程度和其相關(guān)具體形式[6]。將年均降雨量f(x)和年均氣溫f(y)同繪入平面坐標(biāo)系中，形成各個(gè)時(shí)間點(diǎn)降雨和氣溫隨機(jī)變量f(x,y)的獨(dú)立散點(diǎn)，利用最小二乘法求散點(diǎn)的回歸方程(線性或函數(shù))，散點(diǎn)和回歸函數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性大小稱為關(guān)聯(lián)度，散點(diǎn)與函數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度愈大，說(shuō)明兩變量之間愈符合該函數(shù)的相關(guān)性。

1.2.3灰色關(guān)聯(lián)分析法?；疑P(guān)聯(lián)分析方法主要用于確定2個(gè)變量之間隨時(shí)間變化過(guò)程中其變化趨勢(shì)是否具有一致性[7]，也是進(jìn)行相關(guān)分析的便利工具之一。灰色關(guān)聯(lián)度是衡量變量之間同步變化程度高低的物理量。在時(shí)間序列的變化過(guò)程中，2個(gè)變量的關(guān)聯(lián)程度或發(fā)展趨勢(shì)一致，則其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)大，反之則灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)較小。用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)可以很好地描述降雨和氣溫時(shí)間序列發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度。

2 關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫動(dòng)態(tài)變化特征

2.1 降雨變化特征從關(guān)中地區(qū)年均降雨量變化曲線(圖1a)可以看出，近52年年均降雨量呈小幅減少趨勢(shì)，線性減少速率為3.16 mm/10a，與全國(guó)[8]及陜西省同時(shí)段降雨量平均線性減少率(19.6mm/10a)[9]相比，降雨的減少幅度并不顯著。降雨量動(dòng)態(tài)變化呈較明顯的階段性，第1階段(1961～1983年)降雨量波動(dòng)平穩(wěn)、變化幅度不大；第2階段(1984～2012年)降雨量波動(dòng)劇烈，前期降雨量大幅減少，后期有所增加，但增加幅度不及減少幅度，因此在第2個(gè)階段末平均降雨量數(shù)值較小，使得整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)降雨量整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由降雨量的動(dòng)態(tài)變化曲線可知，年均降雨量的變化是周期性與隨機(jī)性的擬合，持續(xù)增減的趨勢(shì)并不顯著，20世紀(jì)80年代中期～90年代末期是關(guān)中地區(qū)降雨量持續(xù)大幅度減少的干旱少雨時(shí)期。

2.2 氣溫變化特征1961～2012年關(guān)中地區(qū)年均氣溫上升趨勢(shì)顯著，年均氣溫線性變化率高達(dá)0.44 ℃/10a(圖1b)，高于我國(guó)氣溫變化的平均水平[10]，并達(dá)到35°N以北年均氣溫線性變化率(0.25～0.50 ℃/10a)的高值[11]。用滑動(dòng)平均曲線消除動(dòng)態(tài)曲線的隨機(jī)因素影響，年均氣溫也表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。1984年以前氣溫小幅波動(dòng)，變化速率絕對(duì)值較小；1984～1997年年均氣溫升溫速率快、幅度大，線性升溫率遠(yuǎn)高于同期全國(guó)平均水平，是關(guān)中地區(qū)典型的高溫時(shí)段；2007年后年均氣溫還處于較高水平，但升溫速率減緩，升溫幅度減小。

2.3 降雨和氣溫的動(dòng)態(tài)關(guān)系評(píng)價(jià)將1961～2012年關(guān)中地區(qū)降雨量和年均氣溫繪制在同一坐標(biāo)系下，研究二者的動(dòng)態(tài)關(guān)系(圖2)。年降雨量與年均氣溫滑動(dòng)平均曲線關(guān)系表明，1983年以前降雨量隨氣溫升高存在小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)；1983～1991年氣溫快速升高而降雨量無(wú)顯著變化；1991～2002年氣溫升高，降雨量大幅減少；2002年之后氣溫變動(dòng)幅度不大或小幅下降，而降雨量快速又增長(zhǎng)。研究時(shí)段內(nèi)降雨量與氣溫的關(guān)系表現(xiàn)為溫度升雨量升、溫度升雨量穩(wěn)定、溫度升雨量減小以及溫度穩(wěn)定雨量升等幾種動(dòng)態(tài)關(guān)系，各個(gè)分析階段罕見降雨與氣溫的一致相關(guān)特性。從年代均值曲線來(lái)看，20世紀(jì)60～70年代氣溫升高雨量減少，80年代氣溫升高雨量增加，90年代氣溫升高雨量減少，2001～2010年氣溫降低雨量增加，兩者在各年代間亦無(wú)穩(wěn)定的相關(guān)特性，僅在90年代左右表現(xiàn)為逆勢(shì)增長(zhǎng)。

3 降雨和氣溫的相關(guān)分析

3.1 相關(guān)系數(shù)分析法利用Excel軟件計(jì)算得到1961～2012年關(guān)中降雨量和年均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.291 4。從降雨和氣溫的分階段、分年代相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果(表1)可知，研究時(shí)段內(nèi)年均降雨量與年均氣溫總體符合弱負(fù)相關(guān)特性，相關(guān)特征不明顯；1974～1997年兩者之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系較為緊密，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值>0.6；按年代來(lái)分析，20世紀(jì)70～80年代降雨與氣溫相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了較強(qiáng)相關(guān)的水平，其他時(shí)段降雨與氣溫的相關(guān)性不顯著。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算步驟，筆者將年均降雨量和年均氣溫進(jìn)行歸一化處理，采用統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算1961～2012年關(guān)中年降雨量和年均氣溫灰色相關(guān)系數(shù)為0.675 1，同時(shí)完成了分階段、分年代降雨量與氣溫灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表1)，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果基本一致。1974～1997年降雨與氣溫相關(guān)系數(shù)及灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值為研究時(shí)段內(nèi)最大值，表明這一時(shí)段為降雨與氣溫負(fù)相關(guān)特性顯著的典型時(shí)段，其他時(shí)段兩變量變化趨勢(shì)無(wú)明顯相關(guān)性。

表1 1961～2012年關(guān)中地區(qū)降雨與氣溫階段性相關(guān)系數(shù)

時(shí)段相關(guān)系數(shù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)1961～1973-0．19730．60021974～1984-0．69780．71301985～1997-0．65790．72751998～2012-0．34230．59691961～1970-0．08100．34721971～1980-0．65150．65111981～1990-0．67840．71001991～2000-0．28300．65922001～2010-0．41090．4629

3.3 回歸分析剔除時(shí)間因素，單純從降雨量和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)看，二者所形成的散點(diǎn)分布范圍廣，規(guī)律性不強(qiáng)。以線性函數(shù)擬合散點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)僅為0.292，且僅達(dá)5%的顯著性水平；以二次函數(shù)擬合散點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)為0.358，略高于線性函數(shù)的情況，達(dá)到1%的顯著性水平(圖3)?？梢娊涤旰蜌鉁氐年P(guān)系更符合二次函數(shù)的回歸相關(guān)關(guān)系，即氣溫較低時(shí)，隨氣溫升高降雨量減少，當(dāng)氣溫超過(guò)多年平均值后，隨氣溫的升高，降雨量有小幅增加。

上述3種相關(guān)性分析方法的計(jì)算結(jié)果表明，近52年來(lái)關(guān)中地區(qū)年均氣溫與年均降雨量表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān)的特性，二者相關(guān)程度僅達(dá)到5%的顯著相關(guān)水平，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)值也較小，兩者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系不具備典型的負(fù)相關(guān)特征。由階段性分析結(jié)果可知，20世紀(jì)70年代中期～90年代末期兩者的相關(guān)特性顯著增強(qiáng)，負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到1%的顯著性水平，灰色相關(guān)系數(shù)也為研究各個(gè)時(shí)段中的最大值，在這段時(shí)期內(nèi)，氣溫顯著升高而降雨量隨之有較大幅度減少，這與許多學(xué)者的研究結(jié)論[12-14]具有一致性；其他時(shí)段兩者或正或負(fù)的相關(guān)程度較弱，氣溫變化對(duì)降雨量并無(wú)一貫性的影響。從降雨量和氣溫散點(diǎn)回歸計(jì)算結(jié)果可得到，隨氣溫升高降雨量的變化曲線存在拐點(diǎn)，氣溫較低區(qū)段，氣溫升高降雨量減少趨勢(shì)明顯，氣溫較高區(qū)段，氣溫升高降雨量有所增加，兩者的動(dòng)態(tài)變化更符合二次函數(shù)曲線變化特征。

4 結(jié)論與討論

(1)近52年來(lái)關(guān)中地區(qū)年均氣溫有較大幅度升高，線性升溫率大于全國(guó)平均水平[10]。與之相較，年均降雨量并無(wú)顯著的減少，這與全國(guó)近50年降雨量無(wú)明顯趨勢(shì)性變化的特征[8]一致，但與我國(guó)西北地區(qū)中部降水量有明顯減小趨勢(shì)的研究結(jié)論[15]有出入。降雨量和氣溫的變化均表現(xiàn)為階段性和不穩(wěn)定的周期特性。20世紀(jì)80年代中期～20世紀(jì)末是關(guān)中地區(qū)平均氣溫顯著攀升和降雨量大幅減少的時(shí)段，此后，進(jìn)入21世紀(jì)氣溫的升高趨勢(shì)有所緩解，降雨量也有較大幅度的增加。

(2)在研究時(shí)間范圍內(nèi)，年降雨量與年均氣溫之間并無(wú)顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，在個(gè)別階段內(nèi)(1983～1997年)，兩者之間具有較為典型的負(fù)相關(guān)特性。

(3)關(guān)中地區(qū)降雨量和氣溫動(dòng)態(tài)變化的階段特性各異。1981～2000年降雨量與氣溫之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，僅表明在該時(shí)段內(nèi)氣溫升高的同時(shí)，降雨量會(huì)隨之減少，這一變化趨勢(shì)不具有典型性和一貫性。一定時(shí)間范圍內(nèi)，影響區(qū)域降雨量和氣溫變化的因素諸多，因此單純的研究氣溫對(duì)降雨量的影響趨勢(shì)只能得到片面的結(jié)論，需綜合考慮多方因素進(jìn)行研究。

(4)關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫的階段性變化趨勢(shì)也表明，20世紀(jì)80年代之前，關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫并未發(fā)生大的波動(dòng)；80年代初～90年代末，平均氣溫顯著升高、降雨量減少，氣候在這一時(shí)段內(nèi)呈“暖干型”變化；而進(jìn)入21世紀(jì)，氣候的變化又朝向“暖濕化”甚至是“冷濕化”發(fā)展[12-13]。在研究時(shí)段的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，關(guān)中的氣候經(jīng)歷了穩(wěn)定變化階段、“暖干型”變化階段和“暖濕化”變化階段。

(5)關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫的影響因素諸多，隨機(jī)性較強(qiáng)，在短時(shí)期內(nèi)不存在一貫的變化趨勢(shì)。對(duì)于關(guān)中地區(qū)降雨量而言，氣溫的變化并不是導(dǎo)致降雨量增減的主要原因，其他一些自然地理因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)之產(chǎn)生的影響不容忽視。在討論氣候變化的趨勢(shì)性是應(yīng)綜合多方因素進(jìn)行分析才能得到可靠的結(jié)論。

(6)該研究結(jié)論表明，氣候持續(xù)變暖、降雨量持續(xù)減少的氣候變化趨勢(shì)在關(guān)中地區(qū)缺少?gòu)?qiáng)有力的證據(jù)，氣候未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和影響因素還需多角度分析方能取得合理可靠的結(jié)論。該研究數(shù)據(jù)僅為50年，在氣候變化的漫長(zhǎng)時(shí)間中僅為一個(gè)小的片段，因此還需長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，才能獲得氣候變化較為可靠的發(fā)展趨勢(shì)。

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Temporal Variation of Temperature and Precipitation in Guanzhong Area

XIONG Guang-hong1,2

(1. Research Institute for Water and Development, Chang'an University, Xi’an, Shaanxi 710054; 2. Department of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054)

Based on the average temperature and precipitation data during 1961-2012 in Guangzhong area, the temporal variation of temperature and precipitation over the last 52 years were analyzed. The correlation properties of temperature and precipitation were studied. The result indicated temperature of this area was respectively increased in the past 52 years, but the precipitation showed no significant declining trend. The negative relationship of temperature and precipitation in the last 20 years of 20century to a typical negative correlation, other time had not significant correlation. Precipitation change was relevant with rising temperatures in the whole study period were unable to confirm. Periodical characteristics of temperature and precipitation form the periodic climate types. The steady period of climate type was from 1960s’ to 1980s’. From 1980s’ to the end of last century the climate type of Guanzhong area was “Warm-Dry”, and the climate type turn to “Warm-Humid” since entering the 21st century.

Guanzhong area; Precipitation;Temperature; Correlation; Climate types

“111”干旱半干旱地區(qū)水文生態(tài)及水安全學(xué)科創(chuàng)新引智基地項(xiàng)目(B08039);中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“防旱抗旱確保糧食及農(nóng)村供水安全戰(zhàn)略研究”。

熊光紅(1976-)，女，安徽無(wú)為人，講師，在讀博士，從事水資源管理研究。

2015-03-12

S 161.2

A

0517-6611(2015)11-192-03