1991—2020年南靖縣氣候特征和干旱化趨勢分析*

王秋云 孟冰祥 趙躍賓 蔡藝友

(1.南靖縣氣象局，福建 漳州 363600；2.漳州市氣象局，福建 漳州 363001;3.平和縣氣象局，福建 漳州 363700)

IPCC第五次評估報告指出[1]，全球快速變暖已經(jīng)是一個不爭的事實，相對于1961—1990年，1880—2012年全球地表平均氣溫約上升了0.85℃。近年來，我國很多學(xué)者也對全國或區(qū)域性的氣溫變化進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)100年來我國溫度的增暖趨勢與全球增暖趨勢一致，但不同城市不同區(qū)域溫度變化特征不盡相同。王遵婭等[2]利用中國740個站逐日數(shù)據(jù)資料研究發(fā)現(xiàn)，近50年來全國平均氣溫在20世紀(jì)80年代以后上升更為明顯，全國平均年總降水量波動略有減少，但90年代以后夏季降水增加明顯。王勝杰等[3]采用氣候傾向率和反距離權(quán)重插值等方法，研究發(fā)現(xiàn)1961—2020年黃河流域氣溫表現(xiàn)為極顯著升高趨勢，降水總體呈下降趨勢。王麗萍等[4]運(yùn)用線性趨勢法、Mann-Kendell法等手段，分析得出近50年來河套灌區(qū)年平均氣溫呈逐年上升的趨勢。張強(qiáng)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，近50年來西北地區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢，降水變化空間差異突出，西北地區(qū)整體暖干化趨勢明顯，局部出現(xiàn)暖濕現(xiàn)象。王文靜[6]等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、小波分析等方法，對1960—2013年華南地區(qū)的氣候變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近54年華南地區(qū)年平均氣溫以0.17℃/10a的速率上升、降水量以8.7mm/10a的速率上升。黃奇曉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，福建省1980—2017年間平均氣溫上升趨勢顯著。林凌等[8]利用1960—2013年福州地區(qū)8個國家氣象觀測站的氣溫和降水資料，分析得出福州地區(qū)8站平均氣溫、最高和最低氣溫的季節(jié)年際變化均呈上升趨勢，降水量的年和季節(jié)變化趨勢不明顯，除閩清和永泰年降水量呈下降趨勢外，其他6站的年降水量均呈上升趨勢。

南靖縣位于福建省南部，博平嶺山脈的東南方向，地理坐標(biāo)為24°26′N～25°00′N，117°00′E～117°36′E。地勢呈西北向東南明顯傾斜，自西北向東南地貌依次分為中低山、丘陵、臺地和平原4種類型，其中丘陵所占比例最大。全縣生物資源豐富，農(nóng)業(yè)宜種性廣，是國家級、省級商品糧食基地縣、全國第二批農(nóng)產(chǎn)品無公害示范縣、高優(yōu)農(nóng)業(yè)示范區(qū)。本文利用1991—2020年南靖國家氣象觀測站數(shù)據(jù)，對南靖縣近30年降水、氣溫的氣候變化特征進(jìn)行統(tǒng)計，對在氣候變暖背景下該地區(qū)的干旱化趨勢進(jìn)行分析，以期為南靖縣氣候監(jiān)測和評估、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

選取南靖縣1991—2020年逐月降水量和氣溫值為基本數(shù)據(jù)，采用線性傾向估計法，建立時間與要素值的一元線性回歸Yi=bXi+a(i=1,2,...,i+a)關(guān)系，對年降水量、年平均氣溫變化趨勢進(jìn)行分析。以標(biāo)準(zhǔn)化降水—蒸散指數(shù)(SPEI)為干旱指標(biāo)，對氣候變暖背景下南靖縣干旱變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計。

標(biāo)準(zhǔn)化降水—蒸散指數(shù)(SPEI)是一種新的干旱指標(biāo)[9]，它通過水分虧缺量和持續(xù)時間2個要素來描述干旱，以降水量與月潛在蒸發(fā)量之差代替了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計算的月降水量，結(jié)合了SPI的多時空屬性和干旱監(jiān)測指數(shù)(PDSI)對蒸發(fā)需求變化的敏感性(由于溫度變化導(dǎo)致的結(jié)果)，是一種新的適用于氣候變暖背景下干旱監(jiān)測與評估的干旱指數(shù)。具體計算步驟如下：

①潛在蒸散發(fā)的計算[9]：

(1)

式(1)中，T為月平均氣溫(℃)；I為總加熱指數(shù)，由12個月的平均加熱指數(shù)累加得到；m為系數(shù)，由I決定，計算方法為：m=6.75×10-7I3-7.71×10-5I2+1.79×10-2I+0.492；K為訂正系數(shù)，為緯度和月份的函數(shù)。

②計算氣候水平衡值：

Di=Pi-PETi

(2)

式(2)中，Di為月降水與蒸散的差值，Pi為月降水量。

③使用三參數(shù)Log-logistic概率分布模型擬合所建立的數(shù)據(jù)序列，獲得SPEI指數(shù)：

(3)

式(3)中，α、β和γ為尺度、形狀和初始狀態(tài)參數(shù)。

④D的概率分布函數(shù)可以表示為：

(4)

由F(x)可以獲得SPEI的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。根據(jù)Abramowitz和Stegun的經(jīng)典近似理論有：

(5)

表1 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水—蒸散指數(shù)的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 氣候變化特征

2.1.1 降水量隨時間變化特征

南靖縣1991—2020年多年平均降水量為1731.6mm，降水量最多的年份出現(xiàn)在2006年，達(dá)2481.8mm；降水量最少的年份出現(xiàn)在2009年，為1010.5mm，年降水量極差達(dá)1471.3mm。圖1給出了1991—2020年南靖縣年平均降水量隨時間變化的曲線，分析發(fā)現(xiàn)，南靖降水量以87.0mm/10a的速率呈下降趨勢。

圖1 南靖縣1991—2020年年平均降水量變化及趨勢(虛線為線性趨勢線)

如圖2所示，從季節(jié)上看，冬季平均降水量為172.5mm，降水量最多的年份為2006年，達(dá)到450.7mm，比平均降水量多278.2mm。降水量最少的年份為2009年，僅有27.9mm，比平均降水量少144.6mm。由曲線發(fā)現(xiàn)，近30a冬季的降水量以4.9mm/10a的速率呈下降趨勢。春季平均降水量為467.9mm，降水量最多的年份也是2006年，達(dá)到889.1mm，最少的年份也是2009年，僅有125.3mm。夏季的平均降水量為795.3mm，近30a夏季的降水量均在400mm以上，最大降水量出現(xiàn)在2000年為1225.9mm，最小降水量出現(xiàn)在2010年為406.7mm，總體來說，夏季為南靖降水量最充沛的季節(jié)，但是從時間變化趨勢看，夏季降水以91.2mm/10a的速率呈減少趨勢，并且通過了α=0.05的顯著性檢驗，說明近30a南靖縣夏季降水呈明顯減少趨勢。秋季的平均降水量為295.4mm，降水量最多的為2016年，達(dá)647.4mm，最少的年份為2019年，僅有82.9mm，從變化趨勢看，秋季總體呈上升趨勢?？傮w而言，1991—2010年，南靖縣的降水量在冬季、春季和夏季呈現(xiàn)減少的趨勢，其中夏季降水量呈顯著減少，而秋季的降水量呈上升趨勢，但上升趨勢不明顯。

圖2 南靖縣1991—2020年各季節(jié)降水量及趨勢(虛線為線性趨勢線)

2.1.2 氣溫隨時間變化特征

南靖縣1991—2020年多年平均氣溫為21.6℃，2020年平均氣溫達(dá)22.7℃，為近30a的最大值；最小值出現(xiàn)在1991年，為20.6℃。由圖3可見，南靖縣氣溫以0.3℃/10a的速率逐年增高，并且通過了α=0.01的顯著性水平檢驗。從年代變化看，20世紀(jì)90年代的多年平均氣溫為21.3℃， 21世紀(jì)初期平均氣溫略有上升，達(dá)21.5℃，進(jìn)入21世紀(jì)10年代后，平均氣溫上升明顯，達(dá)21.8℃。由此可見，近30a來南靖縣氣溫呈顯著升高趨勢，尤其從2010年開始，上升趨勢更為明顯。

圖3 南靖縣1991—2020年年平均氣溫及趨勢(虛線為線性趨勢線)

從季節(jié)上看，1991—2010年南靖縣冬、春、夏和秋季的平均氣溫分別為14.4℃、20.7℃、27.9℃和23.1℃。由圖4可見，近30a來南靖縣四季氣溫隨時間均呈現(xiàn)上升趨勢，冬季氣溫以0.3℃/10a的速率增長，通過了α=0.05的顯著性檢驗，春季以0.2℃/10a的速率上升，但是上升趨勢不明顯，夏季和秋季分別以0.3℃/10a和0.5℃/10a的速率升高，且均通過了α=0.01的顯著性檢驗。綜上所述，1991—2010年南靖縣氣溫在四季隨時間均呈現(xiàn)上升趨勢，其中夏季和秋季呈顯著上升趨勢。

圖4 南靖縣1991—2020年各季節(jié)平均氣溫及趨勢(虛線為線性趨勢線)

2.2 干旱趨勢變化特征

2.2.1 干旱強(qiáng)度變化特征

根據(jù)南靖縣1991—2020年氣象站點的月降水量及月平均氣溫值，計算SPEI值，以歷年每月SPEI<-0.5平均值的絕對值作為該年的平均干旱強(qiáng)度。由圖5可見，除1997年為無旱之外，其他年份均出現(xiàn)了不同程度的干旱，強(qiáng)度最強(qiáng)的年份在2010年達(dá)1.72，為中度干旱程度。在1991—2020年間干旱強(qiáng)度以0.16/10a的速率在增強(qiáng)，并且通過了α=0.01的顯著性水平檢驗，說明近30年南靖縣的干旱強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)趨勢，干旱化加劇。從年代際來看，1991—2000年干旱強(qiáng)度值為0.83，為輕度干旱，2001—2010年和2011—2020年的平均干旱強(qiáng)度值分別為1.15和1.17，均達(dá)到中度干旱。總體而言，南靖縣干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，且存在明顯的年代際變化特征，尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，干旱強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，干旱化趨勢明顯。

圖5 南靖縣1991—2020年干旱強(qiáng)度及趨勢(虛線為線性趨勢線)

2.2.2 干旱月數(shù)變化特征

統(tǒng)計歷年每月SPEI≤-0.5的月份個數(shù)，為當(dāng)年度出現(xiàn)干旱的月數(shù)。如圖6所示，1991—2020年間干旱月數(shù)的平均值為3.6個月，最小值(為0)出現(xiàn)在1997年，即1997年全年無旱，最大值為6個月，出現(xiàn)在1996年、2003年、2009年、2011年、2020年。從曲線上看，干旱月數(shù)隨時間呈增加趨勢，增加速率為0.7月/10a，并且通過了α=0.05的顯著性水平檢驗，說明近30年南靖縣的干旱月數(shù)隨時間呈顯著增加趨勢。從年代分布來看，20世紀(jì)90年代干旱月數(shù)的均值為2.8個月，21世紀(jì)10年代的干旱月數(shù)均值較上一個年代明顯增大，達(dá)到4.0個月，進(jìn)入20年代后均值仍略有上升，為4.1個月，由此可見干旱月數(shù)隨年代際呈逐步增加趨勢。1991—2020年南靖縣干旱月數(shù)呈增加趨勢，尤其從21世紀(jì)開始增加的趨勢更為明顯。

圖6 南靖縣1991—2020年年平均干旱月數(shù)及趨勢(虛線為線性趨勢線)

從月份分布上看(圖7)，1—12月均有干旱出現(xiàn)，各月份干旱發(fā)生頻率均在20%以上，其中7月出現(xiàn)干旱的頻率最高，達(dá)到40.0%，其次是2月和11月，干旱頻率為36.7%。5月、8月和10月發(fā)生頻率最低，為23.3%。

圖7 南靖縣1991—2020年不同月份干旱發(fā)生頻率

3 結(jié)論

①1991—2020年南靖縣降水量總體趨于減少，減少的速率為87mm/10a。從季節(jié)上看，除秋季降水以30 mm/10a的速率趨于上升外，冬季、春季和夏季降水量均呈現(xiàn)減少趨勢，冬季、春季的減少速率分別為4.9mm/10a、16.5mm/10a，夏季降水量減少最顯著，減少的速率達(dá)91mm/10a。

②南靖縣近30年平均氣溫以0.3℃/10a的速率在逐年增高，四季的平均氣溫隨時間均呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率分別為0.3℃/10a、0.2℃/10a、0.3℃/10a 和0.5℃/10a，其中夏季和秋季上升趨勢通過了α=0.01的顯著性檢驗，即夏季和秋季氣溫顯著上升。

③近30年干旱強(qiáng)度以0.16/10a的速率在增強(qiáng)，干旱月數(shù)以0.7月/10a速率呈增加趨勢，干旱強(qiáng)度和月數(shù)均隨年代際呈逐步增強(qiáng)的趨勢，尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，干旱化趨勢明顯。