贛江流域氣象因子時空變化特征與成因分析

劉明霞 ，劉友存 ，劉燕 ，許燕穎 ，劉正芳 ，喬麗潘古麗·吐爾洪，鄒杰平

（江西理工大學，a. 建筑與測繪工程學院；b. 資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000）

20 世紀50 年代以來，全球氣候發(fā)生急劇變化，氣溫升高，氣候變暖十分明顯[1-2]。 IPCC 第5 次評估報告指出：1880—2012 年全球平均地表溫度升高0.85 ℃[3]，1998—2008 年出現了全球變暖趨緩現象[4]，但近幾年全球氣溫呈明顯上升趨勢。 氣候變暖增加極端天氣與氣候事件的發(fā)生頻率、強度和持續(xù)時間[5-6]。如2003 年和2010 年夏季的歐洲熱浪，2008 年中國南方雪災，以及 2010 年中國西南大旱等，給人類活動帶來極大的影響[7]。 世界銀行研究表明，如果人類不采取措施來應對氣候變化，到 2030 年將有 1 億氣候難民，而到2050 年主要作物的產量將比現在減少25%，發(fā)展中國家將可能遭受每年1.7 萬億美元的經濟損失[8-10]。

國家氣候變化評估報告指出，近100 年來中國年平均溫度上升了0.5~0.8 ℃，尤其是近50 年來的增溫速率高于全球平均值，降水變化趨勢不明顯，但年際波動較大[11]。 Song 等[12]研究發(fā)現中國大部分地區(qū)的地表相對濕度呈減小趨勢。作為鄱陽湖流域最大的支流，贛江從南到北貫穿整個江西省，為省內最大的河流。目前，已有一些學者對贛江流域進行了研究，張余慶等[13]指出贛江流域1966—2005 年發(fā)生了6 次中旱和7 次中澇事件。 劉衛(wèi)林等[14]基于CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 模式和 SDSM (Statistical Down Scaling Model )對贛江流域的天氣過程和極端降水進行了預測。 劉璇等[15]認為在不同溫室氣體排放情況下，贛江流域年降水量和年蒸發(fā)量及年徑流量將呈顯著增加趨勢。 總之，對贛江流域的水文過程已開展了一系列的研究工作[16-18]，并取得了較好的研究成果。 然而針對贛江流域氣候特征的分析研究，尤其是對氣象因子變化特征及其驅動機制的研究還不多見。本文基于贛江流域逐日氣象資料和氣候指數數據，分析研究了在全球氣候變化背景下，贛江流域氣象因子的時空變化特征及其驅動因素，從而為流域氣象災害防治和水資源評價提供數據支撐和科學依據。

1 研究區(qū)概況

贛江干流長766.0 km，并有13 條主要的支流匯入[16]。 贛江是長江的主干支流之一，位于長江中下游南岸，發(fā)源于贛閩交界的武夷山西麓，自南向北縱貫江西省。 地理位置 113°30′~116°40′E，24°29′~29°11′N，流域集水面積 80,948 km2，如圖 1 所示。 整個贛江流域呈現山地丘陵為主體的地貌格局，山地丘陵占流域面積的64.7%，崗地占31.5%，平原和水域等僅占3.9%[16]。 屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量豐沛[15]。 多年平均氣溫 17.8 ℃，南部高北部低；多年平均降水量1600.0 mm，春、夏之交降水多，秋、冬季節(jié)降水少[13]。 上半年降水多易洪澇，下半年降水少易干旱。

圖1 贛江流域位置及氣象站點分布

2 資料與研究方法

2.1 資料來源

選取贛江流域1959—2017 年11 個主要國家氣象站點（宜春、吉安、井岡山、遂川、贛州、南昌、樟樹、廣昌、長汀、南雄和尋烏）的逐日氣象資料，包括氣溫(TEM)、降水（PRE）、蒸發(fā)（EVP）和相對濕度（RHU）等。 資料來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)。 AO、NAO 、Ni?o 3.4、PDO、SOI、WP 和 NOI氣候指數數據來自美國國家海洋與大氣管理局（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。EASMI、SASMI 氣候指數數據來自李建平教授的個人主頁http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/65540 及其已發(fā)表的研究論文[19]，四季劃分參照氣候學的劃分方法，春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）和冬季（12 月—翌年 2 月）。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall 檢驗

Mann-Kendall(M-K)檢驗是非參數統(tǒng)計檢驗，采用該方法對不符合一定分布規(guī)律的樣本數據進行檢驗，可減少異常值和定量分析時間變化趨勢。 因此，運用M-K 檢驗方法對贛江流域氣象因子進行時間序列的趨勢分析和突變檢驗。 M-K 檢驗公式[20]：

其中，xk和xt為樣本數據值；n 為數據集合長度；t為時間序列。

2.2.2 小波分析

小波分析是用一簇小波函數來逼近某一信號或函數，從而得到原始信號在不同尺度上的周期性變化特征。交叉小波變換是將小波變換與交叉譜分析相結合，從多時間尺度研究兩個時間序列在時頻域中的相互關系，它是一種新的信號分析技術。 運用交叉小波變換能較好地分析氣象要素對大尺度氣候指數的響應機制及原因[20]。 對于任意兩個時間序列X 和Y 之間的交叉小波功率譜（XWT）定義為[21]：

3 結果與分析

3.1 贛江流域氣象因子變化趨勢

贛江流域1959—2017 年各氣象因子的年變化趨勢如圖2。近60 年來年平均氣溫為18.3 ℃，氣溫呈微弱上升趨勢，傾向率為 0.17 ℃·（10 a）-1。1998 年以前氣溫多為負距平，嗣后多為正距平，說明近20年來氣候變暖加快。 1959—1970 年氣溫呈下降趨勢，1971—2017 年呈波動上升趨勢。 年平均降水量為1625.18 mm，降水量呈上升趨勢，傾向率為17.48 mm·（10a）-1。其正負距平相間分布，表明降水量年際波動較大，整體上呈波動上升趨勢。 年平均蒸發(fā)量為 1186.86 mm，傾向率為-127.63 mm·（10 a）-1，整體上呈顯著下降趨勢，只有在1965—1978 年呈上升趨勢。而在1988 年以前蒸發(fā)量多為正距平，嗣后為負距平，表明1988 年以后蒸發(fā)量下降趨勢更加顯著。年平均相對濕度為78.82%，相對濕度呈微弱下降趨勢，傾向率為-0.27%·（10 a）-1。在 2003 年以前相對濕度正負距平相間分布，而在2003—2015 年為負距平，2015 年以后為正距平。

3.2 贛江流域氣象因子突變分析

應用M-K 檢驗方法對贛江流域1959—2017 年各氣象因子的時間變化特征進行了突變檢驗，UF為各氣象因子的順序統(tǒng)計曲線 （實線），UB 為各氣象因子的逆序統(tǒng)計曲線（虛線），并給定顯著性水平α＝0.05，臨界線 U=±1.96，如圖 3 所示。

圖3 1959—2017 年贛江流域各氣象因子M-K 突變檢驗

圖3（a）為氣溫的M-K 檢驗，可以看出氣溫的突變年份為2004 年。 1959—1976 年呈現下降趨勢，其余年份呈現上升趨勢。 圖3（b）為降水量的M-K 檢驗，可以看出降水量在 1962—1967 年、1984—1991 年和 2002—2014 年 3 個時間段呈下降趨勢，其余年份呈現上升趨勢。突變年份為1991 年、2001 年和 2014 年。 1991 年后呈現上升趨勢，2001 年后呈現下降趨勢，2014 年后再次呈現上升趨勢。圖3（c）為蒸發(fā)量的M-K 檢驗，可以看出蒸發(fā)量在1963—1967 年和 1983—2017 年 2 個時間段呈下降趨勢，其余年份呈現波動上升趨勢，突變年份為1990 年。 圖 3（d）為相對濕度的 M-K 檢驗，可以看出相對濕度在1961—1963 年和2002—2014 年2個時間段呈現下降趨勢，其余年份呈現波動的上升趨勢。 突變年份為 1964 年和 2002 年，1964 年后呈現波動的上升趨勢，而在2002 年后呈現顯著下降趨勢。

3.3 贛江流域氣象因子空間分布特征

贛江流域1959—2017 年各氣象因子空間分布如圖4 所示。 從圖4 中可以看出，流域內東部和南部年平均氣溫較高，西北部較低。 其中井岡山地區(qū)最低為14.52 ℃，井岡山氣象站海拔843 m，遠高于其他氣象站海拔，海拔每升高100 m，氣溫下降0.6 ℃，因此年平均氣溫最低。 流域內東部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 而贛江中游地區(qū)為全流域降水量低值區(qū)，近60 年來吉泰盆地和贛南幾乎沒有發(fā)生過大暴雨和洪澇災害。流域降水量山區(qū)大于中部丘陵盆地，東部大于西部。流域內東部和南部年平均蒸發(fā)量較大，西北部較小。 而鄱陽湖湖濱地區(qū)蒸發(fā)最強，吉泰盆地和贛南腹地次之，山區(qū)最弱。 流域內東部和西北部年平均相對濕度較大，西南部和東北部較小。 山區(qū)的相對濕度高于丘陵盆地。

3.4 贛江流域氣象因子與氣候指數的關系

3.4.1 贛江流域氣象因子與氣候指數的相關性分析

氣溫和降水作為反映一個地區(qū)氣候變化的重要因素，又直接受到區(qū)域性的大氣環(huán)流影響。 因此，選取 AO、NAO、ENSO（Ni?o 3.4）、NP、PDO、SOI、WP、NOI、EASMI （The East Asian Summer Monsoon Index）和SASMI（The South Asian Summer Monsoon Index）氣候指數，分析贛江流域四季及全年的氣溫和降水量與各個氣候指數的相關性。表1 為氣溫與各氣候指數的相關系數，贛江流域春季氣溫與AO 指數呈現顯著的正相關，當AO 處于正相位時，北極的冷空氣很難向南擴展，因而流域內春季氣溫偏高[22]。夏季氣溫與Ni?o 3.4 指數呈現顯著的負相關，而與NOI 和SOI 指數分別呈現顯著和極顯著的正相關。厄爾尼諾現象影響我國春、夏季節(jié)的氣候形勢，使我國南方地區(qū)多降水，氣溫偏低。因此，夏季氣溫與Ni?o 3.4 指數呈現顯著的負相關[23]。 由于 Ni?o 3.4與SOI 呈現負相關，所以SOI 指數與夏季氣溫呈現正相關。 而NOI 指數越高，拉尼娜現象越活躍，使我國易出現熱夏和冷冬，亦使贛江流域夏季氣溫偏高。秋季氣溫與PDO 指數呈現顯著的負相關。冬季氣溫與Ni?o 3.4 呈現顯著的正相關，而與WP 指數呈現極顯著的正相關。 當厄爾尼諾發(fā)生時，亞洲季風偏弱，而氣溫冬高夏低。 因此，Ni?o 3.4 指數與冬季氣溫呈現正相關。 在WP 指數高值年，我國的冬季風變弱，使冬季氣溫偏高。 因此，WP 指數與冬季氣溫呈現正相關[24]。 全年平均氣溫與各氣候指數無顯著的相關性。

圖4 1959—2017 年贛江流域各氣象因子空間分布

表1 氣溫與各氣候指數的相關系數

表2 為降水量與各氣候指數的相關系數。 從表2 可以看出，贛江流域春季降水量與NAO 和SOI 指數呈現顯著負相關，與AO 指數呈現極顯著負相關，與Ni?o 3.4 和 PDO 指數呈現極顯著正相關。當厄爾尼諾發(fā)生時，我國南方地區(qū)多降水，因而Ni?o 3.4 指數與流域內春季降水量呈現正相關。 由于Ni?o 3.4 與PDO 和 SOI 分別呈現正相關和負相關，所以PDO 和SOI 指數與春季降水量分別呈現正相關和負相關。夏季降水量與各氣候指數的相關性不顯著。秋季降水量與Ni?o 3.4 指數呈現顯著正相關。 冬季降水量與 NAO 和 Ni?o 3.4 指數呈現顯著正相關，而與SOI 指數呈現極顯著負相關。 冬季NAO 指數偏高，可導致西伯利亞高壓和東亞冬季風減弱，使贛江流域冬季降水量增加[25]。 因此，冬季降水量與NAO 指數呈現正相關。 當厄爾尼諾發(fā)生時，我國南方地區(qū)多降水。 由于 Ni?o 3.4 指數和SOI 指數呈現負相關，冬季降水量與SOI 指數也呈現負相關[26]。 全年平均降水量與各氣候指數無顯著的相關性。

3.4.2 氣溫和降水與氣候指數的交叉小波分析

選擇表1 和表2 中與氣溫和降水量呈現極顯著相關的氣候指數 AO、SOI、PDO 和 Ni?o 3.4，采用交叉小波分析了贛江流域氣溫和降水量與同期大尺度氣候指數的關系。 圖5 為氣溫和降水量與氣候指數的交叉小波功率譜，氣溫與AO 在1964—1968 年存在1.0～2.0 a 的負位相顯著共振關系，即負相關。氣溫與 AO 在 1978—2002 年存在 2.0～5.0 a 的顯著共振周期，平均位相角右上接近45°，氣溫略滯后于AO，表現出一定的正位相共振關系，即正相關。 氣溫與 AO 在 2009—2012 年存在 2.5～4.0 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，氣溫略提前于AO，表現出一定的負位相共振關系，即負相關。 氣溫與 SOI 在 1975—2002 年存在 2.0～5.5 a的顯著共振周期，平均位相角右下接近45°，氣溫略提前于SOI，表現出一定的負位相共振關系，即負相關。 氣溫與 SOI 在 2009—2013 年存在 2.0～3.0 a 的顯著共振關系，平均位相角垂直向下90°，氣溫提前于SOI。氣溫與PDO 在1981—2001年存在2.0~6.0 a 的負位相的顯著共振關系，即負相關。 氣溫與PDO 在2008—2011 年存在2.5~3.5 a 的正位相顯著共振關系，即正相關。 氣溫與 Ni?o 3.4 在1976—2002 年存在2.0~6.0 a 的正位相顯著共振關系，即正相關。氣溫與 Ni?o 3.4 在 2009—2013 年存在2.0~3.0 a 的顯著共振關系，平均位相角垂直向上 90°，說明氣溫滯后于 Ni?o 3.4。

表2 降水量與各氣候指數的相關系數

圖5 氣溫和降水量與氣候指數的交叉小波功率譜

降水量與AO 在2004—2009 年存在3.5~5.0 a顯著的共振周期，平均位相角垂直向下，說明降水量提前于 AO。 降水量與 AO 在 2009—2014 年存在0.5~1.5 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，說明降水量略超前于AO，表現出一定的負位相共振關系，即負相關。降水量與SOI 在1969—1974 年存在0.5~3.5 a 的顯著共振周期，平均位相角垂直向下，說明降水量提前于SOI。 降水量與SOI 在 1998—2002 年存在 3.5~5.0 a 的負位相顯著共振關系，即負相關。 降水量與SOI 在2010—2013 年存在0.5~2.5 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，降水量略超前于SOI，表現出一定的負位相共振關系，即負相關。 降水量與PDO在1992—2001 年存在3.5~5.0 a 的顯著共振周期，平均位相角右上接近45°，降水量略滯后于PDO，表現出一定的正位相共振關系，即正相關。 降水量與 Ni?o 3.4 在 1969—1974 年存在 0.5~4.0 a 的顯著共振周期，平均位相角垂直向上，降水量滯后于Ni?o 3.4。 降水量與 Ni?o 3.4 在 1997—2003 年存在3.5~5.0 a 的正位相顯著共振關系，即正相關。

4 結 論

1）近60 年來贛江流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量和相對濕度分別呈現微弱上升、顯著上升、顯著下降和微弱下降的變化趨勢。 氣溫突變點為2004 年，降水量突變點為 1991 年、2001 年和 2014 年，蒸發(fā)突變點為1990 年，相對濕度突變點為1964 年和2002 年。

2）贛江流域東部和南部年平均氣溫較高，西北部較低。 東部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 東部和南部年平均蒸量發(fā)較大，西北部較小。 東部和西北部年平均相對濕度較高，西南部和東北部較低。贛江流域降水量山區(qū)大于中部丘陵盆地，蒸發(fā)量鄱陽湖湖濱地區(qū)、吉泰盆地和贛南腹地最大，山區(qū)蒸發(fā)量最小，而相對濕度山區(qū)高于丘陵盆地。

3）AO、SOI、PDO、Ni?o 3.4 與贛江流域的氣溫和降水量呈現極顯著相關。 交叉小波分析表明，氣溫與 AO、SOI、PDO 和 Ni?o 3.4 指數在 1981—2001 年和2009—2011 年間分別存在2.0~5.0 a 和2.0~3.0 a的主共振周期，而降水量與4 個氣候指數不存在明顯的主共振周期。