近50年來河南省氣溫和降水時空變化特征分析

史佳良, 王秀茹, 李淑芳, 李 寧

(北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083)

近50年來河南省氣溫和降水時空變化特征分析

史佳良, 王秀茹, 李淑芳, 李 寧

(北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083)

在全球變暖大背景下，對河南省近50年來氣溫和降雨的時空變化與突變特征進行了分析研究?；诤幽鲜?7個氣象站1965—2014年的日平均氣溫和逐日降水資料，采用氣候傾向率法、累積距平法、Mann-Kendall秩相關檢驗、Morlet小波分析、Kriging空間插值等方法，分析研究了河南省近50年來的氣溫和降水量時空變化特征。河南省近50年來平均氣溫總體呈增暖趨勢，氣候傾向率為0.19℃/10 a(p<0.01)，春季升溫最快，秋冬次之，夏季氣溫趨勢反而略有下降，年均氣溫在80—90年代有短暫下降，90年代后開始變暖；河南省降水量整體略呈增加趨勢，但變化趨勢不明顯，氣候傾向率為2.8 mm/10 a(p>0.05)，夏季降水量增加較快，春秋降雨量略有減少。近50 a來年降雨量經歷了增—減—增—減的變化，60年代到80年代增加，80年代到90年代中旬減少，90年代到21世紀初再次增加，2003年至今持續(xù)減少。河南省氣溫存在27年的強顯著周期，此外還有15 a的周期變化；而降水量則存在12 a的顯著周期，此外還有5 a和30 a的周期?？臻g分布上，氣溫有東南高西北低的特點，且中部升溫更快；降水量則南多北少，南部有減少趨勢，中部、東部有增多趨勢。

降水量; 氣溫; 空間插值; 河南省

氣候問題是全人類共同面對的問題，氣候變化趨勢與影響也是當今多個學科關注的焦點。氣溫與降水量是主要的氣候因子，研究其時空變化特征有著重要的意義。IPCC第五次評估報告中也指出，1880—2012年全球平均溫度已升高0.85℃；過去30 a內，每10 a地表溫度的增暖幅度高于1850年以來的任何時期[1]。1998—2012年，全球地表平均氣溫上升速度為0.05℃/10 a，低于1951年來0.12℃/10 a的平均升溫[2]。而中國地區(qū)氣溫也存在持續(xù)變暖的趨勢[3-5]，降水量變化則具有明顯的地域性差異[6]，近50 a來華北降水呈減少趨勢，尤其是20世紀70年代以來華北地區(qū)降水減少更加明顯[7]。

河南省是我國糧食主產地，近年來對河南省氣候變化的研究也在廣泛開展，李樹巖等基于CI指數對河南近40 a的干旱特征進行了統(tǒng)計分析[8]；常軍等分析了近50 a來河南省區(qū)域年最高、最低氣溫及日較差的時空變化特征[9]。李藹恂等對河南省春季和秋季降水量的時空變化特征進行了研究，闡述了河南省降水量分布空間特征明顯[10]；吳作明等研究了河南省降雨侵蝕力時空變異特征，認為其沒有明顯的年際周期性規(guī)律[11]；趙路偉等則得到河南省近54 a來降水量在波動中略微有減少的趨勢，中東部降水增加，西北和豫南地區(qū)降水明顯減少[12]。

本文通過對均勻分布在河南省內的17個氣象站1965—2014年的日平均氣溫和日降水量數據為基礎，選取氣候傾向率法、Mann-Kendall突變檢驗法、累積距平法、Morlet小波分析與ArcGIS克里格空間插值法，研究河南省1965—2014年氣溫、降水的時間維度趨勢變化與空間維度分布變化，重點研究其趨勢性、突變性、周期性與分布性的變化規(guī)律，進一步完善對河南省乃至中原地區(qū)氣候變化的研究，更加了解河南省多年氣候變化，尤其是氣溫與降水量的時空變化特征，利于全面了解該地區(qū)的水文及生態(tài)，對當地農業(yè)發(fā)展有一定的指導意義。

1 材料與研究方法

1.1 數據來源

本文數據來源于國家氣象中心提供的中國地面氣候資料日值數據集，挑選河南省內擁有完整時間序列氣象資料的17個站點，選取1965年1月1日到2014年12月31日的日平均氣溫與日降水量數據，缺測值由臨近點空間插值，采用算數平均法補齊。通過累計偏差法對17個站點氣溫、降雨資料進行一致性檢驗，置信度為95%。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率法 利用R語言建立氣候變量y與時間t之間的一元線性回歸模型，模型式中回歸系數b用最小二乘法估計，b×10即氣候傾向率，單位為℃/10 a或mm/10 a，在R語言中可直接由線性擬合命令(lm)得到，再由方差分析命令(anova)得到F檢驗的p值，用于判斷氣候傾向率的顯著性水平。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗與累積距平法

(1) Mann-Kendall檢驗法在時間序列數據趨勢檢驗中使用廣泛，屬于非參數檢驗方法，不需要數據遵從一定分布，不受少數極端或異常氣候值干擾，檢驗范圍較寬、定量化程度高，尤其在水文和氣象領域的趨勢分析和突變性檢驗中廣泛應用，詳細步驟如Yue等所述[13]。

(2) 累積距平法能夠更加直觀準確地判斷年際變化階段，在氣候分析中應用廣泛[14]。

1.2.3 Morlet小波分析法 在對氣象、水文等時間序列數據的基本刻畫中，常常需要揭示其多時間尺度的特征[15]，小波分析具有多分辨率功能，可深刻闡述時間序列時間尺度特征與突變性和趨勢性。目前小波分析有很多小波函數可以選用，而Morlet小波更是被廣泛應用在氣象、水文領域。本文采用Morlet小波分析法對河南省近50 a年均氣溫和年降水量的變化周期、突變點位置與位相結構進行研究，詳細步驟見有關文獻[16-17]。

1.2.4 克里格(Kriging)空間插值法 空間插值法常用于將離散點的測量數據轉換為連續(xù)的數據曲面，可對研究區(qū)內未知點數據進行預測[18]。而在對于氣象數據插值的對比中，彭彬等認為普通克里格插值法要優(yōu)于反距離權重法(IDW)和樣條插值法(Spline)[19]。本文采用ArcGIS空間分析工具中的Kriging插值法對河南省近50 a來氣溫、降水的空間變化趨勢進行研究。

2 結果與分析

2.1 氣溫與降水歷年變化特征分析

近50 a來河南省平均氣溫為14.56℃，在1974年的13.59℃到2013年的16.01℃之間變化，氣候傾向率0.19℃/10 a(p<0.01)，高于全球近50 a 0.13℃/10 a的變暖趨勢，略低于中國增暖速率0.22℃/10 a。由多項式擬合[17]曲線(圖1)看出，年均氣溫在80—90年代有下降趨勢，而后恢復到平均增速，波動上升。四季氣候傾向率見表1。春季(3—5月)氣溫增速最快，為0.35℃/10 a，秋季(9—11月)和冬季(12—2月)分別為0.26℃/10 a和0.25℃/10 a，夏季(5—8月)氣溫反而略呈下降趨勢，為-0.11℃/10 a。由表1可看出局部氣溫變化波動較大，如1995—2004年四個季節(jié)的氣溫傾向率絕對值均超過1℃/10 a，遠超過50 a總體變化值。

圖1 河南省歷年氣溫及分季降水量變化

近50 a來河南省平均年降水量為735.94 mm，在1966年的477.85 mm到2003年的1 063.05 mm之間波動，略有上升，氣候傾向率2.86 mm/10 a(p>0.05)，高于全國降水量變化趨勢。由圖1可看出，年降水量經歷了增—減—增—減的變化，在80—90年代有下降趨勢，到21世紀初波動回升，2003年之后有下降趨勢。同時可以看出年降水量與夏季降水量呈高度相關，利用R語言做年降水量與夏季降水量的線性相關分析，二者的Pearson相關系數為0.751 (p<0.01)，為強相關，從圖中多項式擬合曲線也可看出二者的變化趨勢高度相同，可見河南省歷年年降水量的多少主要由夏季降水量所決定。由表1可得，河南省四季降水量變化均較小，氣候傾向率值為：春季1.49 mm/10 a，夏季6.21 mm/10 a，秋季-1.87 mm/10 a，冬季0.01 mm/10 a，但年際、年代際降水量波動劇烈，年均最高達到2003年的1 063.05 mm，最低為1966年477.85 mm，相差585.21 mm，年代波動最為劇烈的是1975—1984年的221.59 mm/10 a，其中夏季降水量波動最為劇烈，秋季次之，春冬兩季降水量波動較小，尤其需要注意的是近10 a來降水量減幅較大，為-185.49 mm/10 a。

表1 河南省歷年分季氣溫、降水氣候傾向率

注：表格內前者為氣溫傾向率，后者為降水傾向率，單位分別為℃/10 a和mm/10 a。

2.2 氣溫與降水突變性分析

年均氣溫的Mann-Kendall突變性檢驗結果(圖2A)顯示，UF曲線在60—90年代趨勢基本平穩(wěn)，呈波動狀態(tài)，在1997—2000年與UB曲線相交，交點位于 1.96的95%信度區(qū)間內，說明M-K分析1997年為突變年，并在此后呈上升趨勢，到2008年超過置信水平，變暖趨勢更為顯著。而由累積距平分析則看出(圖2C)氣溫累積距平大體上經歷了先減后增的過程，1965—1993年呈略有下降趨勢，1994—2014年呈明顯的上升趨勢，1990—2014年氣溫變化的氣候傾向率為0.41℃/10 a(p<0.01)，遠超過近50 a的0.19℃/10 a。曲線在1979年和2000年附近有所上升也說明河南省歷年氣溫變化波動較大，且這種波動在90年代及之后更加劇烈。結合M-K法和累積距平法的結果與分析，河南省平均氣溫在90年代發(fā)生了突變，在劇烈波動中加速變暖。

由圖2B年降雨量的Mann-Kendall突變檢驗曲線可以看出，UF曲線在60—80年代呈上升趨勢，并在1982年超過置信水平，在80—90年代呈下降趨勢，并在90年代末至今又完成了一輪上升再下降的過程。其中UF與UB相交，發(fā)生突變的年份有1975年(增多)，1986年(減少)，1994年(增多)。整體的M-K趨勢分析曲線并沒有超過95%信度線，說明河南省降水量近50 a來變化趨勢并不顯著，這與張一馳[20]等的結論相似。而由圖2D降水量累積距平分析看出，在1982年、2003年降水量發(fā)生了由少到多的突變，在1986年、2011年發(fā)生了由多到少的突變。整個降水量累積距平曲線并沒有像氣溫那樣明顯的變化趨勢，但波動值較大。

圖2 河南省歷年氣溫及降水量M-K突變檢驗與累積距平值

2.3 氣溫與降水周期特征分析

圖3為河南省近50 a年均氣溫與降水量距平序列Morlet小波變換實部的時頻變化，從圖中可得河南省近50 a年均氣溫與降水量的變化周期、突變點位置與位相結構變化。實線為正值，表明氣溫或降水量值偏高；虛線為負值，表明氣溫或降水量值偏低。由圖3A可看出，年均氣溫26～30 a的時間尺度變化明顯，中心時間尺度在27 a附近，為第一主周期，震蕩中心在1990年，正負位相以10 a左右為周期交替出現；13～16 a的周期變化也較為明顯，中心尺度為14 a，正負位相以7 a為周期交替出現；其余周期表現則較弱。同時，對年均氣溫距平序列Morlet小波變換的模平方進行時頻分布處理，可得平均氣溫突變點中心位置為1990年，結合上文M-K突變檢測與累積距平分析結果，認同河南省年均氣溫在90年代發(fā)生突變的判斷。圖3B顯示年降水量10～14 a的時間尺度變化最為顯著，中心時間尺度在12 a附近，第一主周期，震蕩中心在1987年，正負相位以4 a為周期交替出現，這一結論與與孫衛(wèi)國等[21]的研究結果類似；另外3～6 a的周期也較為明顯，中心時間尺度為5 a，震蕩中心有兩個，分別為1965年和1998年，正負位相3 a交替出現，此周期說明河南省降水局部波動劇烈，增減變化快；另外從圖中還能看出30～32 a的周期變化，此周期較為平均，貫穿始終；其余周期表現則較弱。對年降水量距平序列Morlet小波變換的模平方進行時頻分布處理，可得年降水量突變點中心位置為多個，1966年、1986年、2000年、2011年左右，可與上文累積距平分析和M-K突變檢測所得結果互相參考。

2.4 氣溫與降水空間變化分析

本文對河南省近50 a年均氣溫和年降水量進行克里格空間插值，得到其空間分布變化見圖4。由圖4A可看出河南省氣溫空間分布具有西北低東南高的特征，結合河南省地形因素，即西部、西北部分屬伏牛山、太行山地區(qū)，氣溫較東南平原而言，平均相差1.16℃。尤其是豫西地區(qū)，最低年均氣溫為欒川12.29℃，這也符合欒川地區(qū)海拔較高、森林覆蓋率較大的推斷。而河南省東部中部平原地區(qū)，氣溫空間分布則由北到南逐漸變暖，14.5℃等溫線向北彎曲包含鄭州、開封等地，說明其年均氣溫也高于同緯度的平原地區(qū)。由圖4B可以看出，近50 a河南省全部地區(qū)平均氣溫均有所增長，且中部平原不同等溫線上的地區(qū)，其由南到北增速也較為均勻，說明氣溫變暖是一個整體的趨勢，而不是局部的波動，這也符合全球變暖的大趨勢。圖中顯示河南省升溫最快的是以鄭州、開封、新鄉(xiāng)為中心的中部地區(qū)，其中變暖最快的是鄭州，達到0.379℃/10 a，遠超過全省0.19℃/10 a的平均水平，這或許與該地區(qū)城市化發(fā)展速度高于河南省其他地區(qū)有關[22]。而變暖較慢的是豫西地區(qū)，其中年均氣溫增幅最小的是盧氏，氣候傾向率僅有0.083℃/10 a。

河南省年降水量的空間分布則基本呈現南高北低的趨勢(圖4C)，地區(qū)降水分布不均勻，南部最高的信陽(1 094.21 mm)比北部最低的安陽(542.85 mm)高出551.36 mm。而年降水量的變化趨勢則剛好與之相反，反而是南部年降水量最多的地區(qū)近50 a來降水量呈現出減少的趨勢，信陽的氣候傾向率達到-13.62 mm/10 a；而中部、東部平原地區(qū)的年降水量則增幅最大，最高達到西華的20.97 mm/10 a。由圖4D中也可看出，河南省年降水量變化幅度也較為劇烈，所測17個站點中就有11個站點的降水量氣候傾向率絕對值大于全省平均值2.86 mm/10 a。

圖3 河南省歷年氣溫及降水量Morlet小波分析實部時頻分布

圖4 河南省氣溫、降水量及其變化趨勢空間分布

3 結 論

(1) 河南省近50 a氣溫有顯著的上升趨勢，其氣候傾向率為0.19℃/10 a(p<0.01)，同時氣溫變化局部波動較大。從季節(jié)上看，春季氣溫增速最快，秋冬季次之，夏季氣溫反而有下降趨勢。從年代上看，只有80—90年代氣溫增速有過放緩的趨勢，其余時段氣溫則保持波動上升趨勢。

(2) 河南省近50 a降水量整體變化幅度不大，氣候傾向率為2.86 mm/10 a(p>0.05)，但年降水量變化波動劇烈。從季節(jié)上看，年降水量與夏季降水量呈高度相關，其余三個季節(jié)的降水量波動平緩。從年代上看，河南省近50 a降水量經歷了增—減—增—減的變化過程，1965—1975年增多，1975—1990年減少，1990—2005年增多，2005年至今持續(xù)減少。

(3) 河南省近50 a氣溫與降水量的突變性分析，則主要由Mann-Kendall突變檢驗法和累積距平法完成，Morlet小波分析也可作為參考。氣溫發(fā)生突變的時間，由M-K法定位在1997年，累積距平法定位在1993年，小波分析定位在1990年，所以可確定河南省近50 a氣溫突變發(fā)生的時間為20世紀90年代；降水量的突變點由M-K法定位在1975年、1986年、1994年，累積距平法定位在1982年、2003年，小波分析則定位在1966年、1986年、2000年、2011年，但由于河南省年降水量變化趨勢較小，且波動劇烈，三種方法并沒有得出一個準確的統(tǒng)一的發(fā)生突變的時間點或時間段。

(4) 由Morlet小波分析結果可見，河南省氣溫變化有著27 a左右的第一周期，除此之外，也有14 a左右的變化周期；降水量的變化則有著12 a左右的第一周期，與其他5 a和31 a的變化周期。

(5) 本文用ArcGIS克里格空間插值法對河南省氣溫、降水量空間特征進行了分析。河南省氣溫呈西北低東南高的分布，中部地區(qū)平均氣溫向較高方向傾斜，同時中部地區(qū)氣溫增速最快，豫西地區(qū)增速最慢；降水量則呈由南到北逐漸減少的空間分布，南北降水量相差較大，而空間變化趨勢則與降水量分布相反，南部明顯減少，中部、東部明顯增多。

[1] IPCC. Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assesment Report, Climate Change2013:ThePhysical Science Basis:Summary for Policymakers. [R/OL]. [2013.10.28]. http:∥www. climatechange2013. org/images/uploads/WGIAR5 SPM _Approved27 Sep2013. pdf.

[2] 沈永平,王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J].冰川凍土,2013,35(5):1068-1076.

[3] 王澄海,李健,許曉光.中國近50年氣溫變化準3年周期的普遍性及氣溫未來的可能變化趨勢[J].高原氣象,2012,31(1):126-136.

[4] 姚宜斌,雷祥旭,張良,等.青藏高原地區(qū)1979～2014年大氣可降水量和地表溫度時空變化特征分析[J].科學通報,2016(13):1462-1477.

[5] 袁再健,沈彥俊,褚英敏,等.海河流域近40年來降水和氣溫變化趨勢及其空間分布特征[J].水土保持研究,2009,16(3):24-26.

[6] 任國玉,柳艷菊,孫秀寶,等.中國大陸降水時空變異規(guī)律.Ⅲ:趨勢變化原因[J].水科學進展,2016,27(3):327-348.

[7] 郝立生,丁一匯.華北降水變化研究進展[J].地理科學進展,2012,31(5):593-601.

[8] 李樹巖,劉榮花,師麗魁,等.基于CI指數的河南省近40 a干旱特征分析[J].干旱氣象,2009,27(2):97-102.

[9] 常軍,王紀軍,潘攀,等.近50年來河南最高最低氣溫的非對稱性變化特征[J].中國農業(yè)氣象,2011,32(1):1-5.

[10] 李藹恂,肖輝,周筠珺,等.河南省春季和秋季降水時空變化的特征研究[J].氣候與環(huán)境研究,2012(6):884-896.

[11] 吳明作,何瑞珍,安樹青,等.河南省降雨侵蝕力時空變異特征[J].中國水土保持科學,2012,10(3):22-28.

[12] 趙路偉,徐剛.河南省1961—2014年氣溫和降水量的時空變化特征[J].南水北調與水利科技,2016(3):17-23+54.

[13] Yue S, Pilon P, Cavadias G. Power of the Mann-Kendall and Spearman′s rho tests for detecting monotonic trends in hydrological series[J]. Journal of Hydrology, 2002,259(1):254-271.

[14] 賀偉,布仁倉,熊在平,等.1961—2005年東北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢[J].生態(tài)學報,2013,33(2):519-531.

[15] 劉世薇,周華榮,梁雪瓊,等.艾比湖流域降水與徑流變化特征分析[J].水土保持學報,2011,25(5):21-25.

[16] 水文小波分析[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[17] Yi H, Shu H. The improvement of the Morlet wavelet for multi-period analysis of climate data[J]. Comptes Rendus Geoscience, 2012,344(10):483-497.

[18] 姚雪玲,傅伯杰,呂一河,等.基于GIS和統(tǒng)計模型的黃土丘陵溝壑區(qū)土壤水分插值方法[J].水土保持學報,2013,27(6):93-102.

[19] 彭彬,周艷蓮,高蘋,居為民.氣溫插值中不同空間插值方法的適用性分析:以江蘇省為例[J].地球信息科學學報,2011,13(4):539-548.

[20] 張一馳,吳凱,于靜潔,等.華北地區(qū)1951—2009年氣溫,降水變化特征[J].自然資源學報,2011,26(11):1930-1941.

[21] 孫衛(wèi)國,程炳巖.湖南省近50年來旱澇變化的多時間多尺度分析[J].南京氣象學院學報,2000,23(2):251-255.

[22] 周雅清,任國玉.華北地面氣溫變化趨勢中城市化影響的識別[C]//中國氣象學會2007年年會氣候變化分會場論文集.廣州:氣象出版社,2007.

VariationCharacteristicsofAirTemperatureandPrecipitationinHe′nanProvinceinRecent50Years

SHI Jialiang, WANG Xiuru, LI Shufang, LI Ning

(SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Under the background of global warming, the temporal and spatial variation of air temperature and precipitation in He′nan Province in recent 50 years were analyzed. Based on the daily average air temperature and daily precipitation data observed at 17 meteorological stations covering He′nan Province， the characteristics of climate changes from 1965 to 2014 were analyzed with the methods of climate tendency rate， cumulative anomaly method， Mann-Kendall test, Morlet wavelets analysis method and Kriging interpolation and so on. The results show that the average air temperature of He′nan Provincer showed the upward trend in recent 50 years， of which the climate tendency rate is 0.19℃/decade (p<0.01). As for the seasonal temperatures， the temperature in summer was the only one that showed a declining trend， the others showed increasing trends， and the tendency rate in spring was the highest. The decade change of temperature showed that the average temperature during 1980 to 1990 dropped a little， and then it started to go up；the annual precipitation showed an overall upward trend， but the trend was not significant, it increased by 2.8 mm/decade (p>0.05), the summer precipitation increased faster， the spring and autumn precipitation decreased a little. Over the past 50 years， the precipitation was rising from 1960s to 1980s， and then declining from 1980s to the middle 1990s， after that it went up again until the 21th century， and since 2003 the precipitation has continued to decrease. The result of Morlet wavelets analysis showed that the temperature of He′nan Province fluctuated significantly with the 27-year interval， and the other 15-year interval can also be seen；the precipitation fluctuated with the 12-year interval, accompanied by other 5-year and 30-year intervals. As for spatial distribution， the temperature of southeastern He′nan Provincer was higher than that of the northwestern area， and the central region has been warming faster； the precipitation in the south was richer than that in the north， but it also has a decreasing trend in the south， the precipitation in the central and eastern region showed an upward trend.

precipitation; air temperature; Kriging interpolation; He′nan Province

2016-06-22

：2016-06-29

水利部公益性行業(yè)科研專項(201401001)

史佳良(1990—),男,河南洛陽人,在讀碩士,主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E-mail:376852612@qq.com

王秀茹(1957—),女,河北保定人,教授,博士生導師,主要從事流域管理、水資源及農田水利等研究。E-mail: wang-xr@163.com

P468

：A

：1005-3409(2017)03-0151-06