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.貴州省林業科學研究院,貴陽 550005;3.貴州省氣象臺,貴陽 550002;4.白云區氣象局,貴陽 550014)

近年來，在溫室效應和城市化進程快速發展的大背景下，全球變暖趨勢日益顯著[1]。IPCC第五次評估報告指出，1951—2012年全球平均地表溫度升高了0.72℃[2]，1980—2012年為工業革命以來最暖的30年。同時，隨著全球氣候的變化，中國氣候表現出獨特的變化特征，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不顯著，1951—1989年，呈微弱的減少趨勢，但存在明顯的區域差異[3]。氣溫和降水作為氣候變化的兩大重要因素，對生態環境的影響巨大。研究氣溫和降水的變化規律具有重要的意義，因而很多學者對此進行了研究。如：侯凱等[4]研究指出，氣溫升高趨勢將不再持續，未來可能降低，并且年降水量減少趨勢也不再持續，未來可能開始增加；同時，趙路偉等[5]在研究中指出，河南省近54 a氣溫上升趨勢顯著，降水量在波動中略微有減少的趨勢；苗正偉等[6]對京津冀地區近55 a氣候演變特征進行分析，氣候要素的突變主要發生在80年代前后。

西南喀斯特地區是我國4個主要酸雨沉降地區之一，十分脆弱，早在20世紀70年代有大量的學者對西南地區的降水進行了研究，但是對氣溫和降水變化特征的研究極少。李勇等[7]研究指出貴州區域年降水量存在減少的趨勢，同時降水存在一定的突變；然而對貴州小區域降水和氣溫變化特征的研究目前尚不全面和深入。基于此，本文應用貴州省修文縣1963—2018年氣溫和降水時間序列數據，采用線性趨勢法、滑動平均、累積距平分析、信噪比檢驗、M-K檢驗法分析修文縣年平均氣溫、降水量的趨勢及突變，以期為貴州省小區域氣候資源利用和農業生產指導提供參考。

1 研究區概況

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。修文縣境內海拔940～1 610 m，平均海拔1 290 m，氣候屬亞熱帶季風濕潤區。貴州省修文縣是黔中經濟區和貴陽北部新區的重要節點城市，除西部邊緣河谷切割較深外，相對高度多在150 m以內，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 數據資料及研究方法

2.1 數據資料

論文研究數據來源于貴州省修文縣氣象臺1963—2018年近55 a的氣溫和降水觀測資料，該數據資料完整，樣本數n為55，對于貴州省小區域氣候變化研究具有較好的代表性，同時利用orign，Matlab和Excel等軟件進行數據的處理、分析和繪圖。采用氣象統計常用的四季劃分：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 線性趨勢分析與其相關性檢驗 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[9]，分析修文1963—2018年55年平均氣溫和年降水量的變化趨勢。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為常數項；b為斜率；x為時間(1963—2018年)。b×10表示氣象要素每10 a的氣候傾向率。

檢驗方法如下：若|r|≥r0.05(n-2)，則線性回歸是顯著的，y與x之間呈線性關系。對一元回歸方程相關系數作相關性檢驗，取顯著水平為α=0.05，r0.05(n-2)=r0.05(55-2)=0.237。其中：r表示相關系數；n表示樣本數；r0.05(n-2)表示樣本為n、顯著水平為0.05時的相關系數。

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的方法[10]。對于氣候要素序列，其某一時刻t的累積距平表示為：

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

式中：x1，x2和S1，S2分別為轉折年份前后兩階段的平均值和標準差。若S/N大于1，則認為在這個年份存在氣候突變，反之為突變不顯著。

2.2.3 Mann-Kendall趨勢分析及突變檢驗 M-K突變檢驗是一種常用的分析氣象數據時間序列趨勢的方法，其不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異樣值的干擾，具有檢驗范圍寬、定量化程度高、人為性小等優點[12-13]。

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

3 結果與分析

3.1 氣 溫

圖1 修文縣1963-2018年年平均氣溫變化

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

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(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定態跳躍式的轉變為另一種穩定態的現象[16]。由圖3所示，氣溫累積距平曲線的絕對值最大值為6.46(1997年)，這次轉折是氣溫從偏低期轉為偏高期，1997年之后的偏高期至今仍在持續。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，且其累積距平曲線的絕對值(6.05)略小于1997年(6.46)，計算其信噪比，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象越來越明顯。

3.1.4 氣溫M-K突變檢驗 利用M-K檢驗法對修文近年平均溫度進行突變檢測，給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。由圖4知，氣溫總體呈現上升趨勢，1995年之前氣溫變化平緩，1995年之后氣溫顯著增暖，持續上升，特別是2000年以來增暖的趨勢十分顯著(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達到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、信噪比檢測分析知，1997年以來，氣溫氣候突變的現象越來越明顯，綜合M-K突變分析結果，表明修文氣溫在2000年發生氣溫上升的突變。

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 年降水量年紀變化特征 圖5為修文縣1963-2018年降水量變化曲線，對其進行五年滑動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，其下降幅度為31.8 mm/10 a。對一元線性方程進行相關性檢驗，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 降水量季節變化特征 由表2可知，20世紀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世紀始，春、夏、秋降水呈總體呈明顯波動下降趨勢，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不大，春季降水量逐月增多，夏季月降水量相對較多，秋季降水呈逐月降低趨勢。降水量年內分配十分不均，主要集中在5—9月。各年代月降水量基本均在夏季6月達到最大值，其中70年代6月降水量達到275.5 mm。不同年代降水量的季節變化差異比較明顯(6B、表2)，年際波動變化大，春、夏、秋季降水總體呈明顯波動下降趨勢，冬季降水減少趨勢不明顯；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，研究區域的降水量發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致旱澇災害趨向頻繁，暴雨發生頻率增加。

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年呈波動下降趨勢，1968—1980年呈波動上升趨勢，1980—1995年呈波動下降趨勢，1995—2000年呈波動上升趨勢，2000—2018年呈波動下降趨勢。1968年和1995年為低值轉折年、1980年和2000年為高值轉折年。降水累積距平曲線的絕對值最大值為1 625.1(1980年)，這次轉折是降水從偏高期轉為偏低期，1980年之后的偏低期至今仍在持續。

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 由圖8可知，1963—1969年、1981—2018年，UF值總體上呈現波動下降趨勢，且基本在0線值以下，即UF<0，這表明1963—2018年研究區域降水量基本呈下降趨勢，與線性回歸分析研究結果一致；1970—1980年UF0，表明1970—1980年研究區域降水量呈上升趨勢。UF與UB在置信區間主要有3個交點(1980—1984年)，在交點之后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年為降水的高值轉折年，綜合M-K突變檢驗分析結果，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 論

(1) 貴州修文年均氣溫總體呈上升趨勢，增速為0.11℃/10 a，年均氣溫的變化范圍為12.8～14.6℃；通過相關性檢驗，線性回歸是顯著的，即年均氣溫的增長趨勢是顯著的。年均氣溫在2000年發生由低溫到高溫的突變。研究區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更為突出。

(2) 修文縣降水量在波動中總體上呈下降趨勢，下降幅度為31.8 mm/10 a；通過相關性檢驗，線性回歸是顯著的，即年降水量的下降趨勢是顯著的。各年代月降水量基本均在夏季6月達到最大值，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) 本研究結果表明，修文縣氣溫升高，降水減少，這種現象可能會對小區域水循環產生影響，發生干旱的風險將會提高，在農業生產中要加強抵御和防御春秋兩季的干旱；其次年降水量的年際波動變化大，因而需加強農業抗旱等設施的建設，降低農業生產的風險。

本文通過在小區域范圍內對氣溫和降水量的變化特征分析，為小區域生態環境治理與改善以及其他學科的研究提供依據。然而，還應進一步研究氣溫的升高與降水的減少之間存在的聯系及二者的變化對生態環境造成的影響。