1962年以來大同市氣溫和降水變化及其突變特征研究

吳宇婧,梁愛民,馬義娟,鈔錦龍,蘇志珠

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,山西晉中030619；2.山西大學(xué)歷史文化學(xué)院,山西太原030006）

1962年以來大同市氣溫和降水變化及其突變特征研究

吳宇婧1,梁愛民1,馬義娟1,鈔錦龍1,蘇志珠2

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,山西晉中030619；2.山西大學(xué)歷史文化學(xué)院,山西太原030006）

基于大同國(guó)際氣象觀測(cè)站點(diǎn)1962－2015年逐月的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)資料,采用線性趨勢(shì)分析法、距平分析法和Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法,對(duì)山西省大同市氣溫和降水的變化趨勢(shì)及其突變特征進(jìn)行分析.結(jié)果表明：近54a來年均溫呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì),平均增溫率約為0.31℃／10 a；氣溫在1988年發(fā)生了突變,20世紀(jì)90年代之前為偏冷期,之后進(jìn)入偏暖期；四季均呈現(xiàn)增溫趨勢(shì),尤以冬季、春季增溫最明顯；近54a來降水量變化不穩(wěn)定,20世紀(jì)60至80年代年降水量偏少,1995－2011年降水量顯著減少,1990－1995年和2010－2015年兩個(gè)時(shí)段降水量呈增加趨勢(shì)；降水量偏少年份恰好為厄爾尼諾發(fā)生年,降水量季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季減少幅度較明顯,其余季節(jié)均有所增加,且秋季降水增幅最大.

氣候變化；趨勢(shì)；突變分析；大同市

氣候變化及其影響是當(dāng)今社會(huì)廣泛關(guān)注的研究?jī)?nèi)容之一.2007年IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出,近100a（1906－2005年）地球表面平均溫度升高了0.74（0.56～0.92）℃,近50年人類活動(dòng)導(dǎo)致全球升溫的可能性在90%以上［1］.2013年IPCC第五次評(píng)估報(bào)告又指出,未來全球變暖仍將持續(xù),21世紀(jì)末全球平均地表溫度將在1986－2005年的基礎(chǔ)上增暖0.3℃～4.8℃［2］.在未來全球變暖的背景下,我國(guó)年平均氣溫以0.22℃／10a的傾向率上升,中國(guó)的北方和青藏高原地區(qū)增溫最明顯［3］,但降水變化及其區(qū)域差異有很大的不確定性［4］,北方有些地區(qū)會(huì)持續(xù)干旱［5］,而有些地區(qū)降水會(huì)增多［6］,尤其是我國(guó)的東北、華北、西北東部地區(qū)降水量趨于減少,長(zhǎng)江流域和西北西部降水則趨于增多［7］.由于我國(guó)疆土遼闊,各地對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度不盡一致,溫度和降水的響應(yīng)會(huì)存在明顯差異.因此,基于氣象觀測(cè)資料開展不同地區(qū)的氣候變化過程及其趨勢(shì)研究具有重要的科學(xué)意義.

大同市作為山西省第二大城市,地處半濕潤(rùn)森林草原向半干旱干草原過渡的生物氣候帶,對(duì)全球氣候變化響應(yīng)敏感,氣候變化研究受到學(xué)者們的重視.近年來,有關(guān)大同市氣溫、降水變化以及旱澇、寒潮等極端天氣的研究已有報(bào)道［8－14］,但多集中于對(duì)單一氣象要素的分析以及氣溫、降水資料的時(shí)間序列較短.本文從氣溫、降水變化及其突變特征方面對(duì)大同市1962年以來的氣候變化進(jìn)行初步分析,以期豐富晉北地區(qū)氣候變化的研究?jī)?nèi)容,并為氣候變化預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

1 研究區(qū)概況

大同市位于山西省最北部,地理位置大體上介于39°30′～40°44′N、112°34′～114°33′E之間,地處黃土高原東北緣,北與內(nèi)蒙古高原交界,東與太行山脈交接,地勢(shì)高亢,平均海拔在1 000～1 500m之間［15］.按地貌類型及其組合特征可劃分為三個(gè)單元,即西北部覆沙黃土丘陵區(qū)、中部河川盆地區(qū)和東南部土石山地區(qū)［16］.氣候上屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明.氣候特征表現(xiàn)為：春季氣溫回升快,干燥多風(fēng)沙天氣,夏季雨熱同期,秋季涼爽短促,降水主要集中在夏秋季節(jié),占全年降水量的70%以上,冬季寒冷漫長(zhǎng)；多年平均氣溫為5.1℃～7.5℃,年平均降水量為370～460mm.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取大同國(guó)際氣象站點(diǎn)（40°06′N,113°02′E）1962－2015年逐月氣溫和降水量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站（http：／／www.data.cma.cn）.國(guó)際氣象站點(diǎn)設(shè)置于大同市的河川盆地區(qū),可以代表大同盆地區(qū)的氣候變化情況.

2.2 研究方法

按通常的季節(jié)劃分方法：春季（3～5月）,夏季（6～8月）,秋季（9～11月）,冬季（12月～次年2月）.采用線性趨勢(shì)分析法［17］和距平分析法對(duì)氣溫和降水的變化進(jìn)行趨勢(shì)分析,并采用Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法［18］對(duì)突變現(xiàn)象進(jìn)行分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫變化分析

3.1.1 氣溫年際變化

1962－2015年間,大同市年平均氣溫變化在5.63℃～8.81℃之間,多年平均氣溫為7.05℃,氣溫變化總體呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)（圖1a）,年平均氣溫線性變化傾向率為0.31℃／10a,增長(zhǎng)速率高于山西省增長(zhǎng)速率0.15℃／10a［19］和全國(guó)的平均增長(zhǎng)速率0.22℃／10a［3］.從圖1a中可以看出,20世紀(jì)60年代、70年代、80年代,其年平均氣溫值低于多年平均值（7.05℃）；進(jìn)入1990年后,升溫趨勢(shì)明顯,年平均氣溫均高于多年平均值,其中1998年、1999年的氣溫達(dá)到歷史上最高值,分別為8.79℃和8.80℃.已有的研究［20］結(jié)果顯示,1998年全球有三個(gè)增暖中心,即北美大陸中高緯地區(qū)、亞洲東部地區(qū)和赤道東太平洋地區(qū).顯然,大同市1998年、1999年出現(xiàn)最高氣溫并不是偶然現(xiàn)象,可能與全球性大尺度氣候變暖和90年以來我國(guó)持續(xù)性升溫有直接的關(guān)系.21世紀(jì)初,年平均氣溫仍持續(xù)升高,在2010－2015年間平均氣溫有小幅度下降,但仍高于多年平均值.

圖1 大同市1962－2015年平均氣溫及距平變化曲線

從圖1b可以看出,20世紀(jì)90年代之前,年平均氣溫距平大多低于零之后基本高于零,說明90年代氣溫升溫中期開始.

3.1.2 氣溫的季節(jié)變化

大同市近54a來不同季節(jié)的平均氣溫呈現(xiàn)出波動(dòng)式升高的趨勢(shì)（圖2）,尤其以冬季增溫速率最大,為0.363℃／10a,其次為春季、夏季,分別為0.357℃／10a和0.29℃／10a,秋季增溫速率最小,為0.22℃／10a.冬、春季氣溫的明顯升高對(duì)大同市氣候變暖的貢獻(xiàn)較為突出.我國(guó)一年四季中年平均氣溫增暖速率分別為：冬季0.36℃／10a、春季0.23℃／10a、夏季0.12℃／10a、秋季0.19℃／10a［3］,大同市四季平均氣溫的變化趨勢(shì)與全國(guó)相一致,但增溫速率均高于全國(guó)的平均水平.春季最高氣溫出現(xiàn)在1998年和1999年,為10.3℃；夏季最高氣溫出現(xiàn)在1999年,為23.37℃；秋季最高氣溫出現(xiàn)在1998年,為9.97℃；冬季最高氣溫出現(xiàn)在2002年,為－5.6℃.不難看出,20世紀(jì)末到21世紀(jì)初是大同市最暖的時(shí)期.

3.2 降水變化分析

3.2.1 降水年際變化

1962－2015年間,大同市年降水量變化在212.80～578.60mm之間（圖3）,多年平均降水量為374.29 mm,降水量最大值出現(xiàn)在1967年,達(dá)578.61mm,降水量最小值出現(xiàn)在1965年,為212.83mm.從圖3a中可以看出,大同市年降水量變化較不穩(wěn)定,年降水量線性變化傾向率為3.35mm／10a.20世紀(jì)60年代,年降水量變化波動(dòng)性較大,降水量偏多和偏少的年份出現(xiàn)機(jī)率較多,呈現(xiàn)旱、澇交替變化；20世紀(jì)70年代早期年降水量由少變多；70年代中后期到80年代中后期,年降水量波動(dòng)式減少；80年代中后期到90年代初,年降水量又呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；1990年到2011年,年降水量又呈現(xiàn)出波動(dòng)式減少；直到2012和2013年降水量大幅增加,之后又呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì).從大同市近54a來的降水量變化情況來看,1995－2011年間為降水量顯著減少的時(shí)期；1990－1995年和2010－2015年這兩個(gè)時(shí)段降水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).

圖2 大同市1962－2015年不同季節(jié)平均氣溫變化曲線

圖3 大同市1962－2015年降水量及距平變化曲線

從圖3b中可以看出,大同市近54a來年降水量的正負(fù)距平出現(xiàn)的機(jī)率雖然相近,但仍存在差異,正距平占54%,負(fù)距平占46%；降水量偏多的年份有3次,分別為1964年、1967年和1995年,降水量偏少的年份有5次,分別為1965年、1972年、1984年、1993年和2009年,年際波動(dòng)較大.

與同期山西省其他地區(qū)或城市的氣候變化相比較,太原市和朔州市年降水量的變化趨勢(shì)、年代際降水量的變化［21－22］和本文的結(jié)果基本上相一致,但大同市年降水量明顯低于太原市和朔州市,這可能與大同市所處的緯度位置偏北有關(guān).同時(shí)期,我國(guó)的年平均降水量在20世紀(jì)60到90年代之間呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì),90年代之后降水開始增多［4］.由此可見,大同市年降水量的變化和周邊地區(qū)以及全國(guó)年平均降水量的變化趨勢(shì)基本一致,這與此時(shí)期夏季風(fēng)的強(qiáng)弱變化以及大氣環(huán)流因素有關(guān).

3.2.2 降水季節(jié)變化

從大同市近54a來降水量的季節(jié)變化（圖4）情況來看,夏季平均降水量為228.88mm,夏季降水量占全年降水量的61.15%.近54a來夏季降水量呈現(xiàn)出波動(dòng)式的減少趨勢(shì)（線性變化傾向率為－4.27mm／10a）,其他三個(gè)季節(jié)的降水量均呈現(xiàn)出波動(dòng)式增加趨勢(shì),且以秋季降水量增加最為明顯.秋季、春季、冬季的年降水量線性變化傾向率分別為6.36mm／10a,2.67mm／10a和0.34mm／10a.本區(qū)氣候上屬較典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水量的多寡主要受東亞夏季風(fēng)的影響,夏季雨熱同期是本區(qū)氣候的基本特征,據(jù)此說明夏季降水量的減少對(duì)研究區(qū)年降水量的變化有較大的影響.

圖4 大同市1962－2015年不同季節(jié)降水量變化曲線

3.3 氣溫和降水的突變分析

用Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)大同市1962－2015年以來的年均溫及年降水量進(jìn)行突變分析.結(jié)果見圖5.

圖5 大同市年均溫和年降水量Mann－Kendall判別曲線

3.3.1 氣溫突變分析

由圖5a可知,UF曲線在1970年后開始逐年升高,1988年UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)有一個(gè)交點(diǎn),且在1994年后逐漸超出了顯著性水平0.05的置信區(qū)間.據(jù)此可知,大同市年均溫在1988年發(fā)生了由低溫向高溫的突變.這與城市下墊面性質(zhì)隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展造成的劇烈改變有密切關(guān)系.據(jù)大同市城市化進(jìn)程對(duì)市區(qū)氣候變化的研究表明：1990－2008年,城市面積由57km2發(fā)展至91km2,大同市人口數(shù)量增長(zhǎng)到162.5萬人,城市化因子對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)率占影響因子的37.99%［23］.1990年以來,大同市城市規(guī)模發(fā)展壯大,城區(qū)面積和人口數(shù)量不斷增加.隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,人類排放大量的溫室氣體,城市熱島效應(yīng)增強(qiáng).因此,1990年氣溫發(fā)生突變、增溫明顯與人類活動(dòng)密切相關(guān).

3.3.2 降水突變分析

由圖5b可知,UF曲線波動(dòng)幅度較大,在20世紀(jì)70至80年代之間和90年代至21世紀(jì)前期,呈現(xiàn)出波動(dòng)式的下降趨勢(shì),在置信區(qū)間內(nèi)和UB曲線有多個(gè)交點(diǎn),但未發(fā)生較顯著的突變現(xiàn)象.大同市降水量呈現(xiàn)不規(guī)則的周期性波動(dòng).已有的相關(guān)研究［24－26］表明,氣候變化和太陽活動(dòng)（厄爾尼諾）現(xiàn)象有一定的相關(guān)性.厄爾尼諾通過大氣環(huán)流以“遙相關(guān)”的形式影響東亞季風(fēng)系統(tǒng)各成員,并由此影響到我國(guó)的氣候變化.在厄爾尼諾發(fā)生年份,降水量明顯偏低的概率較高；厄爾尼諾發(fā)生年份后的次年,降水量偏多的概率較高,厄爾尼諾事件對(duì)年降水量的增加和減少量差異較大,尤其是對(duì)我國(guó)華北地區(qū)的影響最強(qiáng)［24］.按照國(guó)家氣候中心《ENSO監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)》（18－53期）所劃分的20世紀(jì)60年代以來的厄爾尼諾事件出現(xiàn)的年份和大同市1962－2015年間降水量距平進(jìn)行比較（圖6）,由圖6可以看出,大同市降水量偏少的年份恰好為厄爾尼諾事件發(fā)生年,降水量偏多的年份與厄爾尼諾結(jié)束年相關(guān)性較高.據(jù)此說明,大同市年降水量多寡受厄爾尼諾影響較大,年降水量不規(guī)律的周期性變化與厄爾尼諾現(xiàn)象有一定的相關(guān)性,這對(duì)大同市多雨年或少雨年的氣象預(yù)報(bào)具有指導(dǎo)意義.

圖6 大同市1962－2015年降水量距平和厄爾尼諾發(fā)生年比較

4 結(jié)論

1）近54a來氣溫變化有明顯的升高趨勢(shì),年平均氣溫線性變化傾向率為0.31℃／10a,高于同時(shí)期全國(guó)和山西省的平均水平.春季、夏季、秋季、冬季的平均氣溫也呈現(xiàn)出增高的趨勢(shì),特別是冬季、春季升溫最顯著.

2）氣溫在1988年發(fā)生了突變現(xiàn)象,由之前的低溫時(shí)期向高溫時(shí)期轉(zhuǎn)變.這與20世紀(jì)90年代以來經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化快速推進(jìn)導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)有著密切相關(guān).

3）近54a來年降水量的增減變化規(guī)律表現(xiàn)不明顯,總體上在平均值上下以較大幅度波動(dòng)、且呈現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性,年降水量線性變化傾向率為3.35mm／10a；降水量季節(jié)變化上表現(xiàn)為夏季減少幅度較大,春季、秋季和冬季則有所增加,且秋季增幅最明顯.

4）年降水量變化沒有發(fā)生明顯的突變現(xiàn)象,僅呈現(xiàn)出不規(guī)則的波動(dòng)變化.降水量偏少年份相對(duì)應(yīng)的是厄爾尼諾發(fā)生年,降水量偏多的年份與厄爾尼諾結(jié)束年相關(guān)性較高,厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)本區(qū)降水變化有明顯影響.

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Characteristics of Temperature and Precipitation Changes and Mutation Analysis of Datong since 1962s

WU Yujing1,LIANG Aimin1,MA Yijuan1,CHAO Jinlong1,SU Zhizhu2
（1.College of Geography Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619；2.Historical Culture School,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China）

The characteristics of temperature and precipitation changes and the mutation feature of Datong city was analyzed by the linear trend analysis,anomaly analysis and Mann－Kendall test method based on monthly temperature and precipitation data observed at Datong international meteorological station from 1962to 2015.The results showed that the climate in this region presented a significant warming trend with the annual mean temperature increased by 0.38℃／10aduring the past 54years,which is significantly higher than the national level and other regions in Shanxi.The abrupt change in temperature occurred in 1988,before the 1990sis the cold period,and warm period after 1990s.The temperatures showed increasing trend in four seasons,and with the most severe in winter and spring.The annual precipitation change was not stable,characterized by the low annual precipitation of 60,70sand 80sof the 20th century,the precipitation decreased from 1995to 2011and the low precipitation year matched well with El Nino year.The precipitation increased during 1990－1995and 1995－2010period.The seasonal precipitation changes showed that the precipitation decreased in summer,while increased in the other three seasons and with the largest rise in autumn.

climate change；trend；mutation analysis；Datong city

1672－2027（2016）04－0067－06

P467

A

2016－10－21

科技部重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“京津冀風(fēng)沙源沙化土地治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”第5課題（2016YFC0500805）；山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目“晉北沙化土地機(jī)械組成對(duì)土壤肥力的影響研究”（2016SY056）資助；大學(xué)生科技創(chuàng)新基金（SYTWKC－1608）.

吳宇婧（1992－）,女,山西大同人,碩士,主要從事自然資源評(píng)價(jià)與開發(fā)研究.