1961-2019年皖西大別山區(qū)的氣候變化特征

徐建鵬, 王 暉, 伍 瓊, 王 杰, 徐 祥

(安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心/安徽省農(nóng)村綜合經(jīng)濟信息中心， 安徽 合肥 230031)

0 引言

【研究意義】近百年來，受人類活動和自然因素的共同影響，全球氣候變暖特征顯著，2013年IPCC報告指出，2006-2015年全球平均氣溫比工業(yè)化前的平均值高0.87℃，且變暖趨勢仍在持續(xù)。氣候變化對全球生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟社會都產(chǎn)生了廣泛影響，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率和強度增加，水資源分布失衡，海平面持續(xù)上升，給人類社會可持續(xù)發(fā)展帶來的風險增大。中國作為氣候變化的敏感區(qū)，增溫幅度明顯高于同期全球平均水平，但區(qū)域間差異明顯[1]，北方增溫速率明顯大于南方，西部地區(qū)大于東部地區(qū)，日照時數(shù)呈下降趨勢，極端強降水事件和極端高溫事件增多[2]。因此，探明區(qū)域氣候變化特征，對其生態(tài)環(huán)境保護和氣候資源的合理利用具有重要意義。【前人研究進展】黃潤等[3]研究表明，山地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，對環(huán)境變化敏感，氣候變化存在明顯的地形差異。高翔等[4-5]報道，近50年來秦嶺地區(qū)年均氣溫顯著上升，北坡氣候暖濕化趨勢明顯，高海拔地區(qū)的植被生態(tài)系統(tǒng)更易受氣候變化的影響，但山區(qū)良好的植被覆蓋對極端氣候變化具有一定的緩沖作用。皖西大別山區(qū)位于我國亞熱帶和暖溫帶的過渡帶，區(qū)域氣候變化也是研究的重點。李遠平等[6]分析了大別山區(qū)近55年來最高氣溫和最低氣溫的突變和概率分布。倪婷等[7]利用2012-2014年地面自動站與中國區(qū)域CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)多衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)相融合的逐時降水量數(shù)據(jù)集，分析大別山區(qū)的降水時空分布特征?！狙芯壳腥朦c】目前關于皖西大別山區(qū)氣候變化的已有研究多集中于最高和最低氣溫，而降水的研究資料年限相對較短，不能反映大別山區(qū)降水的年際和年代際變化。在前人研究的基礎上，選取皖西大別山區(qū)8個氣象觀測站1961-2019年逐日平均氣溫和降水氣象資料，采用氣候傾向率及M-K突變檢驗等方法，分析近60年來皖西大別山區(qū)的熱量、輻射和降水資源變化的時空差。【擬解決的關鍵問題】探明1961-2019年皖西大別山區(qū)的熱量、輻射和降水資源變化的時空差異，分析皖西大別山區(qū)氣候資源時空變化特征，為其生態(tài)環(huán)境保護及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上合理利用氣候資源提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

皖西大別山區(qū)位于東經(jīng)115°21′～117°01′，北緯30°15′～31°48′，總面積為13.1萬km2，主要包括金寨縣、霍山縣、舒城縣、岳西縣、桐城市、潛山縣、太湖縣和宿松縣等8個縣市(圖1)，其海拔分別為96.5 m、68.1 m、24.8 m、435.4 m、86.0 m、65.6 m、106.3 m和55.9 m。安徽省大別山中山面積約占全部山區(qū)面積的15%，其余多為低山丘陵。該區(qū)屬于北亞熱帶溫暖濕潤季風性氣候，年均氣溫14～16℃，年均降雨量1 100～1 450 mm，年均日照時數(shù)2 000～2 200 h，海拔29～1 745 m，是安徽省內(nèi)長江和淮河流域的分水嶺[8-9]。

圖1 皖西大別山區(qū)氣象站點的分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

皖西大別山區(qū)金寨、霍山和舒城等8個縣市1961-2019年逐日氣象資料，來源于安徽省氣象信息中心，主要包括日平均氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)和日降水量(mm)。

1.3 方法

1.3.1 氣候資源 以年均氣溫作為熱量資源，以降水量累計值作為降水資源，降雨日數(shù)為日降水量≥0.1 mm累計值。太陽總輻射計算公式：

Rs=R0(0.172+0.521n/N)

N=24ωs/π

式中，Rs為太陽總輻射(MJ/m2)，R0為天文輻射(MJ/m2)，n為實際日照時數(shù)(h)，N為可照時數(shù)(h)，ωs是日落時的時角，π取3.141 592 6[10]。

降水量(mm)等級劃分標準[11]：小雨，≥0.1～≤9.9；中雨，≥10.0～≤24.9；大雨，≥25.0～≤49.9；暴雨，≥50.0～≤99.9；大暴雨，≥100～≤249.9；特大暴雨，≥250.0。

1.3.2 氣候傾向率 氣候要素的趨勢變化采用一次線性方程表示，利用最小二乘法擬合一元線性方程。

X=a+bt

式中，X為氣象要素，t為時間，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。其斜率(b)表示氣象要素變化傾向率，b值的正或負反映趨勢上升或下降，b×10為氣候要素傾向率，表示氣象要素每10年的變化率[12]。

1.3.3 M-K突變檢驗 采用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)統(tǒng)計方法對氣象要素時間序列進行突變檢驗[13]，該方法可檢驗序列的變化趨勢、突變點和突變時間區(qū)域等，不需樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。顯著水平為P<0.05，UF和UB統(tǒng)計量對應的臨界值為μ0.05=±1.96。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2013計算氣象數(shù)據(jù)，用DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行M-K突變檢驗，用ArcGIS10.0進行地理分布繪圖。

2 結果與分析

2.1 熱量資源的變化

從圖2看出，1961-2019年，皖西大別山區(qū)年均氣溫為16.1℃，最大為17.0℃，出現(xiàn)在2007年；最小為15.2℃，出現(xiàn)在1980年。年均氣溫呈極顯著(P<0.01)增加，為0.16℃/10a。其中，東北部的舒城和西北部的金寨增溫較明顯，均大于0.2℃/10a，東部的桐城增溫相對較小，小于0.1℃/10a。從空間分布看，近60年皖西大別山區(qū)由北向南年均氣溫呈逐漸升高趨勢，南部的太湖、潛山和宿松等地年均氣溫大于16.5℃，中部的岳西為14.6℃。從年代際變化看，年均氣溫呈“V”字形，1970s開始下降，1980s降至最低，之后逐漸上升，2010s升至最高。經(jīng)M-K檢驗，1961-2019年年均氣溫UF和UB曲線相交于2000-2001年，表明年均氣溫在2001年發(fā)生由少到多的突變，突變后較突變前上升0.7℃，且UF曲線在2004年超過μ0.05=±1.96的臨界線，增加趨勢顯著。

圖2 1961-2019年皖西大別山區(qū)年均氣溫的變化、分布及M-K突變檢驗

2.2 輻射資源的變化

從圖3可知，1961-2019年皖西大別山區(qū)年均太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，平均減幅為101.3 MJ/(m2·10a)，但不同區(qū)域差別較大。其中，以西北部的霍山減幅最大，為143.1 MJ/(m2·10a)，以南部的太湖減幅最小，為53.6 MJ/(m2·10a)。近60年來，皖西大別山區(qū)年均太陽年均總輻射為5 672.7 MJ/m2，最大為5 919.3 MJ/m2，出現(xiàn)在1978年；最小為4 769.7 MJ/m2，出現(xiàn)在2014年。從空間分布看，近60年皖西大別山區(qū)年均太陽總輻射以中部的岳西最大，大于5 400 MJ/m2，北部的霍山和舒城相對較小，小于5 200 MJ/m2。從年代際變化看，1960s太陽總輻射超過5 500 MJ/m2，之后逐漸下降，2010s不足5 100 MJ/m2。經(jīng)M-K檢驗，1961-2019年年均太陽總輻射UF和UB曲線相交于1990-1991年，表明年均太陽總輻射在1989年發(fā)生由多到少的突變，突變后較突變前減少316.0 MJ/m2，且UF曲線在1993年超過μ0.05=±1.96的臨界線，減少趨勢顯著。

圖3 1961-2019年皖西大別山區(qū)年均太陽總輻射的變化、分布及M-K突變檢驗

2.3 降水資源的變化

2.3.1 降水量 從圖4看出，1961-2019年皖西大別山區(qū)年降水量呈不明顯增加趨勢，平均增幅為19.6 mm/10a，不同區(qū)域差異明顯。其中，以南部的宿松增幅最大，為50.9 mm/10a；東北部的舒城增幅最小，為2.8 mm/10a。年均降水量為1 359.2 mm，年際間差異較大，年降水量最小為806.7 mm，出現(xiàn)在1978年；最大為1 941.2 mm，出現(xiàn)在2016年。從空間分布看，近60年皖西大別山區(qū)由東北向西南年均降水量呈增加趨勢，其中降水豐富區(qū)域的年均降水量超過1 400 mm，分布于中南部的岳西、太湖和潛山等地；低值區(qū)年均降水量不足1 120 mm，分布于東北部的舒城。從年代際變化看，年均降水量以上下波動為主，呈“N”字型，1960s-1980s呈逐漸增加趨勢，1980s-2000s呈逐漸減少趨勢，2000s-2010s呈逐漸增加趨勢。經(jīng)M-K檢驗，1961-2019年年均降水量UF和UB曲線有多個叉交點，且交點均位于μ0.05=±1.96臨界線內(nèi)，表明1961-2019年皖西大別山區(qū)年均降水量未發(fā)生突變。

圖4 1961-2019年皖西大別山區(qū)年降水量的變化、分布及M-K突變檢驗

2.3.2 降水日數(shù) 從圖5看出，1961-2019年皖西大別山區(qū)降水日數(shù)呈不明顯減少趨勢，減幅為0.19 mm/10a，其中小雨日數(shù)呈減少趨勢，為0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日數(shù)呈增加趨勢，增幅分別為0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。近60年皖西大別山區(qū)年均降水日數(shù)為135.3 d，最大為156.4 d，出現(xiàn)在1989年，最小為109.7 d，出現(xiàn)在2011年。從空間分布看，降水日數(shù)區(qū)域間差別不大，高值區(qū)年均降水日數(shù)分別為146 d和140 d，分布于大別山區(qū)中部的岳西、霍山；低值區(qū)年均降水日數(shù)分別為128 d和127 d，分布于大別山東部的舒城、桐城。降水日數(shù)年代際呈“N”字型變化，從1960s開始增加，至1980s增至最大，之后減少，至2000s減至最低，2010s略增加。經(jīng)M-K檢驗，1961-2019年皖西大別山區(qū)年均降水日數(shù)的UF和UB曲線存在多個交叉點，且交叉點均位于μ0.05=±1.96臨界線內(nèi)，表明1961-2019年大別山區(qū)年降水日數(shù)未發(fā)生突變。

圖5 1961-2019年皖西大別山區(qū)降水日數(shù)的變化、分布及M-K突變檢驗

3 討論

全球氣候變暖背景下，1961-2019年皖西大別山區(qū)年均氣溫呈顯著(P<0.01)增加趨勢，增幅為0.16℃/10a。張紅等[14-15]對安徽省不同時間尺度平均氣溫變化趨勢的研究也得出相同結論，說明皖西大別山區(qū)平均氣溫變化趨勢與全省變化趨勢具有一致性。陳夢春等[16]報道，安徽省年均氣溫的升高主要受冬季升溫影響最大，春秋季次之，夏季最小。皖西大別山區(qū)年均氣溫在2001年發(fā)生由少到多的突變，突變后較突變前上升0.7℃。在8個氣象觀測站中，以岳西站年均氣溫最低，這主要與岳西氣象觀測站海拔高度有關，通常隨海拔高度增加溫度逐漸降低。

近60年皖西大別山區(qū)太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，減幅為101.3 MJ/m2，與盧燕宇等[17]對近50年安徽周年太陽總輻射時空變化特征的研究結論基本一致。盧燕宇等[17]報道，太陽總輻射與日照密切相關，所以太陽總輻射的減少主要是由于日照減少所致。何彬方等[18]研究認為，安徽省日照的減少與能見度的下降、大氣水汽壓的增加、年降水量及年雨日數(shù)的增加關系密切。張浩等[19]研究表明，安徽省近50年來能見度下降是導致日照時數(shù)下降的原因之一?？臻g分布上，岳西站太陽輻射明顯高于周邊站點，主要是因為太陽輻射與大氣厚度和大氣密度有關，通常海拔越高陽光通過大氣路程越短，空氣越稀薄，大氣對太陽輻射削弱越小，所以岳西氣象觀測站太陽輻射相對較大。

近60年皖西大別山區(qū)降水量呈不明顯增加趨勢，增幅為19.6 mm/10a，與唐寶琪等[15-16,20-21]關于安徽省降水量變化的研究結論較一致。皖西大別山區(qū)降水日數(shù)以波動變化為主，變化趨勢不明顯，其中小雨日數(shù)呈減少趨勢，減幅為0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日數(shù)呈增加趨勢，增幅分別為0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。馬曉群等[22]研究表明，1953-2006年淮河流域安徽境內(nèi)年總降水日數(shù)減少，大雨以上級別雨日呈微弱增加趨勢；江俊杰等[21]研究發(fā)現(xiàn)，1959-2007年安徽省總雨日呈極顯著減少趨勢，其中小雨日數(shù)顯著減少，大雨日數(shù)波動減少，暴雨日數(shù)增加趨勢明顯。前述研究結論與本研究結果存在一定的差異，可能與研究范圍和時段不同有關。大別山區(qū)降水量和降水日數(shù)與觀測站海拔高度關系密切，即隨著海拔高度增加降水量和降水日數(shù)呈增加趨勢，玄海燕等[22]研究表明，長江中下游地區(qū)年降水量隨海拔高度的升高而增加。研究僅分析了大別山區(qū)年均氣溫、太陽總輻射、降水量和降水日數(shù)等氣候要素年均值的年際變化和空間分布特征，未考慮季節(jié)變化特征，也未對最高氣溫、最低氣溫、日較差、風速和蒸發(fā)等氣候要素進行分析，下一步應重點研究分析大別山區(qū)氣候多要素和不同時間尺度變化特征。

4 結論

1961-2019年皖西大別山區(qū)年均氣溫呈極顯著(P<0.01)增加趨勢，太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，降水量和降水日數(shù)以波動變化為主，變化趨勢不明顯；年均氣溫在2001年發(fā)生由少到多的突變，升高0.7℃；太陽總輻射在1989年發(fā)生由多到少的突變，減少316.0 MJ/m2；降水量和降水日數(shù)無明顯突變點。氣候資源的分布和變化與海拔高度關系密切，年均氣溫隨著海拔高度的增加而降低，太陽總輻射、降水量和降水日數(shù)隨著海拔高度的增加而增加。