近51年海河流域氣候變化特征分析

王永財 ，孫艷玲 ，張 靜 ，王中良 ，1b

（1.天津師范大學a.城市與環(huán)境科學學院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387；2.中國科學院植物研究所，北京100093）

在全球變暖的背景下，氣候變化受到國際普遍關注.IPCC第4次會議指出過去50年全球變暖趨勢為平均每10a上升1.3℃（1.0～1.6℃/10a），幾乎是過去100a的2倍，全球大氣平均溫度和海洋平均溫度均在增加[1].由于氣候變化對農(nóng)業(yè)、水資源和自然生態(tài)系統(tǒng)等均有很大影響，因此許多學者對區(qū)域氣候變化進行了研究和探討.如楊特群等[2]統(tǒng)計分析了黃河流域1951年—2007年氣溫降水變化情況，指出黃河流域氣溫在1950—1970年代前比較穩(wěn)定，1980年代后各區(qū)間均呈上升趨勢，黃河流域降水在各區(qū)間變化特點不盡相同.吉奇等[3]對東北1951年—2000年氣溫和降水研究表明東北地區(qū)年平均氣溫在以0.6℃/10a的速率上升，降水量以0.27mm/a的速率下降.任朝霞等[4]對西北干旱區(qū)1951年—2000年的氣溫和降水情況進行了研究，結果表明西北干旱區(qū)氣溫上升趨勢為0.22℃/10a，上升趨勢南北高、中間低，降水量增加速率為3.2mm/10a，并呈現(xiàn)出由東南向西北遞增的格局.祁威等[5]對珠穆朗瑪峰地區(qū)尼泊爾境內1971年—2009年的氣候變化情況進行研究，指出1971年—2009年，珠穆朗瑪峰南坡線性升溫速率為0.25℃/10a，年平均降水量以4.27mm/a的速率增加，但增加并不顯著，南坡降水量高于北坡，北坡增溫趨勢較南坡明顯.

作為我國重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地，海河流域氣候趨于暖干，持續(xù)干旱事件經(jīng)常發(fā)生，給當?shù)亟?jīng)濟和社會帶來了十分嚴重的影響[6].海河流域氣候的變化特征和氣候變化的響應已成為海河流域氣候變化研究的主要內容.褚健婷等[7]利用K-S檢驗等方法分析了海河流域1995年—2004年的降水時空變化特征，結果表明海河流域以太行山和燕山為界，分為山前多雨帶、山前平原區(qū)和山后少雨帶3部分.郝春灃等[8]以海河流域1956年—2005年的氣溫和降水作為研究對象，對海河流域氣溫和降水的變化特征和規(guī)律進行了分析，指出海河流域近50年氣溫呈顯著上升趨勢，而降水呈下降趨勢.據(jù)王利娜等[9]對海河流域1950年—2010年降水的時空變化特征分析表明：時間上，海河流域總體降水呈減少趨勢；空間上，整個流域年降水量由南向西減少.

綜上所述，目前對海河流域氣候變化的研究成果較多，但主要集中在該區(qū)域氣溫和降水單一方面的時間或空間變化特征，沒有從時間和空間2個方面研究氣溫和降水的變化趨勢特征、突變特征和周期性特征，不利于全面綜合地把握海河流域氣候的時空變化特征和變化規(guī)律.已有研究將由氣溫和降水計算得到的相對濕潤指數(shù)作為干旱指標，對海河流域1960年—2010年作物生長季干旱的時空特征進行分析，取得了很好的結果[10].因此，本研究以氣溫和降水量2個氣候表征參數(shù)作為研究對象，利用海河流域1960年—2010年的氣候資料，采用線性傾向估計、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、滑動T檢驗和小波分析等方法，分析海河流域氣溫和降水變化的趨勢性、突變性和周期性等特征，以期更全面地揭示其氣候變化特征和事實.

1 研究材料與方法

本研究所用資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，選取分布較均勻、遍布整個海河流域的30個具有完整性、可靠性和代表性的站點，取得每個站點1960年—2010年的月平均氣溫和月降水資料，統(tǒng)計得到年平均氣溫和年降水量.為了獲得可以代表全流域的均一氣溫和降水資料，利用反距離加權平均法和泰森多邊形法將氣溫和降水資料展布到全流域，得到近51年的氣溫和降水量序列.

本研究中對海河流域氣候的線性傾向估計以海河流域年平均氣溫和降水量的距平作為統(tǒng)計量，采用氣候傾向率和5年滑動平均分析其氣候變化趨勢特征，計算結果用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗.其中，Mann-Kendall非參數(shù)檢驗可以很好地揭示時間序列的趨勢變化，是目前比較常用的分析方法[11]，在長時間序列的數(shù)據(jù)趨勢檢驗中應用廣泛，方法如下：

式（1）和式（2）中：Z 為標準化檢驗統(tǒng)計量；xj和 xi為序列數(shù)據(jù)；n是序列數(shù)據(jù)個數(shù)；S為檢驗統(tǒng)計量，當n≥8時，對S進行近似正態(tài)分布，其均值和方差為

海河的氣候變化周期性采用小波分析，小波分析是在Fourier分析的基礎上發(fā)展起來的一種新的時頻局部化分析方法，在時間序列研究中，小波分析主要用于時間序列的消噪和濾波、信息量系數(shù)和分形維數(shù)的計算、突變點的監(jiān)測、周期成分的識別以及多時間尺度的分析等[15].本研究采用墨西哥小帽小波（Mexican hat function）[16]對海河流域1960年—2010年的年平均氣溫和年降水量時間序列進行分析，得到海河流域在不同時間尺度上的氣溫和降水的變化特征，利用小波方差確定主要的振蕩周期.

2 結果與分析

2.1 氣溫變化特征分析

2.1.1 氣溫變化趨勢分析

海河流域1960年—2010年年平均氣溫變化趨勢如圖1所示.

圖1 1960年—2010年海河流域年平均氣溫距平變化Fig.1 Annual variation of air temperature anomalies in Haihe River Basin from 1960to 2010

由圖1可以看出，海河流域年平均氣溫呈逐年升高的趨勢，近51a來，年平均最低氣溫出現(xiàn)在1969年，為8.7℃；最高年平均氣溫出現(xiàn)在1998年，為11.3℃.1960年—2010年年平均氣溫的增溫速率為0.34℃/10a，與郝椿灃等研究的海河流域1956年—2005年0.30℃/10a的年平均氣溫增溫速率結果相似[8]，但明顯高于文獻[17]中全國1951年—2002年0.22℃/10a的年平均氣溫的增溫速率[17].通過Mann-Kendall非參數(shù)檢驗，1960年—2010年海河流域年平均氣溫增溫趨勢通過了0.01的顯著性檢驗，說明海河流域近51年增溫趨勢非常明顯.從5年滑動平均來看，海河流域近51年氣溫變化波動上升，60年代年平均氣溫呈下降趨勢，下降速率達到1.1℃/10a；70年代開始氣溫呈波動上升；80年代初期氣溫變化比較平穩(wěn)，后期開始上升；90年代氣溫顯著升高，升高速率高達1.4℃/10a；2000年以來，海河流域增溫趨勢減緩.

海河流域氣溫的空間變化情況如圖2所示.由圖2可以看出，海河流域以五臺山為中心的西部地區(qū)增溫趨勢最為明顯，中部地區(qū)增溫趨勢較為明顯，而南部和東北部增溫趨勢較弱.經(jīng)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗可知，海河流域30個站點中，僅有榆社和承德2個站點未通過α=0.05的顯著性檢驗，其他站點均通過α=0.05的顯著性檢驗，占所有站點的93%，說明海河流域氣溫上升趨勢的顯著性.

圖2 海河流域氣溫空間變化Fig.2 Spatial variation of temperature in Haihe River Basin

2.1.2 氣溫突變特征分析

根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗結果分析（圖3），海河流域1960年—2010年年平均氣溫正序列UF在1970年前下降，之后開始波動上升，90年代超過了0.05的顯著性水平，說明上升趨勢顯著.正序列UF和逆序列UB在0.05的顯著性水平臨界范圍內有1個交點，因此可能的突變點為1988年.為了獲得正確的突變點和突變發(fā)生的時間區(qū)域，對上述Mann-Kendall突變檢驗所得的突變點進行滑動T檢驗，結果表明1988年的突變超過了0.05的顯著性水平.因此，1988年是海河流域年平均氣溫的突變點，是氣溫迅速升高的開始.

圖3 海河流域年平均氣溫突變的Mann-Kendall檢驗Fig.3 Abrupt change of annual average temperature in Haihe River Basin using Mann-Kendall test

對海河流域30個站點進行Mann-Kendall突變檢驗，結果如圖4所示.

圖4 海河流域氣溫突變檢驗Fig.4 Abrupt change test of temperature in Haihe River Basin

由圖4可知，1960年—2010年海河流域30個站點有18個年平均氣溫發(fā)生了突變，突變發(fā)生的年份多在1972年—1974年、1986年—1989年和1990年—1994年這幾個時間段內；東部地區(qū)大部分站點氣溫發(fā)生突變，且突變點集中在1986年—1989年時間區(qū)域內.

2.1.3 氣溫變化周期性分析

從海河流域年平均氣溫小波圖（圖5）分析，海河流域近51年的年平均氣溫存在不同時間尺度的震蕩，期間經(jīng)過了低溫、高溫、相對低溫和相對高溫共4個階段，存在7a左右和10～15a左右2個周期，其中7a左右是主周期，因此可以預測2010年后，海河流域將在2010年以后以7a左右或10～15a為尺度進入偏冷期.

圖5 海河流域年平均氣溫小波分析Fig.5 Wavelets analysis of annual mean temperature in Haihe River Basin

2.2 降水變化特征分析

2.2.1 降水變化趨勢分析

海河流域年降水量變化情況如圖6所示.

圖6 海河流域年降水量距平變化Fig.6 Annual variation of air precipitation anomalies in Haihe River Basin from 1960to 2010

由圖6可以看出，近51年海河流域年降水量呈下降趨勢，年降水量最高的年份是1964年，為859.6mm；年降水量最小的是1997年，年降水量為370.9mm.從海河流域多年降水變化趨勢來看，年降水量緩慢波動下降，1960年—2010年的下降速率為18.9mm/10a，這與任國玉等[16]研究的中國1956年—2002年全國年平均降水量呈上升趨勢相反，也低于郝椿灃[8]和王曉霞[18]等分析海河流域年降水量的下降速率22.0mm/10a和27.2mm/10a.經(jīng)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗，海河流域年降水量未通過0.05的顯著性檢驗，進一步說明海河流域降水量呈下降趨勢，但下降趨勢并不顯著.海河流域降水量波動較大，60年代降水量波動下降，但下降較緩，下降速率為7.9mm/10a，70年代和90年代降水量下降較快，而80年代和2000年以來降水量變化較緩.

海河流域降水量的空間變化情況如圖7所示.由圖7可以看出，海河流域內天津、唐山等東部地區(qū)和西部山西地區(qū)降水量下降趨勢明顯，而北部和南部地區(qū)降水量下降趨勢較弱.經(jīng)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗，五臺山、榆社和遵化3個站年降水量通過了0.05的顯著性檢驗，其他27個站點未通過0.05的顯著性檢驗，說明海河流域降水量呈下降趨勢，但下降趨勢相對不明顯.

圖7 海河流域降水量的空間變化Fig.7 Spatial variation of precipitation in Haihe River Basin

2.2.2 降水突變特征分析

Mann-Kendall檢驗結果如圖8所示.

圖8 海河流域年降水Mann-Kendall檢驗Fig.8 Abrupt change of annual average precipitation in Haihe River Basin using Mann-Kendall test

由圖8可知，1960年—2010年海河流域年降水量的正序列UF在1965年之前上升，后波動下降，1997年后顯著下降.正序列UF和逆序列UB在0.05的臨界范圍內有一個交點，所以1997年可能為突變點，經(jīng)滑動T檢驗，結果超過了0.05的顯著性水平，因此1997年是海河流域年降水量的突變點，后降水量進入相對較少期.

對海河流域30個站點的降水量進行Mann-Kendall突變檢驗，結果如圖9所示.

圖9 海河流域降水的突變檢驗Fig.9 Abrupt change test in Haihe River Basin

由圖9可知，1960年—2010年海河流域30個站點中有7個站點年降水量發(fā)生了突變，發(fā)生突變時間主要在1980年—1982年和2002年—2005年2個時間區(qū)域內，海河流域東北部的青龍、承德和圍場年均降水量均發(fā)生了突變，且發(fā)生突變的時間為1980年—1982年.

2.2.3 降水變化周期性分析

海河流域年降水量小波分析結果如圖10所示.由圖10可以看出，近50年海河流域降水量變化經(jīng)過了偏少、偏多、相對偏少和相對偏多共4個震蕩階段，存在5～7a和10～15a 2種周期，其中5～7a為主周期，即海河流域在2010年以后可能以5～7a或10～15a為尺度進入降水偏豐期.

圖10 海河流域年降水小波分析Fig.10 Wavelets analysis of annual mean temperature in Haihe River Basin

3 結論

以氣候的表征參數(shù)氣溫和降水作為研究對象，從趨勢性、突變性和周期性等角度對海河流域1960年—2010年的氣溫和降水特征進行分析，結果表明：

（1）從變化趨勢來看：近51年，海河流域氣溫顯著升高，降水呈下降趨勢，年平均氣溫增溫速率為0.34℃/10a，降水量的下降速率為18.9mm/10a；海河流域西部氣溫上升趨勢強于南部和北部，東西部降水量下降趨勢較強，而南北部較弱.

（2）從突變性來看：海河流域年平均氣溫突變點在1988年，降水量突變點在1997年，海河流域30個站點中有18個發(fā)生氣溫突變，且突變點集中在1986年—1989年和1990年—1994年2個時間區(qū)域內；有7個站點的降水量發(fā)生了突變，突變點集中在1980年—1982年這個時間區(qū)域內.

（3）從周期性來看：海河流域年平均氣溫變化情況包含7a左右和10～15a左右2個周期，其中5年左右是主周期；降水量變化情況包含5～7a和10～15a 2個周期，其中5～7a是主周期.

氣候變化極具復雜性，本研究以氣溫和降水作為研究對象，從氣候變化的趨勢性、突變性和周期性等角度分析氣候變化的特征，只能從中短時期內氣候變化的基本特征和規(guī)律，對短時期的氣候變化作出預測，無法揭示氣候變化的動因并對長期氣候變化作出預測，因此，氣候變化需要更多探索性的研究.

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