近50年湖北省氣溫、降水量變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征研究

崔 楊,崔利芳

(1.黃岡師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院,湖北 黃岡 438000;2.安徽師范大學(xué)附屬鄭蒲港學(xué)校，安徽 馬鞍山 238100)

隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，氣候變化已經(jīng)成為全球變化不可缺少的一部分，氣候變化嚴(yán)重影響人類的生存發(fā)展，從19世紀(jì)末開(kāi)始有學(xué)者著手于對(duì)氣候變化的研究[1-2]?，F(xiàn)在，氣候變化問(wèn)題成為全世界各國(guó)政府和科學(xué)家共同關(guān)注的話題，近百年來(lái)，全球氣候正經(jīng)歷以氣溫上升為主要特征的變化，全球變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，所以研究區(qū)域的氣候變化則顯得更為重要[3-4]。近些年來(lái)我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)氣候變化的研究已經(jīng)取得了許多重大成果。劉瓊等選取河西西部地區(qū)14個(gè)站點(diǎn)近50年的氣溫、降水和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸模型、空間插值法和Mann-Kendall等方法，對(duì)河西西部地區(qū)的氣候變化的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行分析[5]。樂(lè)滿等采用青藏高原東北部1957～2009年的氣候數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了氣候時(shí)空變化特征分析，表明位于青藏高原東北部的干旱區(qū)氣溫上升趨勢(shì)更加的顯著，濕潤(rùn)區(qū)的氣溫增加不明顯[6]。葉金印等利用淮河流域1961～2010年間的145個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近50年以來(lái)淮河流域的氣象要素進(jìn)行了時(shí)空變化趨勢(shì)的分析[7]。

氣候變化對(duì)人類具有重要的影響，現(xiàn)如今已經(jīng)有不少的研究指出氣候變化不僅會(huì)給人類帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生危害[8-9]。因此，分析湖北省氣候變化的時(shí)空分布規(guī)律，掌握氣候變化的規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)以及科學(xué)的規(guī)劃社會(huì)發(fā)展都具有特別重要的意義[10]。氣溫和降水是氣候變化中最基本的要素，由于氣溫和降水的時(shí)空差異性從而引起的環(huán)境變化也會(huì)有所不同。所以，在了解全球氣候變化特征的基礎(chǔ)上，研究地理小尺度氣候變化趨勢(shì)是十分必要的。湖北省位于長(zhǎng)江中下游，三面環(huán)山，屬于東西、南北氣候過(guò)渡帶，依據(jù)《湖北省自然災(zāi)害歷史資料》發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)以來(lái)湖北省旱澇出現(xiàn)次數(shù)有所增加，因此，研究湖北省區(qū)域氣候變化的時(shí)空規(guī)律對(duì)于湖北省的防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)作用[11]。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國(guó)中部，洞庭湖以北，地理位置的經(jīng)緯度介于29°05'～30°20'N，108°30'～116°20'E之間，東西長(zhǎng)約740公里，南北寬約470公里，全省土地總面積18.59萬(wàn)平方公里。地處于亞熱帶，位于典型的季風(fēng)區(qū)內(nèi)，全省除高山地區(qū)外，大部分為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，主要?dú)夂蛱卣魇怯隉嵬?，降水充沛，光照充足?/p>

1.2 數(shù)據(jù)與方法

氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供，所用資料的時(shí)間1960～2012年，選取湖北省23個(gè)氣象觀測(cè)站近50年的氣溫和降水的日值資料。其中季節(jié)劃分按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～次年2月為冬季。圖1為湖北省23個(gè)氣象站點(diǎn)的分布情況。

本文在分析湖北省近50年的區(qū)域時(shí)空變化規(guī)律的過(guò)程中運(yùn)用了如下方法：

(1)線性回歸法[12]。線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中回歸分析，來(lái)確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，其應(yīng)用的范圍十分廣泛。在處理氣象數(shù)據(jù)時(shí)，由于某些氣象站年份久遠(yuǎn)的原因，有些氣象數(shù)據(jù)不能提供，此時(shí)就可以利用線性回歸的方法，對(duì)于近10年的氣溫和降水趨勢(shì)得出所缺失的氣象數(shù)據(jù)。

(2)反距離加權(quán)插值法[13]。基于相近相似的原理：即兩個(gè)物體離得近，它們的性質(zhì)就越相似，反之，離得越遠(yuǎn)則相似性越小。它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。

(3)線性傾向率法[14]。在進(jìn)行氣溫或降水的氣候趨勢(shì)分析時(shí)，采用了線性傾向率，線性趨勢(shì)傾向系數(shù)由最小二乘法求得，用一元線性回歸方程Y=a*x+b描述氣候趨勢(shì)，氣候傾向率為a*10，單位為℃/10a或mm/10a。符號(hào)a表示氣候變量的趨勢(shì)傾向，即a大于0時(shí)，說(shuō)明隨時(shí)間的增加x呈上升趨勢(shì)；反之則下降，a值的大小反映了上升或下降的速率。

2 湖北省氣溫和降水的時(shí)間變化

2.1 氣溫和降水的年際變化

近50年來(lái)，湖北省的年平均降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖2a)，線性擬合率的傾向率為1.53 mm/10a，從五年的滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，降水量在1970～1983年呈現(xiàn)出平穩(wěn)的上升趨勢(shì)，1998～2001年則表現(xiàn)出明顯的下降。其中最高值為1983年的437.88 mm，最低值為1970年的237.76 mm，二者之差為200.12 mm。

近50年來(lái)，湖北省的年平均氣溫也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)(圖2b)，線性擬合率的傾向率為0.16 ℃/10a，從5年的滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，年平均氣溫下降明顯時(shí)段為1961～1969年，其他時(shí)段均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。從1976年開(kāi)始，氣溫出現(xiàn)明顯的升溫趨勢(shì)，最高值為 2006 年的17.07 ℃，而1969年的15.31 ℃則是氣溫的最低值，二者之差為1.76℃。

圖2 湖北省降水量(a)和氣溫(b)的年際變化趨勢(shì)圖Fig.2 The interannual variation trend of precipitation and temperature in Hubei Province

2.2 氣溫和降水的季節(jié)變化

春季降水表現(xiàn)為明顯的減少趨勢(shì)(圖3a)，平均值為479.38 mm，線性擬合的傾向率為-4.14 mm/10a，R2值為0.0075，從5年滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，1965～1977 年表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，2002～2004年為下降趨勢(shì)，其他年份的波動(dòng)不明顯，最高值出現(xiàn)在1967年，為259.41 mm，最低值出現(xiàn)在2001年，為166.48 mm，二者之差是92.93 mm。夏季降水呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(圖3b)，平均值為302.36 mm，線性擬合的傾向率為16.70 mm/10a，R2值為0.0378，從5年的滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，下降時(shí)段出現(xiàn)在1969～1970年，而1985～1996年表現(xiàn)為波動(dòng)上升的趨勢(shì)，最高值為1980年的874.17 mm，最低值為1970年的155.32mm ，二者之差為718.85mm。秋季降水呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(圖 3c)，秋季平均降水的平均值228.79 mm，線性擬合的傾向率為-10.70 mm/10a，R2值為0.0656。從5年的滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，1989～1991年為下降時(shí)段，其他年份也都呈現(xiàn)不同程度的下降，其中最高值為1983年的515.85 mm，最低值為1991年的172.46 mm，二者之差為343.39 mm。冬季降水呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢(shì)(圖3d)，平均值為83.14 mm，線性擬合的傾向率為4.28 mm/10a，R2值為0.0437(圖3)。

從5年滑動(dòng)的平均曲線來(lái)看，1970～1989年是明顯的上升時(shí)段，而下降趨勢(shì)比較明顯的階段為1993～1999年，最高值為1989年的235.44 mm，最低值為1999年的101.10 mm，二者之差為134.34 mm。

春季氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(圖4a)，平均值為15.87 ℃，線性擬合的傾向率為0.026 ℃/10a，R2值為0.2664，從5年滑動(dòng)的平均曲線來(lái)看，氣溫從1991年開(kāi)始上升，最高值出現(xiàn)在2008年，為17.73 ℃，最低值為1983年的14.46 ℃，二者之差為3.27 ℃。夏季氣溫的平均值為26.46 ℃，近50年來(lái)主要呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖4b)，線性擬合的傾向率為-0.017 ℃/10a，R2值為0.0016，從5年滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，氣溫呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢(shì)，最高值為1961年的28.14 ℃，最低值為1980年的25.08 ℃，二者之差為 3.06 ℃。秋季氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(圖4c)，氣溫的平均值為17.07 ℃，線性擬合的傾向率為0.18 ℃/10a，R2值為0.1657，根據(jù)近5年滑動(dòng)平均曲線看，除了1980～1981年出現(xiàn)了明顯的下降，但之后氣溫又表現(xiàn)為快速的上升，最高值為1998年的18.76 ℃，最低值為1981年的15.12 ℃，二者之差為3.64 ℃。冬季氣溫呈現(xiàn)出平穩(wěn)的增加趨勢(shì)(圖4d)，氣溫的平均值為4.93 ℃，線性擬合的傾向率為0.215 ℃/10a，R2值為0.1248，從5年滑動(dòng)的平均曲線來(lái)看，氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最高值為1999 年的7.01 ℃，最低值為1969年的2.51 ℃，二者之差為4.50 ℃。

圖3 湖北省年平均降水量四季變化趨勢(shì)Fig.3 The seasonal variation trend of precipitation in Hubei Province

圖4 湖北省年平均氣溫四季變化趨勢(shì)Fig.4 The seasonal variation trend of temperature in Hubei Province

3 湖北省氣溫和降水的空間變化

3.1 氣溫和降水量多年平均值的空間分布

從湖北省年平均降水量插值圖中能夠看出(圖5a)，年降水量呈現(xiàn)出自東南向西北遞減的趨勢(shì)，整體來(lái)看，湖北省西南部降水偏多，西北部的恩施和東南部的英山為降水的高值中心，年平均降水量最高值為358.94 mm，西北的鄖西和襄樊等地為年降水量的低值區(qū)域，年平均降水量的最低值為195.14 mm。從年平均降水量?jī)A向率的插值圖中可以看出(圖5b)，整個(gè)區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出分布不均趨勢(shì)，增多趨勢(shì)最明顯的區(qū)域?yàn)橹胁康奈錆h，傾向率為10.07 mm/10a，年平均降水量減少最明顯的區(qū)域?yàn)槲髂系亩魇┖蛠?lái)鳳，傾向率為-7.15 mm/10a。

從湖北省年平均氣溫插值圖中可以看出(圖5c)，湖北省的南部為氣溫的高值分布區(qū)域，西部的巴東和東部的陽(yáng)新也是相對(duì)高值中心，年平均氣溫最高值17.36 ℃，而低值區(qū)域主要在西北部和西南部，其中利川的12.85 ℃為氣溫的最低值，從湖北省總體來(lái)看，年平均氣溫是從東部向西部減少的趨勢(shì)。從年平均氣溫傾向率插值圖中可以看出(圖5d)，氣溫在湖北省整個(gè)區(qū)域都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，分布于中部的武漢和北邊的襄樊為氣溫上升趨勢(shì)最明顯的區(qū)域，傾向率分別為0.27 ℃/10a和0.33 ℃/10a，西南部的下降趨勢(shì)明顯，尤其是恩施和來(lái)鳳，傾向率為-0.01 ℃/10a。

圖5 湖北省氣溫和降水量及其變化率的空間分布Fig.5 The spatial distribution of temperature and precipitation and their variation trend in Hubei Province

3.2 氣溫和降水量四季變化的空間分布

春季降水量的空間分布具有明顯的下降趨勢(shì)(圖6a)，湖北省南部的武漢和天門為降水的高值區(qū)，傾向率分別為8.51 mm/10a和3.23 mm/10a。北部的襄樊和棗陽(yáng)、西南的來(lái)鳳、東部的英山為降水量下降明顯的區(qū)域，傾向率最低值為-15.52 mm/10a。夏季降水量的空間分布整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖6b)，高值區(qū)出現(xiàn)在南部的宜昌，另外有東北部的麻城和中部的武漢降水量也呈增加的趨勢(shì)，傾向率的最高值為39.80 mm/10a。降水量的減少趨勢(shì)最明顯的區(qū)域分布在東部的英山以及西部的來(lái)鳳，傾向率的最低值為-6.27 mm/10a。秋季降水量具有下降的趨勢(shì)，空間分布表現(xiàn)為由西向東增多的趨勢(shì)(圖6c)，西北部的鄖西和東南部的陽(yáng)新以及西部的宜昌是降水量減少較慢的分布區(qū)，而降水量下降幅度最小的地區(qū)分布在鄖西，降水量的傾向率為-2.91 mm/10a。降水量下降幅度比較大的地區(qū)有西南的恩施、西部的巴東以及西北部的老河口，降水量的傾向率分別為-22.96 mm/10a、-18.56 mm/10a和-18.55 mm/10a。冬季降水量的空間分布總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖6d)，區(qū)域內(nèi)的降水量呈現(xiàn)出從東向西部逐漸的減少的趨勢(shì)，東部的英山和陽(yáng)新以及中部的武漢為降水的高值分布區(qū)域，降水量?jī)A向率的最高值為10.29 mm/10a。降水量的低值區(qū)分布在西北部和西南部，降水量減少最明顯的是巴東和興山，降水量?jī)A向率的最低值為-1.68 mm/10a。

圖6 湖北省年四季平均降水量變化率的空間分布Fig.6 The spatial distribution of seasonal precipitation variation trend in Hubei Province

春季氣溫的空間分布(圖7a)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中北部的襄樊和棗陽(yáng)的氣溫上升趨勢(shì)最為明顯，平均氣溫的傾向率分別為4.50 ℃/10a和3.67 ℃/10a，氣溫上升趨勢(shì)最不明顯的是東部的英山以及西部的恩施和巴東，氣溫的傾向率為0.04 ℃/10a。夏季氣溫的空間分布體現(xiàn)出(圖7b)整體的下降趨勢(shì)，區(qū)域內(nèi)的氣溫自西向東逐漸上升，西北部的鄖西和西部的巴東是氣溫下降趨勢(shì)最明顯的地區(qū)，氣溫的傾向率為-2.11 ℃/10a，氣溫的傾向率為1.66 ℃/10a和0.87 ℃/10a的武漢和天門則是氣溫上升較為明顯的地區(qū)。秋季氣溫的空間分布為明顯的下降趨勢(shì)(圖7c)，東部的陽(yáng)新、麻城以及中部的武漢氣溫上升趨勢(shì)顯著，最高氣溫傾向率為1.66 ℃/10a，其中下降趨勢(shì)較為明顯的是西北部的鄖西和西部的巴東，氣溫傾向率分別為-2.11 ℃/10a和-1.53 ℃/10a。冬季氣溫的空間分布表現(xiàn)為明顯的升高趨勢(shì)(圖7d)，尤其是北部的襄樊和老河口，中部的武漢和麻城，氣溫傾向率最高值為2.63 ℃/10a，氣溫上升趨勢(shì)比較不明顯的是西南部的恩施和巴東以及東部的英山，氣溫傾向率的最低值是0.60 ℃/10a。

圖7 湖北省年四季平均氣溫變化率的空間分布Fig.7 The spatial distribution of seasonal temperature variation trend in Hubei Province

4 結(jié)論與展望

本文利用湖北省近50年的氣象數(shù)據(jù)，采用線性回歸的方法得出缺失的數(shù)據(jù)，結(jié)合線性回歸法、反距離加權(quán)插值法以及線性傾向率法，對(duì)湖北省近50年氣溫和降水量的時(shí)空變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1)近50年來(lái)，湖北省年平均降水量表現(xiàn)為逐漸增多的趨勢(shì)，線性擬合傾向率為1.53 mm/10a；年平均氣溫也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，線性擬合的傾向率為0.16 ℃/10a；(2)近50年來(lái)，湖北省降水量的四季變化較為復(fù)雜，降水量在春、秋呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，而在夏季和冬季表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)；氣溫的四季變化除夏季較平穩(wěn)外，其他三個(gè)季節(jié)均呈上升趨勢(shì)，尤其是春季的氣溫上升速率最快，線性傾向率為0.26 ℃/10a；(3)湖北省整個(gè)區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出增多趨勢(shì)，武漢是降水增多最明顯的地區(qū)，恩施和來(lái)鳳則是降水減少最明顯的地區(qū)；(4)湖北省氣溫呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，武漢和襄樊是氣溫上升最明顯的區(qū)域，線性擬合傾向率為0.27 ℃/10a 和0.33 ℃/10a，而下降趨勢(shì)明顯的區(qū)域是西南部的恩施和來(lái)鳳。

由于目前沒(méi)有收集到近幾年湖北省各氣象站點(diǎn)的氣溫和降水量數(shù)據(jù)及受篇幅的限制，本文只分析了氣溫和降水兩個(gè)氣象要素變化的時(shí)空分布，因此，計(jì)劃在未來(lái)的工作中搜集近幾年氣溫和降水量數(shù)據(jù)及其他氣象數(shù)據(jù)，并分析各氣象要素的突變特征和周期性特征，進(jìn)一步深入研究湖北省氣候變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素。