忻州市近40年氣溫、降水變化的時(shí)空分布特征

秦小康，管麗晶，馬子平，楊 麗，王 磊

（1.山西省五寨縣氣象局，山西 五寨 036200；2 山西省忻州市氣象局，山西 忻州 034000）

0 引言

2021年8月9日政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》顯示，2011～2020年間，全球地表平均溫度比1850～1900年間高出1.09 ℃，為人類(lèi)有史以來(lái)升溫最快的10年，2016～2020年是人類(lèi)有記錄以來(lái)最熱的5年，報(bào)告指出，隨著大氣、海洋和陸地的變暖，大氣、海洋、冰凍圈及生物圈已經(jīng)發(fā)生了廣泛而深刻的變化［1-2］。我國(guó)的氣候變暖趨勢(shì)與全球相一致。在全球氣候升溫的大背景下，忻州市氣溫降水的變化有其自身特點(diǎn)，因此，有必要對(duì)忻州市的氣候要素變化進(jìn)行單獨(dú)分析。楊勇等［3］對(duì)忻州市1963～2012年間的氣溫和降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。馬子平等［4］總結(jié)了五寨縣近50年（1957～2003年）氣候變化的規(guī)律，分析了五寨縣氣溫、降水、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等的變化趨勢(shì)。

山西歷來(lái)是農(nóng)耕與糧食種植大省，史載有遠(yuǎn)古堯舜禹耕作的足跡，農(nóng)學(xué)界有世界雜糧在中國(guó)，中國(guó)雜糧在山西，山西雜糧在忻州之說(shuō)。忻州小雜糧的種類(lèi)很多，主要雜糧種植品種有“三麥、四米、五豆”，其中“三麥”指莜麥、蕎麥、藜麥，主要分布于靜樂(lè)、寧武、神池、岢嵐、保德等地；“四米”即小米、糜米、甜糯玉米、黃米，谷子和糜黍在忻州市各縣均有種植，甜糯玉米主要種植在東部忻定盆地和西部五寨縣；“五豆”指紅蕓豆、蠶豆、綠豆、大豆、豌豆。小雜糧生育期短，耐旱、耐寒，貧瘠土地亦能生長(zhǎng)。忻州下轄14個(gè)區(qū)、縣、市，是山西省版圖中最大的市，被大面積的丘陵山區(qū)占據(jù)，其優(yōu)質(zhì)的種植資源和適宜的氣候因素成為適宜小雜糧生產(chǎn)的先天條件［5-7］。

本研究通過(guò)對(duì)忻州市近40年（1981～2020年）各縣、區(qū)、市氣溫和降水變化的時(shí)空分布及干旱特征進(jìn)行分析，以期為忻州市小雜糧產(chǎn)業(yè)和鄉(xiāng)村振興助力，并為忻州市防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃提供理論依據(jù)［8］。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)自于忻州市14個(gè)縣、區(qū)、市的國(guó)家氣象觀測(cè)站（圖1），各站點(diǎn)數(shù)據(jù)序列完整可靠，能夠反映當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鳌１疚倪x取14個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站40年（1981～2020年）的逐月平均氣溫、逐月降水量2個(gè)要素進(jìn)行分析。

圖1 忻州市14個(gè)縣（區(qū)）國(guó)家氣象觀測(cè)站的空間分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 線性?xún)A向估計(jì) 用SPSS軟件對(duì)忻州市14個(gè)觀測(cè)站的平均氣溫和降水量資料作線性?xún)A向估計(jì)［9-10］，并用一元線性回歸方程表征：

式（1）中，yt為資料序列中的變量值，t為yt所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，n為研究的區(qū)間長(zhǎng)度，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)b表示氣象要素變化的趨勢(shì)傾向，當(dāng)b＞0時(shí)，說(shuō)明隨著時(shí)間t的增加，yt呈上升/增加的趨勢(shì)；當(dāng)b＜0時(shí)，說(shuō)明隨著時(shí)間t的增加，yt呈下降/減少的趨勢(shì)。

1.2.2 季節(jié)的劃分 按照氣象劃分法將四季劃分為：3月至5月為春季，6月至8月為夏季，9月至11月為秋季，12月至次年2月為冬季［11］。

1.2.3 ArcGIS 10.2空間分析 基于ArcGIS 10.2軟件空間插值方法中的反距離權(quán)重法(IDW)［12］對(duì)忻州市氣溫、降水變化進(jìn)行空間插值，分析要素變化的分布特征并進(jìn)行區(qū)域制圖。

1.2.4 降水量距平百分率（PA） 降水量距平百分率［13］能夠反映某一時(shí)間段內(nèi)降水量與同期平均狀態(tài)的偏離程度，公式為：

式（2）中：PA為某時(shí)段降水量距平百分率（%）；P為某時(shí)段降水量（mm）；P為計(jì)算時(shí)段同期氣候平均降水量（mm），按公式（3）計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 忻州市氣溫變化特征

通過(guò)對(duì)忻州市1981～2020年各觀測(cè)站的年平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖2）可知，近40年來(lái)忻州市年平均氣溫整體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，變化速率0.417 ℃/10 a；年平均最低氣溫6.4 ℃，出現(xiàn)在1984年；年平均最高氣溫9.0 ℃，出現(xiàn)在1999年。40年來(lái)年平均氣溫為7.9 ℃，在全球變暖的大趨勢(shì)下，2016～2020年忻州市平均氣溫為8.6 ℃，為統(tǒng)計(jì)以來(lái)最熱的5年。

圖2 1981～2020年忻州市年平均溫度年際變化

由表1可知，忻州市季節(jié)平均氣溫變化中春季升溫最為明顯，四季氣溫上升幅度的變化趨勢(shì)排序?yàn)椋捍杭荆径荆厩锛荆鞠募尽?/p>

表1 1981～2020年忻州市四季平均氣溫特征

2.1.1 忻州市氣溫年變化特征與季節(jié)分布特征 由各觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)資料序列（表2）可知，忻州下轄各縣、區(qū)、市年平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，繁峙縣、河曲縣、神池縣、五寨縣、忻府區(qū)、原平市氣溫升幅高于全市平均水平。其中原平市氣溫升幅最大，為0.550 ℃/10 a；五臺(tái)縣氣溫升幅最小，為0.167 ℃/10 a。從四季氣溫的變化幅度來(lái)看，各縣、區(qū)、市的四季氣溫均呈升高趨勢(shì)，春季原平市氣溫增幅最大，為0.684 ℃/10 a；夏季繁峙縣氣溫增幅最大，為0.398 ℃/10 a；秋季原平市氣溫增幅最大，為0.513 ℃/10 a；冬季忻府區(qū)氣溫增幅最大，為0.854 ℃/10 a。四季氣溫增幅最小區(qū)域均為五臺(tái)，分別為春季0.301 ℃/10 a，夏季0.032 ℃/10 a，秋季0.109 ℃/10 a，冬季0.272 ℃/10 a。

表2 忻州各縣、區(qū)、市觀測(cè)站年度氣溫變化率 ℃/10 a

2.1.2 忻州市氣溫變化空間分布特征 通過(guò)ArcGIS 10.2軟件對(duì)各季節(jié)氣溫變化率進(jìn)行空間插值和區(qū)域制圖（圖3），從圖中可以看出，忻州市氣溫變化存在明顯的區(qū)域性特征。在全球變暖的背景下，忻州市全域氣溫升幅明顯，從整體空間分布來(lái)看，忻州市中部氣溫升幅較為明顯，東南部五臺(tái)縣四季氣溫升幅均為最小。就各縣、區(qū)、市季節(jié)氣溫升幅情況來(lái)看，氣溫升幅最大的時(shí)間和區(qū)域?yàn)槎镜男酶畢^(qū)和河曲縣，升幅分別達(dá)0.854 ℃/10 a和0.756 ℃/10 a。

圖3 忻州市各季節(jié)氣溫變率

2.2 忻州市降水變化特征

忻州市年降水變化如圖4所示，近40年來(lái)忻州市年平均降水量總體呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)，上升速率為18.849 mm/10 a。最大年平均降水量為570.5 mm，出現(xiàn)在1988年；最小年平均降水量為299.8 mm，出現(xiàn)在1986年。40年來(lái)年平均降水量為443 mm。

圖4 1981～2020年忻州市平均降水量年際變化

由表3可知，忻州市降水量的季節(jié)變化中秋季升幅最為明顯，四季降水量上升幅度的變化趨勢(shì)排序?yàn)椋呵锛荆鞠募荆径荆敬杭尽?/p>

表3 1981～2020年忻州市四季平均降水量特征

2.2.1 忻州市降水量的年變化特征與季節(jié)分布特征 根據(jù)降水年變化趨勢(shì)（表4）可知，忻州市各縣、區(qū)、市年降水量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，全市各站點(diǎn)變化率差異較大，寧武、五臺(tái)、忻府區(qū)降水量升幅高于全市平均水平，其中五臺(tái)縣降水量增幅最大，為28.806 mm/10 a，靜樂(lè)縣增幅最小，為11.827 mm/10 a。從四季降水量變化幅度來(lái)看，秋、冬季忻州市各縣、區(qū)、市降水均為增多趨勢(shì)，但各地差異較大，秋季河曲縣降水增幅最大，為15.05 mm/10 a，靜樂(lè)縣降水增幅最小，為0.349 mm/10 a；冬季神池縣降水增幅最大，為21.34 mm/10 a，定襄縣降水增幅最小，為0.075 mm/10 a。春季忻州市總體降水為增多趨勢(shì)，但岢嵐、繁峙、靜樂(lè)、五臺(tái)、定襄、原平、忻府等7個(gè)縣、區(qū)、市呈減少趨勢(shì)，其中靜樂(lè)縣以2.936 mm/10 a的速率減少最為明顯。夏季忻州市總體降水為增多趨勢(shì)，僅有偏關(guān)縣夏季降水呈減少趨勢(shì)，減少速率為1.263 mm/10 a。

表4 忻州各縣、區(qū)、市觀測(cè)站年度降水變化率 mm/10 a

2.2.2 忻州市降水變化的空間分布特征 利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)各季節(jié)降水變化率進(jìn)行空間插值和區(qū)域制圖（圖5），從圖中可以看出，春季降水增多區(qū)域大部分位于忻州市西北部及中北部連片區(qū)域，其中偏關(guān)縣增幅最明顯，為3.525 mm/10 a；夏季除偏關(guān)外均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，五臺(tái)縣增幅最為明顯，為20.07 mm/10 a；秋季降水增幅最大區(qū)域集中在忻州西北部的河曲、保德、偏關(guān)及中北部的寧武、神池等區(qū)域；冬季降水增幅區(qū)域集中在忻州市西北部連片區(qū)域。

圖5 忻州市各季節(jié)降水變化率

2.2.3 降水量年代際階段變化規(guī)律 變異系數(shù)［14］是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。忻州市年代際階段平均降水量及其變異系數(shù)如圖6所示。由圖可知，忻州市各年代平均降水量差距明顯，1981～1990、1991～2000、2001～2010階段平均降水量差距相對(duì)較小，到2011～2020年驟升至487.0 mm/a。年際平均降水量變異系數(shù)均在0.10～0.20之間，2011～2020年變異系數(shù)最小，說(shuō)明21世紀(jì)10年代降水量數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定。

圖6 忻州市年代際各階段平均降水量及其變異系數(shù)

3 忻州市年平均氣溫和降水量的突變分析

根據(jù)Mann-Kenddall突變檢驗(yàn)法，計(jì)算順序時(shí)間序列的秩序列得出UF；計(jì)算逆序時(shí)間序列的秩序列得出UB；當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，顯著性臨界值U0.05=±1.96。分析繪制出的UF與UB曲線圖，若UF或UB的值大于0時(shí)，則表明序列呈上升趨勢(shì)；若UF或UB的值小于0時(shí)，則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超出臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。若UF與UB這2條曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)在臨界線之間，交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間［15］。

由圖7中氣溫UF曲線可見(jiàn)，20世紀(jì)90年代中后期以來(lái)，忻州市平均氣溫有明顯增大趨勢(shì)，自1998年以來(lái)增溫趨勢(shì)大大超過(guò)顯著性水平0.05臨界線(U0.05=1.96)，并超過(guò)0.001顯著性水平（U0.001=2.56），表明忻州市增溫趨勢(shì)是顯著的；根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)位置，可知忻州市平均氣溫從1996年開(kāi)始突變上升。同樣由降水量UF、UB曲線可知，年降水量整體波動(dòng)上升，突變發(fā)生在2010年，但UF值均在顯著性水平0.05臨界線內(nèi)，可見(jiàn)年降水量突變并不顯著。

圖7 忻州市1981～2020年氣溫、降水量突變分析

4 忻州市干旱特征分析

4.1 忻州市氣象干旱等級(jí)分析

根據(jù)GB/T 20481—2017《氣象干旱等級(jí)》，降水距平百分率是用于表征某時(shí)段降水量較常年值偏多或偏少的指標(biāo)，能夠直觀反映降水異常引起的干旱，適用于半干旱地區(qū)平均氣溫高于10 ℃的時(shí)間段對(duì)于干旱時(shí)間的監(jiān)測(cè)和評(píng)估［13-16］。降水量距平百分率干旱等級(jí)劃分如表5所示。

表5 降水量距平百分率干旱等級(jí)劃分表

忻州市月平均氣溫高于10 ℃的5～9月正值作物生長(zhǎng)最主要時(shí)期，通過(guò)分析平均氣溫高于10 ℃的時(shí)間段即每年5～9月的降水量距平百分率可以得出相應(yīng)月份的氣象干旱等級(jí)，進(jìn)而反映作物主要生長(zhǎng)發(fā)育階段的干旱情況。

通過(guò)對(duì)忻州市14個(gè)縣、區(qū)、市近40年5～9月共200個(gè)樣本（月降水量距平百分率）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表6）可知，輕旱出現(xiàn)27次，占比13.5%；中旱出現(xiàn)8次，占比4%；重旱出現(xiàn)2次，占比1%；無(wú)特旱出現(xiàn)。從干旱發(fā)生的月份來(lái)看，9月發(fā)生次數(shù)最多，5、8月最少。從表6可以看出，5～9月忻州市出現(xiàn)嚴(yán)重氣象干旱的月份較少，干旱的發(fā)生以輕旱為主，利于玉米等大宗作物及小雜糧作物的生長(zhǎng)。隨著地膜的廣泛使用、灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的興建和田間工程的配套，干旱將得到進(jìn)一步的緩解和改善［17］。

表6 1981～2020年5～9月氣象干旱等級(jí)年份數(shù)量分布

4.2 忻州市干旱化發(fā)生趨勢(shì)分析

張紅衛(wèi)等［18］研究指出，當(dāng)干旱發(fā)生的時(shí)候，降水偏少的同時(shí)往往伴隨著溫度的偏高，氣溫升高引起蒸發(fā)量增大，加快了田間土壤蒸發(fā)，進(jìn)一步加重了干旱的危害，由此看來(lái)，溫度和降水比可以較好地反映一個(gè)地區(qū)的干旱情況。本文利用溫度和降水趨勢(shì)比來(lái)計(jì)算分析忻州市各縣區(qū)市的干旱發(fā)生趨勢(shì)，數(shù)值越大的區(qū)域干旱化發(fā)生趨勢(shì)就越明顯，利用ArcGIS繪圖得到圖8，可知靜樂(lè)縣、原平市、繁峙縣為溫度和降水趨勢(shì)比較大的區(qū)域，干旱化發(fā)生趨勢(shì)相對(duì)較高。

圖8 忻州市干旱化發(fā)生趨勢(shì)

4.3 忻州市氣溫與降水量的關(guān)系分析

氣溫與降水量是導(dǎo)致氣候變化的主要因子，其變化有一定的內(nèi)在聯(lián)系。除氣溫以外，降水量還受地理環(huán)境、下墊面、海拔高度、人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響［7，19］。通過(guò)對(duì)忻州各縣、區(qū)、市近40年平均氣溫和平均降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表7）并計(jì)算分析可知，氣溫與降水量呈明顯負(fù)相關(guān)（-0.720**），即氣溫相對(duì)較高的縣區(qū)降水量較少，氣溫相對(duì)較低的縣區(qū)降水量較多，可見(jiàn)氣溫對(duì)降水量的影響非常明顯。

表7 忻州各縣、區(qū)、市1981～2020年平均氣溫和平均降水量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

（1）忻州市近40年平均氣溫為7.9 ℃，在全球變暖的大趨勢(shì)下，忻州市氣溫上升明顯，下轄原平市氣溫升幅最大，2016～2020年忻州市平均氣溫為8.6 ℃，為統(tǒng)計(jì)以來(lái)最熱的5年；四季氣溫均呈升高趨勢(shì)，春季氣溫升幅最大。

（2）忻州市近40年平均降水量為443.1 mm/a，年降水量整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，秋季降水量升幅最大，下轄五臺(tái)縣降水升幅最大。根據(jù)變異系數(shù)可知21世紀(jì)10年代降水量最為穩(wěn)定。

（3）根據(jù)突變分析，忻州市氣溫突變出現(xiàn)在1996年，降水量突變不顯著。

（4）忻州市近40年作物生長(zhǎng)主要月份中，9月干旱發(fā)生次數(shù)最多，5、8月最少。出現(xiàn)嚴(yán)重氣象干旱的月份較少，干旱的發(fā)生以輕旱為主，無(wú)特旱出現(xiàn)，利于玉米等大宗作物及小雜糧作物的生長(zhǎng)；根據(jù)干旱化發(fā)生趨勢(shì)分析，靜樂(lè)縣、原平市、繁峙縣為溫度降水趨勢(shì)比較大的區(qū)域，干旱化發(fā)生趨勢(shì)相對(duì)較高。

（5）氣溫對(duì)降水量的影響非常明顯，氣溫與降水量呈明顯負(fù)相關(guān)，氣溫相對(duì)較高的縣區(qū)降水量較少，氣溫相對(duì)較低的縣區(qū)降水量較多。