沙坪壩庫區(qū)氣溫和降水變化特性研究

張楠

（河南水利投資集團有限公司，河南 鄭州450045）

1 研究背景

沙坪壩區(qū)地處中國重慶市西部，東以嘉陵江與江北區(qū)相隔、東南緊鄰渝中區(qū)，南接九龍坡區(qū)。區(qū)域面積大致395.8 平方千米，平均海拔600 米左右，地形多為，丘陵、臺地和低山交叉分布。沙坪壩區(qū)氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候區(qū)，其氣候特點是四季分明，雨量較為充沛且雨熱同期，氣候特點對農(nóng)業(yè)和生產(chǎn)生活有很大影響[1-4]。同時隨著全球氣候變暖及極端天氣的增多，探究沙坪壩庫區(qū)的氣溫和降水量是否有與全球氣候變暖趨勢一致這一問題，對社會生產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)都有著及其重要的意義。

本文以來自沙坪壩區(qū)域內(nèi)的氣象臺站的氣候數(shù)據(jù)資料，研究了沙坪壩區(qū)氣候條件隨時間發(fā)生的變化。本文利用氣象觀測數(shù)據(jù)沙坪壩地區(qū)的氣候時空變化特性進行研究，以多年來的降雨量和溫度變化，嘗試對氣象觀測數(shù)據(jù)進行分析，探究沙坪壩地區(qū)地表氣象數(shù)據(jù)的變化特征，實現(xiàn)對未來社會生產(chǎn)和生活及經(jīng)濟活動提供科學(xué)的氣象和降水依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 資料來源

沙坪壩區(qū)位于中國四川盆地東部（29°27′～29°46′，106°14′～106°31′），地勢自西向東由高到低，平均海拔在600 米左右，屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，雨量充足且雨熱同期。區(qū)域內(nèi)大量存在因燕山運動和喜馬拉雅運動形成的褶皺，進而形成盆地和山脈，其地理因素對氣候和降雨有很明顯的影響。

文中數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后剔除部分數(shù)據(jù)缺失較多或年限過短的站點，隨后對所有篩選過的氣象站點數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了檢驗，最終選取沙坪壩（區(qū)站號57516）氣象站點1956-2017 年期間共62年長度的逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.2 研究方法

（1）線性回歸：屬于時間序列趨勢分析，該方法是研究氣候變化問題中時間序列趨勢改變普遍使用的方法之一，關(guān)鍵是利用時間序列和氣候因素構(gòu)造一元線性方程，通過方程中兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系反映氣候要素的時間變化特征，表示為[5]：

其中，yi代表氣候要素，xi為yi所對應(yīng)的時間，a 為常數(shù)，b為趨勢系數(shù)。b 絕對值的大小反映了氣候要素的速率變化[6，7]。通常用氣候變化傾向率即b×10 來描述氣候要素趨勢變化，單位為℃/10a 或mm/10a。

（2）累積距平統(tǒng)計量與信噪比：時間序列的某一個數(shù)xi與均值x 之差為距平值，即xi-x。在對氣候要素進行分析中，經(jīng)常會對氣候要素的時間序列進行距平化處理，即用距平序列取代氣候要素原始數(shù)據(jù)。累積距平法顧名思義是對每個時間序列距平值得累計，可以通過其判斷氣候變化，對研究區(qū)的突變點進行分析時可以采用該方法，對于序列x，某一時刻的累計距平如下[8]：

其中，xi為第i 年的氣候要素；x 為多年氣候要素平均值。絕對值最大的年份為突變年份。

為了檢驗氣候突變是否達到標準，計算轉(zhuǎn)折年的信噪比：

其中，x1，x2為轉(zhuǎn)折年份前后氣候要素的平均值；s1，s2為標準差。當(dāng)S/N＞1 時，該氣候要素存在突變，否則認為突變不明顯。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫和降水量年際變化特性

對從沙坪壩庫區(qū)獲取的氣象站60 多年來的氣象資料數(shù)據(jù)整理分析后，可以得到沙坪壩庫區(qū)年平均氣溫曲線圖，見圖1。分析得到沙坪壩庫區(qū)的年平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，且年氣溫上升速率為0.104℃/（10a）。根據(jù)資料得到多年平均氣溫為18.47℃，年際標準差為0.49。2006 年最高氣溫是60 多年氣象監(jiān)測測量資料中最高氣溫的最大值，為43℃；1956 年最高氣溫是60 多年氣象監(jiān)測測量資料中最高氣溫的最小值，為36.8℃；1996 年最低氣溫是60 多年氣象監(jiān)測測量資料中最低氣溫的最低值，為-1.7℃；2017 年最低氣溫是60 多年氣象監(jiān)測測量資料中最低氣溫的最大值，為4.7℃；年最大氣溫和年最小氣溫相差42.3℃，溫差很大，對社會生產(chǎn)生活有很大影響。

圖1 年平均氣溫變化曲線

為了更好地對年平均氣溫的變化趨勢進行表述，采用標準法對62 年的年平均氣溫進行分析，當(dāng)年平均氣溫與多年年平均氣溫的差值大于一個標準差時，認為氣溫異常，若當(dāng)年平均氣溫大于多年平均氣溫，認為是偏暖年，反之為偏冷年。以此確定出，偏暖的年份為1963、1973、1998、2006、2007、2009、2013、2015、2016，偏冷的年份為1957、1968、1974、1976、1982、1984、1985、1986、1989、1993、1996 其余為氣溫正常年，可以得到氣溫異常年占比32%。偏冷年大多集中在1998 年前，偏暖年大多集中在1998 年后。

圖2 年最高氣溫變化曲線

圖3 年最低氣溫變化曲線

從圖2 年最高氣溫變化曲線可以看出，60 年來沙坪壩庫區(qū)的年最大氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，氣溫上升速率為0.318℃/（10a）。從擬合曲線可以看出，其上升趨勢較為明顯，與年平均變化擬合曲線相比，其上升趨勢近似為年平均氣溫上升趨勢的3 倍。從圖3 年最低氣溫變化曲線可以看出，60 年來沙坪壩庫區(qū)的年最低氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，氣溫升高速率為0.371℃/（10a）。從擬合曲線可以看出，其上升趨勢較為明顯，與年平均變化擬合曲線相比，其上升趨勢近似為年平均氣溫下降趨勢的3倍。

圖4 年降水量變化曲線

從圖4 年降水量變化曲線可以看出，60 年來沙坪壩庫區(qū)的年降水趨勢呈現(xiàn)上升趨勢，根據(jù)擬合曲線可以得到其降低速率為17.9mm/（10a）。其中年均降水量最大的年份出現(xiàn)在1998 年，降水量達到1508mm，年均降水量最小的年份出現(xiàn)在1958 年，降水量達到738.2mm，年際標準差為183.68mm。采用標準法對62 年的年降水量變化進行分析，將異常降水年分為降水充沛年份和降水稀少年份[8]。依次為根據(jù)，則降水充沛年分為1965、1968、1996、1998、1999、2002、2007、2014、2015、2016 降水稀少年份 為 1958、1959、1961、1971、1987、1995、1997、2001、2006、2011其余為正常降水年?？梢缘玫浇邓科嗄甏蠖嗉性?998 年后，偏小年大多集中在1998 年前。

3.2 氣溫和降水量年代變化特性

表1 氣溫和降水年代變化

由表1 可知，沙坪壩庫區(qū)的年平均氣溫在20 世紀60 年代開始下降，至90 年代開始回升，21 世紀初呈現(xiàn)下降趨勢，進入10 年后，溫度有所上升。從最高氣溫的年代變化來看，20 世紀70 年代，最高氣溫有所下降，21 世初以后，沙坪壩區(qū)年代最高氣溫呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢。從最低氣溫的年代變化來看，20 世紀60年代到21 世紀初，最低氣溫逐漸升高。從年代降水量上進行分析，除20 世紀90 年代降水量相對較少以外，其余年代降水較為充沛。

3.3 氣溫和降水量季節(jié)變化特性

3.3.1 氣溫季節(jié)變化

圖5 四季平均氣溫變化

為了對年氣溫季節(jié)變化進行分析，采用中國通用的季節(jié)劃分方法，3-5 月為春季，6-8 月為夏季，9-11 月為秋季，12-2 月為冬季，年平均氣溫季節(jié)變化特征見圖5。

從氣象觀測資料及圖表可以得知，沙坪壩區(qū)春季平均氣溫在18.4℃左右，氣溫略有上升趨勢，根據(jù)擬合曲線可知氣溫上升速率為0.095℃/（10a）；夏季平均氣溫在27.4℃左右，氣溫略有上升趨勢，氣溫上升速率為0.035℃/（10a）；秋季平均氣溫在18.9℃左右，氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，氣溫升高速率為0.169℃/（10a）。冬季平均氣溫在9.0℃左右，氣溫略有上升，氣溫降低速率為0.142℃/（10a）。

由以上分析可知，沙坪壩庫區(qū)四季氣溫均有所上升，其中秋季和冬季氣溫上升趨勢較為明顯，春、夏兩季氣溫基本保持穩(wěn)定。從離散性上分析，沙坪壩區(qū)春季、夏季氣溫較為穩(wěn)定，秋、冬季年平均氣溫的差異較大。

3.3.2 降水季節(jié)變化

圖6 四季降水變化

年降水季節(jié)劃分與年氣溫季節(jié)劃分相同，年降水季節(jié)變化特征見圖6。

從氣象觀測資料及圖表可以得知，沙坪壩庫區(qū)春季降水在288.3mm 左右，降水量呈現(xiàn)上升趨勢，根據(jù)擬合曲線可知降水量上升速率為6.8mm/（10a）；夏季降水量在483.1m 左右，降水量呈現(xiàn)上升趨勢，降水量上升速率為12.2mm/（10a）；秋季降水在273.5mm 左右，降水量呈現(xiàn)下降趨勢，降水量降低速率為1.2mm/（10a）；冬季降水量在66.1mm 左右，降水量呈現(xiàn)下降趨勢，降水量下降速率為可忽略不計。

由以上分析可知，沙坪壩庫區(qū)春季、夏季降水量有所增多，且夏降水量上升趨勢大致為春季的2 倍。秋季、冬季降水量有所減少，其中冬季降水量較少趨勢基本可忽略不計。

3.4 氣溫和降水量突變年分析

圖7 是沙坪壩庫區(qū)年平均氣溫變化的累計距平曲線，根據(jù)曲線進行分析可以得知，沙坪壩庫區(qū)年平均氣溫累計距平值大致呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，既1956 年至1996 年逐步下降，1996 年以后呈現(xiàn)逐步上升趨勢。1999 年作為轉(zhuǎn)折年，極有可能是突變年，經(jīng)過檢測信噪比0.64<1.0，不存在突變年份。

圖8 是沙坪壩庫區(qū)年降水量變化的累計距平曲線，根據(jù)曲線進行分析可以得知，沙坪壩庫區(qū)年降水量累計距平值整體呈現(xiàn)先減小后增加的復(fù)雜變化趨勢，既1956 年至1996 年有所減小，1996 年至2011 年呈現(xiàn)略有上升并保持穩(wěn)定，2011 年后呈現(xiàn)快速上降趨勢。1995 年作為轉(zhuǎn)折年經(jīng)過信噪比檢測0.20<1.0，因此年平均降水也不存在突變年份。

圖7 年平均氣溫累計距平變化曲線

圖8 降水量累計距平變化曲線

4 結(jié)論與展望

4.1 根據(jù)氣溫和降水量年代變化特性，62 年來沙坪壩庫區(qū)氣溫和降水呈現(xiàn)減小趨勢，大致年平均氣溫每下降1℃，年降水量減少171mm。根據(jù)氣溫和降水量年際變化特性分析，沙坪壩區(qū)冬季最低氣溫在逐漸上升。

4.2 沙坪壩區(qū)四季氣溫變化趨勢為春、夏兩季平均氣溫基本穩(wěn)定，秋、冬兩季平均氣溫升高，四季降水量變化表現(xiàn)為春、夏兩季降水量有所增加，秋、冬兩季降水量有所減小。

4.3 降水量增加主要集中在春、夏兩個階段，溫度增加主要體現(xiàn)在秋、冬兩季，降水與溫度增加不具有明顯的相關(guān)性。