關(guān)中地區(qū)降雨、氣溫動態(tài)演變特征分析

熊光紅

摘要 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，對近52年來該地區(qū)的降雨和氣溫的動態(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)以來關(guān)中地區(qū)氣溫顯著升高，降雨量無明顯趨勢性，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)鍵詞 關(guān)中地區(qū)；降雨；氣溫；相關(guān)性；氣候類型

中圖分類號 S161.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-192-03

自20世紀(jì)以來，全球氣溫升溫趨勢普遍，特別是進(jìn)入80年代以來，氣溫普遍升高引起的氣候、水文、生態(tài)環(huán)境等一系列問題已成為全球關(guān)注熱點(diǎn)。全球及我國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)以來全球氣溫普遍升高，進(jìn)而引起水汽循環(huán)過程的變化，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)，未來氣溫的變化趨勢如何，對區(qū)域降雨量將會產(chǎn)生怎樣的影響，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[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的發(fā)展趨勢等，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，對于偶爾缺失的數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)平均值或趨勢預(yù)測方法進(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明時(shí)間序列相關(guān)性特征。相關(guān)分析的計(jì)算過程采用統(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)變量之間不是簡單的線性相關(guān)關(guān)系，可采用回歸分析的方法研究兩變量之間相關(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。

灰色關(guān)聯(lián)分析方法主要用于確定2個(gè)變量之間隨時(shí)間變化過程中其變化趨勢是否具有一致性[7] ，也是進(jìn)行相關(guān)分析的便利工具之一?；疑P(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)間序列的變化過程中，2個(gè)變量的關(guān)聯(lián)程度或發(fā)展趨勢一致，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)展趨勢的相似或相異程度。

2 關(guān)中地區(qū)降雨和氣溫動態(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，線性減少速率為3.16 mm/10a，與全國[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。降雨量動態(tài)變化呈較明顯的階段性，第1階段（1961～1983年）降雨量波動平穩(wěn)、變化幅度不大；第2階段（1984～2012年）降雨量波動劇烈，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。由降雨量的動態(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)年均氣溫上升趨勢顯著，年均氣溫線性變化率高達(dá)0.44 ℃/10a（圖1b），高于我國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]。用滑動平均曲線消除動態(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，變化速率絕對值較??；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 降雨和氣溫的動態(tài)關(guān)系評價(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，研究二者的動態(tài)關(guān)系（圖2）。年降雨量與年均氣溫滑動平均曲線關(guān)系表明，1983年以前降雨量隨氣溫升高存在小幅增長趨勢；1983～1991年氣溫快速升高而降雨量無顯著變化；1991～2002年氣溫升高，降雨量大幅減少；2002年之后氣溫變動幅度不大或小幅下降，而降雨量快速又增長。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穩(wěn)定的相關(guān)特性，僅在90年代左右表現(xiàn)為逆勢增長。

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)絕對值>0.6；按年代來分析，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)段兩變量變化趨勢無明顯相關(guān)性。

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)氣溫超過多年平均值后，隨氣溫的升高，降雨量有小幅增加。

圖3 1961～2012年關(guān)中地區(qū)降雨與氣溫回歸關(guān)系

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，氣溫變化對降雨量并無一貫性的影響。

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明顯，氣溫較高區(qū)段，氣溫升高降雨量有所增加，兩者的動態(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平均水平[10]。與之相較，年均降雨量并無顯著的減少，這與全國近50年降雨量無明顯趨勢性變化的特征[8]一致，但與我國西北地區(qū)中部降水量有明顯減小趨勢的研究結(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)，降雨量會隨之減少，這一變化趨勢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降雨量的影響趨勢只能得到片面的結(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；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。對于關(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經(jīng)濟(jì)因素對之產(chǎn)生的影響不容忽視。在討論氣候變化的趨勢性是應(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在關(guān)中地區(qū)缺少強(qiáng)有力的證據(jù)，氣候未來發(fā)展趨勢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，在氣候變化的漫長時(shí)間中僅為一個(gè)小的片段，因此還需長時(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。

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責(zé)任編輯 陳玉敏 責(zé)任校對 李巖