1963-2018年貴州修文縣氣溫和降水變化特征

羅 梅,楊守祿,唐紅祥,陳夢(mèng)圓,袁仕鋒,王建華,

楊媛雯1,奚 悅1,任廣紅1,王立琳1,齊大鵬3,高文明4

(1.修文縣氣象局,貴陽 550299;2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院,貴陽 550005;3.貴州省氣象臺(tái),貴陽 550002;4.白云區(qū)氣象局,貴陽 550014)

近年來，在溫室效應(yīng)和城市化進(jìn)程快速發(fā)展的大背景下，全球變暖趨勢(shì)日益顯著[1]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，1951—2012年全球平均地表溫度升高了0.72℃[2]，1980—2012年為工業(yè)革命以來最暖的30年。同時(shí)，隨著全球氣候的變化，中國氣候表現(xiàn)出獨(dú)特的變化特征，年平均氣溫升高了(0.65±0.15)℃，且年際變化特征明顯，年均降水量變化趨勢(shì)不顯著，1951—1989年，呈微弱的減少趨勢(shì)，但存在明顯的區(qū)域差異[3]。氣溫和降水作為氣候變化的兩大重要因素，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大。研究氣溫和降水的變化規(guī)律具有重要的意義，因而很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。如：侯凱等[4]研究指出，氣溫升高趨勢(shì)將不再持續(xù)，未來可能降低，并且年降水量減少趨勢(shì)也不再持續(xù)，未來可能開始增加；同時(shí)，趙路偉等[5]在研究中指出，河南省近54 a氣溫上升趨勢(shì)顯著，降水量在波動(dòng)中略微有減少的趨勢(shì)；苗正偉等[6]對(duì)京津冀地區(qū)近55 a氣候演變特征進(jìn)行分析，氣候要素的突變主要發(fā)生在80年代前后。

西南喀斯特地區(qū)是我國4個(gè)主要酸雨沉降地區(qū)之一，十分脆弱，早在20世紀(jì)70年代有大量的學(xué)者對(duì)西南地區(qū)的降水進(jìn)行了研究，但是對(duì)氣溫和降水變化特征的研究極少。李勇等[7]研究指出貴州區(qū)域年降水量存在減少的趨勢(shì)，同時(shí)降水存在一定的突變；然而對(duì)貴州小區(qū)域降水和氣溫變化特征的研究目前尚不全面和深入?；诖?，本文應(yīng)用貴州省修文縣1963—2018年氣溫和降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用線性趨勢(shì)法、滑動(dòng)平均、累積距平分析、信噪比檢驗(yàn)、M-K檢驗(yàn)法分析修文縣年平均氣溫、降水量的趨勢(shì)及突變，以期為貴州省小區(qū)域氣候資源利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)提供參考。

1 研究區(qū)概況

修文位于貴州省貴陽市北部，貴州中部，地處26°45′—27°12′N，106°21′—106°53′E。修文縣境內(nèi)海拔940～1 610 m，平均海拔1 290 m，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤區(qū)。貴州省修文縣是黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)和貴陽北部新區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)城市，除西部邊緣河谷切割較深外，相對(duì)高度多在150 m以內(nèi)，谷寬水淺，槽谷和洼地較多，屬于較典型的喀斯特丘陵地形[8]。

2 數(shù)據(jù)資料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

論文研究數(shù)據(jù)來源于貴州省修文縣氣象臺(tái)1963—2018年近55 a的氣溫和降水觀測(cè)資料，該數(shù)據(jù)資料完整，樣本數(shù)n為55，對(duì)于貴州省小區(qū)域氣候變化研究具有較好的代表性，同時(shí)利用orign，Matlab和Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和繪圖。采用氣象統(tǒng)計(jì)常用的四季劃分：春季(3月、4月、5月)、夏季(6月、7月、8月)、秋季(9月、10月、11月)、冬季(12月、1月、2月)。

2.2 研究方法

2.2.1 線性趨勢(shì)分析與其相關(guān)性檢驗(yàn) 利用一元線性回歸方程來擬合年平均氣溫和年降水量變化趨勢(shì)[9]，分析修文1963—2018年55年平均氣溫和年降水量的變化趨勢(shì)。一元線性方程可用來表示氣象要素的氣候傾向率，即：

y=b0+bx

式中：y為氣象要素；b0為常數(shù)項(xiàng)；b為斜率；x為時(shí)間(1963—2018年)。b×10表示氣象要素每10 a的氣候傾向率。

檢驗(yàn)方法如下：若|r|≥r0.05(n-2)，則線性回歸是顯著的，y與x之間呈線性關(guān)系。對(duì)一元回歸方程相關(guān)系數(shù)作相關(guān)性檢驗(yàn)，取顯著水平為α=0.05，r0.05(n-2)=r0.05(55-2)=0.237。其中：r表示相關(guān)系數(shù)；n表示樣本數(shù)；r0.05(n-2)表示樣本為n、顯著水平為0.05時(shí)的相關(guān)系數(shù)。

2.2.2 累積距平與信噪比 累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢(shì)的方法[10]。對(duì)于氣候要素序列，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

天氣過程的突變常用氣候狀態(tài)分布特征量隨不同時(shí)段的變化來衡量，定義信噪比(S/N)作為相鄰兩氣候階段差異的統(tǒng)計(jì)量，信噪比的計(jì)算公式如下[11]：

式中：x1，x2和S1，S2分別為轉(zhuǎn)折年份前后兩階段的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。若S/N大于1，則認(rèn)為在這個(gè)年份存在氣候突變，反之為突變不顯著。

2.2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn) M-K突變檢驗(yàn)是一種常用的分析氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)的方法，其不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異樣值的干擾，具有檢驗(yàn)范圍寬、定量化程度高、人為性小等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。

因此選擇M-K突變檢驗(yàn)法可用來分析氣溫和降水的變化趨勢(shì)，并檢測(cè)其是否顯著，并分析其突變特點(diǎn)[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣 溫

圖1 修文縣1963-2018年年平均氣溫變化

1963年以來，修文氣溫變化趨勢(shì)與中國[14]和全球[15]升溫趨勢(shì)基本一致，年平均氣溫整體呈波動(dòng)上升。從表1看出，年均氣溫呈明顯的年代波動(dòng)上升趨勢(shì)，自21世紀(jì)以來氣溫明顯升高，近18 a來年平均氣溫達(dá)14.1℃，較20世紀(jì)70年代年平均氣溫(13.51℃)升高了0.59℃。對(duì)55 a的年平均氣溫計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(0.46℃)，波動(dòng)性整體較小，平均氣溫變化基本呈降—升的過程，總體呈震動(dòng)上升趨勢(shì)。

表1 修文縣1963-2018年不同年代氣溫均值和距平值 ℃

3.1.2 年最高、最低氣溫變化 圖2為修文縣年極端最高溫與極端最低溫變化圖。55 a來極端最高溫呈上升趨勢(shì)(圖2A)，極端最高氣溫增速為0.18℃/10 a，年平均最高溫為31.7℃，極端最高氣溫為33.8℃(2013年)，較年平均最高溫偏高2.1℃，較年平均氣溫偏高20.0℃。

圖2 修文縣1963-2018年年極端最高、最低氣溫變化

3.1.3 氣溫累積距平分析 氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象[16]。由圖3所示，氣溫累積距平曲線的絕對(duì)值最大值為6.46(1997年)，這次轉(zhuǎn)折是氣溫從偏低期轉(zhuǎn)為偏高期，1997年之后的偏高期至今仍在持續(xù)。1997年的信噪比為0.61，不存在明顯氣候突變。

圖3 修文縣1963-2018年平均氣溫累積距平變化

觀察年平均氣溫累積距平曲線，在2000年處曲線存在波動(dòng)，且其累積距平曲線的絕對(duì)值(6.05)略小于1997年(6.46)，計(jì)算其信噪比，其信噪比為0.63，亦不存在明顯氣候突變，但2000年信噪比(0.63)大于1997年信噪比(0.61)，則表明氣溫氣候突變的現(xiàn)象越來越明顯。

3.1.4 氣溫M-K突變檢驗(yàn) 利用M-K檢驗(yàn)法對(duì)修文近年平均溫度進(jìn)行突變檢測(cè)，給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。由圖4知，氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，1995年之前氣溫變化平緩，1995年之后氣溫顯著增暖，持續(xù)上升，特別是2000年以來增暖的趨勢(shì)十分顯著(UF>0)，且UF曲線在2007—2008年與0.05顯著置信曲線相交，這表明其以后氣溫上升趨勢(shì)達(dá)到0.05顯著性水平。UF和UB曲線相交于2000年，且位于±1.96之間，即表明氣溫在2000年前后存在突變；由累積距平分析、信噪比檢測(cè)分析知，1997年以來，氣溫氣候突變的現(xiàn)象越來越明顯，綜合M-K突變分析結(jié)果，表明修文氣溫在2000年發(fā)生氣溫上升的突變。

圖4 修文縣1963-2018年平均氣溫M-K突變判別

3.2 降 水

3.2.1 年降水量年紀(jì)變化特征 圖5為修文縣1963-2018年降水量變化曲線，對(duì)其進(jìn)行五年滑動(dòng)平均和線性擬合可見，1963—2018年，年平均降水量為1 144.8 mm，最低為779.9 mm(2011年)，最高為1 503.4 mm(1971年)。年降水變化傾向率<0，呈下降趨勢(shì)，其下降幅度為31.8 mm/10 a。對(duì)一元線性方程進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，r=0.279>r0.05(55-2)=0.237，則線性回歸是顯著的，即年降水量的減少趨勢(shì)是顯著的。

圖5 修文縣1963-2018年年降水量變化

3.2.2 降水量季節(jié)變化特征 由表2可知，20世紀(jì)60年代以來，四季多年平均降水量為304.7 mm(春季)，529.9 mm(夏季)，240.6 mm(秋季)，68.6 mm(冬季)。自20世紀(jì)始，春、夏、秋降水呈總體呈明顯波動(dòng)下降趨勢(shì)，其中以夏秋季降水下降最為明顯。

表2 修文縣1963-2018年不同年代降水均值和距平值 ℃

圖6是修文縣1963—2018年不同年代各月平均降水量及距平變化。由圖6A可以看出，冬季各月平均降水量變化總體波動(dòng)不大，春季降水量逐月增多，夏季月降水量相對(duì)較多，秋季降水呈逐月降低趨勢(shì)。降水量年內(nèi)分配十分不均，主要集中在5—9月。各年代月降水量基本均在夏季6月達(dá)到最大值，其中70年代6月降水量達(dá)到275.5 mm。不同年代降水量的季節(jié)變化差異比較明顯(6B、表2)，年際波動(dòng)變化大，春、夏、秋季降水總體呈明顯波動(dòng)下降趨勢(shì)，冬季降水減少趨勢(shì)不明顯；90年代夏季降水明顯高于其他年代，其中7月份降水量異常偏多；21世紀(jì)初夏季降水明顯低于其他年代，其中7月份降水量異常偏少。這表明，自80年代至21世紀(jì)，研究區(qū)域的降水量發(fā)生了由多至少的變化。各年代夏季降水總量基本均占全年降水量的50%左右，降水量的分布不均勻易導(dǎo)致旱澇災(zāi)害趨向頻繁，暴雨發(fā)生頻率增加。

圖6 修文縣不同年代各月降水量變化、月降水量距平變化

3.2.3 降水累積距平分析 由圖7可知，降水量在1963—2018年有明顯的升降變化。1963—1968年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，1968—1980年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1980—1995年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，1995—2000年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2000—2018年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。1968年和1995年為低值轉(zhuǎn)折年、1980年和2000年為高值轉(zhuǎn)折年。降水累積距平曲線的絕對(duì)值最大值為1 625.1(1980年)，這次轉(zhuǎn)折是降水從偏高期轉(zhuǎn)為偏低期，1980年之后的偏低期至今仍在持續(xù)。

圖7 修文縣1963-2018年降水量累積距平變化

3.2.4 降水M-K突變檢驗(yàn) 由圖8可知，1963—1969年、1981—2018年，UF值總體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，且基本在0線值以下，即UF<0，這表明1963—2018年研究區(qū)域降水量基本呈下降趨勢(shì)，與線性回歸分析研究結(jié)果一致；1970—1980年UF0，表明1970—1980年研究區(qū)域降水量呈上升趨勢(shì)。UF與UB在置信區(qū)間主要有3個(gè)交點(diǎn)(1980—1984年)，在交點(diǎn)之后UF曲線下降并超過了臨界值y=-1.96，表明修文降水量變換在1980—1984年有顯著的突變特征。由3.2.3分析知，年降水量在1980年為降水的高值轉(zhuǎn)折年，綜合M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果，修文縣降水在1980年存在由多到少的突變。

圖8 修文縣1963-2018年降水量M-K突變判別

4 結(jié) 論

(1) 貴州修文年均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，增速為0.11℃/10 a，年均氣溫的變化范圍為12.8～14.6℃；通過相關(guān)性檢驗(yàn)，線性回歸是顯著的，即年均氣溫的增長趨勢(shì)是顯著的。年均氣溫在2000年發(fā)生由低溫到高溫的突變。研究區(qū)域極端最高氣溫增速為0.18℃/10 a，年極端最低溫增速為0.32℃/10 a，氣候變暖在最低溫上表現(xiàn)更為突出。

(2) 修文縣降水量在波動(dòng)中總體上呈下降趨勢(shì)，下降幅度為31.8 mm/10 a；通過相關(guān)性檢驗(yàn)，線性回歸是顯著的，即年降水量的下降趨勢(shì)是顯著的。各年代月降水量基本均在夏季6月達(dá)到最大值，且夏季降水總量基本均占全年降水量的50%左右。修文縣降水在1980年存在由多到少的突變。

(3) 本研究結(jié)果表明，修文縣氣溫升高，降水減少，這種現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)小區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生影響，發(fā)生干旱的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要加強(qiáng)抵御和防御春秋兩季的干旱；其次年降水量的年際波動(dòng)變化大，因而需加強(qiáng)農(nóng)業(yè)抗旱等設(shè)施的建設(shè)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過在小區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)氣溫和降水量的變化特征分析，為小區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理與改善以及其他學(xué)科的研究提供依據(jù)。然而，還應(yīng)進(jìn)一步研究氣溫的升高與降水的減少之間存在的聯(lián)系及二者的變化對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。