1960年～ 2012年長(zhǎng)江下游流域氣候變化特征分析

周北平，薛華星，茍 尚，陳 挺，許曉珂，劉達(dá)寶

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院氣象臺(tái)，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺(tái)，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅蘭州730020；4.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081)

1960年～ 2012年長(zhǎng)江下游流域氣候變化特征分析

周北平1，薛華星2，茍 尚3，陳 挺4，許曉珂1，劉達(dá)寶2

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院氣象臺(tái)，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺(tái)，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅蘭州730020；4.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081)

利用1960年～2012年長(zhǎng)江下游地區(qū)34個(gè)氣象站逐日資料，采用線性回歸、bootstrap、Mann-Kendall檢驗(yàn)、樣條插值等方法，分析長(zhǎng)江下游地區(qū)的極端氣溫和極端降水的變化特征。結(jié)果表明，1987年后極端低溫日數(shù)開始減少，極端高溫日數(shù)開始增加，且極端高溫和極端低溫都呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，極端低溫的上升趨勢(shì)更為明顯；長(zhǎng)江下游極端降水頻次和強(qiáng)度存在明顯的年代際差異，2000年以后極端降水頻次有所減少但強(qiáng)度并未減弱。城市化對(duì)于城市降雨量的影響呈現(xiàn)出逐年變大的趨勢(shì)，也使得城市周邊地區(qū)的降水也出現(xiàn)一定的增大趨勢(shì)。

特征分析；氣候；極端氣溫；極端降水；變化趨勢(shì)；長(zhǎng)江下游流域

氣候變化背景下，長(zhǎng)江水系極端氣候、水文事件頻率和強(qiáng)度可能增加，加劇長(zhǎng)江水系水資源系統(tǒng)的脆弱性，影響現(xiàn)有水利工程和水災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)[1-2]。舒衛(wèi)民等[3]從三峽水庫(kù)降雨和徑流的相關(guān)分析得出徑流與降雨的相關(guān)性較好，降雨與徑流基本具有相同的變化趨勢(shì)的結(jié)論。郭堅(jiān)[4]對(duì)雅礱江錦屏二級(jí)水電站建立了局地氣候與海拔高程、河流水面寬度之間的關(guān)系方程。經(jīng)驗(yàn)證，三者具有較好的相關(guān)性。由于長(zhǎng)江水系遼闊，不同地區(qū)在地形、地理位置、氣候條件上的差異性明顯，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)江水系的不同區(qū)域范圍的氣候特征進(jìn)行研究主要集中在長(zhǎng)江上游、長(zhǎng)江中下游、江淮流域等較大區(qū)域范圍，單獨(dú)對(duì)長(zhǎng)江下游流域的極端氣候特征的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文利用長(zhǎng)江流域下游34個(gè)氣象站1960年～2012年的逐日降水資料，探究過去53年來長(zhǎng)江下游地區(qū)極端氣溫和極端降水的變化趨勢(shì)，并且以上海為例，探討城市化對(duì)長(zhǎng)江下游流域地區(qū)氣候特征的影響。

1 資料與方法

1.1 資料

長(zhǎng)江下游地區(qū)作為本文的研究區(qū)域包含江蘇全省、浙江杭嘉湖地區(qū)、上海市以及安徽省的合肥、蕪湖、滁州、馬鞍山和銅陵五個(gè)地級(jí)市所轄區(qū)域。所用資料為地面氣象觀測(cè)資料，來源于國(guó)家氣象信息中心，選取長(zhǎng)江下游地區(qū)共34個(gè)觀測(cè)站(站點(diǎn)分布圖略)，序列均一性都已經(jīng)過檢驗(yàn)。本文的研究時(shí)段為1960年1月1日到2012年10月31日共53年。

1.2 研究方法

氣候變化對(duì)水資源的影響主要表現(xiàn)為降水事件在時(shí)空分布上的不均勻性和不穩(wěn)定性以及氣溫升高導(dǎo)致的蒸散發(fā)量以及水文應(yīng)對(duì)氣候變化的脆弱性。因此，研究主要從極端氣溫和極端降水兩方面展開分析。

本文主要用到的方法有bootstrap[5]、Mann-Kendall[6-7]方法、一元線性回歸和樣條插值等方法；文中極端高溫、極端低溫、極端高溫日數(shù)、極端低溫日數(shù)都是本文定義的用于反映氣溫氣候變化的要素。對(duì)于極端高(低)溫，首先用bootstrap方法求出當(dāng)年日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，當(dāng)日平均氣溫大于日極端高溫(小于極端低溫)閾值時(shí)，即為日極端高溫(低溫)，然后對(duì)當(dāng)年的日極端氣溫做平均，得出當(dāng)年的極端高溫(低溫)；對(duì)于極端高溫(低溫)日數(shù)，首先用bootstrap方法求出所求年份的日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，然后根據(jù)閾值求得每年的極端高溫(低溫)日數(shù)；極端降水指數(shù)則選取極端降水頻次、極端降水總量和R95T。其中，R95T為Frich等[8]提出的定義降水極端的指數(shù)，表示超過95%百分位降水占總降水量的百分率，是極端降水量與降水量比值的百分?jǐn)?shù)。

城市化分析所用方法如下：首先將上海龍華站作為城市，吳縣東山站作為區(qū)域氣候背景；在計(jì)算上海龍華站(58367)和吳縣東山站(58358)的年平均降水量后，根據(jù)所得結(jié)果選取基準(zhǔn)年。其余年份與基準(zhǔn)年的變化值為該年平均降雨量變化率，因此城市化對(duì)上海降雨量的影響值ΔR可由下式[9]計(jì)算。即

ΔR=ΔRa-ΔRb

(1)

式中，ΔRa為上海龍華站各年份降水量與基準(zhǔn)年的變化值；ΔRb為吳縣東山站各年份降水量與基準(zhǔn)年的變化值。之后再計(jì)算上海龍華站年降水變化率ΔRax與吳縣東山站的年降水變化率ΔRbz，二者的差值得到增雨率ΔR=ΔRaz-ΔRbz。由此可由下式得到城市化對(duì)于降水增加的貢獻(xiàn)率

P=|ΔR/ΔRaz|×100%

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫的變化特征

本文對(duì)長(zhǎng)江下游流域的極端高溫日數(shù)、極端低溫日數(shù)、極端高溫和極端低溫4個(gè)要素進(jìn)行分析(見圖1)。

圖1 長(zhǎng)江下游流域地區(qū)極端氣溫日數(shù)的MK檢驗(yàn)

從圖1可以看出，極端高溫日數(shù)與極端低溫日數(shù)在1987年附近都有一個(gè)明顯的突變點(diǎn)，并且從極端高溫日數(shù)與極端低溫日數(shù)的變化趨勢(shì)看，其變化趨勢(shì)剛好是相反的，極端高溫日數(shù)在1987年以前沒有很明顯的變化，而1987年以后開始顯著增加，并且在2000年后通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，而極端低溫日數(shù)則相反，在1987年以前雖然也呈現(xiàn)變化不明顯的情況，但在1987年以后極端低溫日數(shù)開始顯著減少，并且在20世紀(jì)90年代初期就已經(jīng)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。由此也可以看出，全球變暖效應(yīng)在長(zhǎng)江下游流域地區(qū)的極端氣溫日數(shù)上有一致的體現(xiàn)。

圖2為長(zhǎng)江下游流域地區(qū)極端氣溫的年際變化及其線性回歸，可以看出，無論是極端高溫還是極端低溫，都有升高的趨勢(shì)，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。其中極端高溫最高的5年分別是2003年、1966年、2010年、1978年和2007年，而2000年以后占了3年，其中2003年達(dá)到了38°C以上；極端低溫最低的5年分別是1969年、1980年、1976年、1967年及1972年?？梢钥闯?，20世紀(jì)90年代以后極端低溫和高溫都偏高，而且其增長(zhǎng)趨勢(shì)也非常明顯。因此，從極端氣溫中也可看出，長(zhǎng)江下游流域的極端氣溫上升趨勢(shì)與全球變暖趨勢(shì)非常一致。

圖2 長(zhǎng)江下游流域地區(qū)極端氣溫的年際變化及線性回歸

2.2 降水的變化特征

由于前人對(duì)降水的研究較多，長(zhǎng)江下游流域地區(qū)降水的變化特征在這里僅作較為簡(jiǎn)略的概述。長(zhǎng)江下游流域地區(qū)的極端降水強(qiáng)度與極端降水頻次的年際變化較為相似，在20世紀(jì)60年代初期，極端降水強(qiáng)度與極端降水頻次都處于較大值，20世紀(jì)60年代后期到20世紀(jì)70年代初期卻都處于較小值。其中，1978年是1960年～2012年中降水最少的年份；20世紀(jì)80年代初期極端降水強(qiáng)度和頻次均處于上升期，80年代末期到90年代初期呈現(xiàn)先下降后上升的走勢(shì)；20世紀(jì)90年代中后期以后到21世紀(jì)的2012年極端降水頻次變化幅度較小，而極端降水強(qiáng)度在2005年以及2007年有較大值。

近53年來R95T的變化與極端降水量、極端降水頻次具有較為相似的年際變化特點(diǎn)(見圖3)。R95T較大年份與極端降頻次、極端降水量較大年份相對(duì)應(yīng)，其最小值為1978年的21.5%，最大值為1962年的41.2%。53年中R95T的變化傾向率為0.7%/10a，并通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。這些說明長(zhǎng)江下游流域地區(qū)的降水正變得更為異常。

圖3 長(zhǎng)三角地區(qū)R95T的時(shí)間變化曲線

2.3 城市化對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)

城市化改變了城市下墊面熱力和動(dòng)力性質(zhì)，從而對(duì)局地的氣溫、降水等氣候因素產(chǎn)生影響。上海市是我國(guó)的特大城市，城市化率全國(guó)最高，是城市化效應(yīng)影響最為明顯的城市之一。本文采用城郊對(duì)比法，選取上海龍華站作為城市化效應(yīng)最明顯的代表站，選取同緯度距離較近的東山站作為城市化效應(yīng)不明顯的對(duì)比站，討論城市化對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)。

2.3.1 城市化對(duì)氣溫變化的貢獻(xiàn)

由東山站和上海龍華站的高溫日數(shù)、極端高溫、低溫日數(shù)、極端低溫的年際變化可以看出(見圖4)，郊區(qū)與市區(qū)站有比較一致的波動(dòng)和年際變化規(guī)律；變化趨勢(shì)上市區(qū)站的升溫趨勢(shì)更為顯著，氣候傾向率也明顯大于郊區(qū)站。

高溫日數(shù)、極端高溫在20世紀(jì)80年代以前市區(qū)站基本低于郊區(qū)站，而從80年代開始市區(qū)站便逐漸追平郊區(qū)站并在90年代開始超過郊區(qū)站，2000年以后市區(qū)站與郊區(qū)站的差距不斷擴(kuò)大；極端低溫日數(shù)在20世紀(jì)60年代到80年代市區(qū)站基本高于郊區(qū)站，90年代開始市區(qū)站低溫日數(shù)減少的速率加快并在2000年以后已基本低于郊區(qū)站；極端低溫表現(xiàn)上，市區(qū)站20世紀(jì)80年代以前都基本低于郊區(qū)站，隨著時(shí)間變化兩者之差不斷縮小，到20世紀(jì)90年代以后市區(qū)站和郊區(qū)站的極端氣溫變化幾乎同步。

由此可知，上海城市化效應(yīng)對(duì)極端高溫和極端低溫都有影響。假設(shè)東山的極端氣溫變化為氣候背景變化的結(jié)果，則城市化效應(yīng)使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現(xiàn)為市區(qū)站高溫日數(shù)、極端高溫和極端低溫上升速率快于郊區(qū)站，低溫日數(shù)下降速率快于郊區(qū)站(見表1)。

從上海城市化效應(yīng)所引起的高溫日數(shù)、極端高溫、低溫日數(shù)以及極端低溫的年際變化(圖略)可知，20世紀(jì)80年代以后城市化效應(yīng)引起的高溫日數(shù)和極端高溫上升最為明顯和穩(wěn)定，低溫日數(shù)減少最明顯的時(shí)段也是在這一時(shí)期內(nèi)，正好對(duì)應(yīng)上海市高速發(fā)展期。由計(jì)算結(jié)果可知上海城市化效應(yīng)所引起的氣候傾向率(見表1)。近53年間，由于上海的城市化效應(yīng)使得上海的高溫日數(shù)增加了18.5 d，極端高溫上升了2.8 ℃，低溫日數(shù)減少了18.5 d，極端低溫上升了1.1 ℃。由此計(jì)算出城市化效應(yīng)所引起的氣候傾向率變化分別占總體變化的85%、77%、61%和37%。

圖4 郊區(qū)東山站和市區(qū)龍華站的極端溫度年際變化

高溫日數(shù)趨勢(shì)/d·(10a)-1極端高溫趨勢(shì)/℃·(10a)-1低溫日數(shù)趨勢(shì)/d·(10a)-1極端低溫趨勢(shì)/℃·(10a)-1氣候傾向率4.10.66-5.70.51城市化效應(yīng)引起的氣候傾向率3.50.51-3.50.19

2.3.2 城市化對(duì)降水變化的貢獻(xiàn)

從1956年到2012年的年平均降水值可以看出，城市降雨量隨時(shí)間的變化與區(qū)域背景降雨量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)還是有些許差別。上海龍華站的降水量隨著年代的推移而逐漸增加，尤其是到了1990年以后漲幅明顯增加。吳縣東山站的降水量在1966年至1970年達(dá)到年際變化最低值，之后逐漸上升，在1996年至2000年達(dá)到峰值，而后又下降，總體呈現(xiàn)隨年代波動(dòng)增加。另外，上海龍華站的年降水量自1970年之后，在2000年至2005年達(dá)到峰值，年均漲幅為9.67 mm/a，而吳縣東山站自1970年后至達(dá)到降水量峰值的年均漲幅為10.61 mm/a。因此，從年均降水量來分析，上海城市和區(qū)域氣候背景降水量從1970年開始都有了明顯的增幅。

為了進(jìn)一步來探究城市化發(fā)展對(duì)城市降水量的影響，通過各年份與基準(zhǔn)年的變化值得出城市化對(duì)上海城市化的影響，圖5給出了城市化和區(qū)域氣候背景對(duì)上海城市降水量的影響。由圖5可看出，1960年到1970年間城市化與區(qū)域氣候背景對(duì)降雨量的影響都為負(fù)效應(yīng)，而1980年后城市化與區(qū)域氣候背景對(duì)城市降雨量的影響逐漸為正效應(yīng)。這與20世紀(jì)80年代改革開放后，城市的迅速發(fā)展有關(guān)。同時(shí)，吳縣東山站，也就是區(qū)域氣候背景的影響明顯要高于城市化。這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)江下游流域地區(qū)這樣一個(gè)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)區(qū)域，其周邊農(nóng)村郊區(qū)的城市化進(jìn)程相較于已經(jīng)發(fā)展起來的大城市是稍快的，因此對(duì)于城市降水也會(huì)有很大的影響。尤其是在20世紀(jì)90年代，在圖中也得到了對(duì)應(yīng)。

圖5 1956年至2012年上海城市化和區(qū)域氣候?qū)邓康挠绊?/p>

通過式(1)計(jì)算得出了城市化影響對(duì)上海降雨量的影響值，再將其進(jìn)行線性擬合得到了如圖6所示的結(jié)果。從圖6可以明顯看出，城市化對(duì)于城市降雨量的影響呈現(xiàn)出逐年變大的趨勢(shì)，尤其是1975年以后，影響值大于零，這與年均降水量的統(tǒng)計(jì)表格也有很好的對(duì)應(yīng)。與此同時(shí)通過對(duì)增雨率的計(jì)算顯示，城市化對(duì)于降雨量的增加也起著很大的作用，降雨量的增加比例逐年增加，增雨率以大約1.3%的速率逐年遞增。通過式(2)又得到城市化對(duì)降水量的貢獻(xiàn)值為40.01%。

圖6 城市化影響值及其擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

溫帶地區(qū)水文情勢(shì)對(duì)溫度、降水的變化都較敏感，研究長(zhǎng)江下游流域地區(qū)極端氣溫和極端降水的氣候特征能夠?yàn)殚L(zhǎng)江下游流域地區(qū)的水利工程、合理開發(fā)利用氣候資源等提供科學(xué)依據(jù)。因此，本文根據(jù)長(zhǎng)江下游流域地區(qū)1960年～2012年逐日資料，對(duì)長(zhǎng)江下游流域地區(qū)的極端氣候進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)極端低溫日數(shù)在1987年后開始減少，極端高溫日數(shù)在1987年后開始增加，并且極端高溫和極端低溫都呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，極端低溫的上升趨勢(shì)更為明顯。

(2)極端降水頻次和強(qiáng)度存在明顯的年代際差異，20世紀(jì)60年代初期到70年代初極端降水事件減少、強(qiáng)度減弱，80年代后期兩者都緩慢上升，2000年以后極端降水頻次有所減少但強(qiáng)度并未減弱，降水變得更為異常。

(3)20世紀(jì)80年代以前上海市區(qū)的高溫日數(shù)和極端高溫低于上海郊區(qū)，從80年代開始市區(qū)高溫日數(shù)和極端高溫開始超過郊區(qū)站，2000年以后差距不斷擴(kuò)大；可以看出，城市化效應(yīng)使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現(xiàn)為市區(qū)高溫日數(shù)、極端高溫上升速率快于郊區(qū)。

(4)從降水上看，1960年到1970年之間城市化與區(qū)域氣候背景對(duì)降雨量的影響都為負(fù)，在1980年后城市化與區(qū)域氣候背景對(duì)城市降雨量的影響逐漸為正效應(yīng)。可以看出，城市化對(duì)于城市降雨量的影響呈現(xiàn)出逐年變大的趨勢(shì)，使得城市周邊地區(qū)的降水也出現(xiàn)一定的增大趨勢(shì)。

[1] 夏軍, 劉春蓁, 任國(guó)玉. 氣候變化對(duì)我國(guó)水資源影響研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2011, 26(1)： 1- 12．

[2] 彭輝, 劉帥, 馬國(guó)棟. 極端降水條件下土石壩漫壩風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 水力發(fā)電, 2015, 41(8)： 30- 35．

[3] 舒衛(wèi)民, 李秋平, 王漢濤, 等. 氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)三峽水庫(kù)入庫(kù)徑流特性影響分析[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(11)： 29- 33．

[4] 郭堅(jiān). 雅礱江錦屏二級(jí)水電站局地氣候影響分析[J]. 水力發(fā)電, 2008, 34(8)： 1- 7．

[5] EFRON B. 1979: Bootstrap methods: Another look at the Jackknife[J]. The Annals of Statistics, 1979, 7(1): 1- 26．

[6] MANN H B. Nonparametric Tests Against Trend[J]. Journal of the Econometric Society, 1945, 133(3)： 245- 259．

[7] KENDALL M G. Rank Correlation Methods[R]. London: Griffin Press, 1970．

[8] FRICH P, ALEXANDER L V, DELLA-MARTA P M, et al. Observed coherent changes in climatic extremes during the second half of the twentieth century[J]. Climate Research, 2002, 19: 193- 212.

[9] 王麗娟, 查良松. 鄭州市50年來的氣候變化及城市化對(duì)其貢獻(xiàn)率[D]. 蕪湖： 安徽師范大學(xué), 2010.

CharacteristicsofExtremeClimateinDownstreamCatchmentofYangtzeRiverduring1960-2012

ZHOU Beiping1, XUE Huaxing2, GOU Shang3, CHEN Ting4, XU Xiaoke1, LIU Dabao2

(1. Weather Forecast Training Center, Institute of Atmospheric Sciences, NUIST, Nanjing 210044, Jiangsu, China;2. Meteorological Observatory of Shenzhen Air Traffic Management Station, Shenzhen 518128, Guangdong, China;3. Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, Gansu, China;4. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)

The daily temperature and precipitation data of 34 meteorological stations during 1960-2012 in downstream catchment of Yangtze River are based to analyze the characteristics of extreme temperature and precipitation in downstream catchment of Yangtze River by using linear regression, bootstrap, Mann-Kendall test and spline interpolation method. The results show that: (a) the extreme low temperature days began to decrease and the extreme high temperature days began to increase after 1987, the extreme high temperature and extreme low temperature also has a significant upward trend and the extreme low temperature trend is more obvious; (b) the frequency and intensity of extreme precipitation has significant diffidence between decades, the frequency of extreme precipitation after 2000 has decreased but the intensity has not weakened; and (c) the impact of urbanization on urban rainfall is increasing year by year, and the precipitation in surrounding areas of city is also increasing．

characteristics analysis; climate; extreme temperature; extreme precipitation; variation tendency; downstream catchment of Yangtze River

P446

A

0559- 9342(2017)09- 0026- 05

2017- 01- 04

中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心項(xiàng)目(KLAS201103)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 41005047)

周北平(1982—)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，主要從事多元資料融合與分析； 薛華星(通訊作者)．

(責(zé)任編輯陳 萍)