1971－2012年濱州市氣候變化特征分析

陳富強

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116029)

1971－2012年濱州市氣候變化特征分析

陳富強

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116029)

本文基于濱州市各縣市區(qū)氣象站點1971－2012年逐年實測氣溫與降水資料，采用傾向率法、滑動平均法、距平累積法、Mann－Kendall突變檢測等方法，研究了濱州市主要氣候要素(氣溫與降水)的時間變化過程，揭示濱州市主要氣候要素的年變化、季節(jié)變化、突變規(guī)律以及氣溫與降水之間的相關(guān)性.結(jié)果表明:濱州市年平均氣溫以0.412℃/10a的傾向率上升，年平均降水量以5.6mm/10a的傾向率下降;冬季氣溫上升趨勢最明顯，夏季降水下降幅度最大;濱州市年平均氣溫在21世紀(jì)初期發(fā)生突變，隨后逐漸上升，年平均降水量未發(fā)生明顯的突變;年平均氣溫與年平均降水量之間的相關(guān)系數(shù)r為－0.3569，呈負相關(guān)關(guān)系.

濱州市;氣候變化;距平累積法;Mann－Kendall檢測;突變規(guī)律;相關(guān)分析

氣候是人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境要素之一，氣候變化對人類生活、生產(chǎn)活動產(chǎn)生了極大影響.目前，全球范圍內(nèi)氣候正在發(fā)生著局部變化，據(jù)資料統(tǒng)計:1880年－2013年全球地表平均溫度約上升了0.85℃［1］.我國的年平均氣溫正以0.4℃/10a的傾向率上升，降水量以12.7mm/10a的速度減少，近50年中國年平均地表氣溫增加了1.1℃［2］.不同于氣溫的增加趨勢，中國年均降水量變化趨勢不顯著，但存在頻繁年際波動，并具有明顯的區(qū)域差異.作為全球普遍性問題，氣候變化一直是社會關(guān)注的熱點.國外對于氣候變化研究較早，理論成熟.Viola等指出近百年以來，全球氣溫上升顯著［3］.J.M.Lough等通過氣候資料研究了歐洲的氣溫與降水等氣象要素的變化，指出氣候變化的區(qū)域性與季節(jié)性［4］.Somot等利用地中海海洋大氣模型對歐洲地區(qū)未來氣候進行模擬預(yù)測［5］.中國氣候變化起步較晚，但發(fā)展速度較快，成果顯著，主要集中在中國氣候大尺度研究或者下墊面性質(zhì)改變對氣候變化的影響，區(qū)域小尺度氣候特征變化研究越來越多.任國玉等人通過對50年尺度的中國地面氣候進行研究，發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)的氣候都在變暖［6］.王菱等得出最高溫度與最低溫度存在不同的升溫速率，其中就北方而言，最低溫度對氣溫升高貢獻率最大［7］.

濱州市地處華北地區(qū)，是黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)和山東半島藍色經(jīng)濟帶的交匯地帶，未來經(jīng)濟發(fā)展條件優(yōu)越，勢必會對其氣候環(huán)境提出新的要求.國內(nèi)外對于濱州市氣候變化研究較少，缺少氣候變化理論基礎(chǔ).因此，為加強對濱州市氣候變化的了解，掌握氣候變化的規(guī)律，同時為農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市規(guī)劃提供參考，本文以濱州市為研究區(qū)，利用濱州市各縣區(qū)氣象站點1971－2012年逐年實測氣溫與降水資料，借助傾向率法、滑動平均法、距平累積法、Mann－Kendall突變檢測法等方法，揭示濱州市主要氣候要素的年變化、季節(jié)變化、突變規(guī)律以及氣溫與降水之間的相關(guān)性.

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

本文主要探究濱州市42年尺度上的氣溫與降水變化趨勢進而尋找其規(guī)律.利用氣候傾向率法測度濱州市氣候要素(氣溫與降水)的變化趨勢，運用距平累積法測度濱州市氣候要素的階段性特征;為更準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)濱州市氣候要素變化的規(guī)律性，對相關(guān)要素做滑動平均;利用M－K檢驗測度主要氣候要素的突變性特征，找出突變年份及規(guī)律;最后，對氣溫與降水進行相關(guān)性分析，系統(tǒng)分析氣候要素的變化特征.本文數(shù)據(jù)主要為濱州市各縣區(qū)氣象站點1971－2012年逐年逐月的氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)，通過濱州市氣象局、山東統(tǒng)計年鑒、濱州統(tǒng)計年鑒獲得.

2 研究區(qū)概況

濱州市位于魯北平原，黃河穿越其南部，地處黃河三角洲沖積平原，北臨渤海，東與東營市毗鄰，南和淄博市相接，西同德州市和濟南市搭界，是山東的北大門.現(xiàn)轄濱城區(qū)、惠民縣、陽信縣、無棣縣、沾化縣、博興縣、鄒平縣六縣一區(qū)和濱州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、濱州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、濱州北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，版圖面積9600平方公里，人口370多萬.濱州屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期.濱州屬于半濕潤地區(qū)，氣候條件比較適宜，全市多年平均氣溫約14.6℃，濱州市的多年平均降水量約547.8 mm.土地面積近94.5萬公頃，農(nóng)業(yè)發(fā)展條件狀況良好，農(nóng)、林、牧、漁各業(yè)比較發(fā)達，已建成棉花、蔬菜、冬棗、水產(chǎn)、牧草基地［8］.

3 濱州市氣候要素的年際變化特征

3.1 氣溫的年際變化特征

3.1.1 平均氣溫年變化特征

1971－2012年濱州市年平均氣溫上升趨勢顯著，且以0.412℃/10a的傾向率上升.增溫速率較全國近40年左右的平均值0.04℃/10a略高，說明濱州市氣溫變化趨勢與全國氣溫變化趨勢相近.濱州市氣溫變化存在5年左右的變化周期，波動較頻繁且呈現(xiàn)波動上升的趨勢.其中，全市近42年的年平均氣溫為14.6℃，年平均氣溫最低值為13.2℃，出現(xiàn)在1971年;年平均氣溫的最高值為16.0℃，出現(xiàn)在2007年.

3.1.2 平均氣溫年代際變化特征

全市年平均氣溫從70年代初到80年代初表現(xiàn)出微弱上升趨勢，進入80年代后上升趨勢減緩，直到90年代末表現(xiàn)出緩慢的波動上升;進入21世紀(jì)，氣溫上升趨勢加快，2001－2012年之間的平均氣溫比前30年的平均氣溫升高了0.6℃.從全市氣溫變化的年代變化表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，其中80年代平均氣溫比70年代的平均溫度上升了0.4℃;90年代平均氣溫較80年代上升了0.33℃，上升幅度有所減緩;最近十年的平均氣溫較90年代上升了0.5℃，增溫趨勢加快，除自然原因外，人為因素占主導(dǎo)地位，主要是工業(yè)化與城市化發(fā)展帶來了溫度的局部上升.

3.2 降水量年際變化特征

3.2.1 降水量年際變化特征

濱州市降水量年際變化不明顯.1971－2012年間，濱州市降水量多年平均為547.79mm，最大年降水量890.22 mm，最小值304.82 mm，相對變化幅度為2.92，絕對變化幅度為585.4mm，變差系數(shù)為0.23，表明降水量的年際變化幅度和變差系數(shù)都比較小.

由圖1可知，1971－2012年濱州市年平均降水量以5.6mm/10a的傾向率下降，下降趨勢不顯著.與全國降水量變化趨勢相一致但下降速率低于全國平均水平，體現(xiàn)出變化的區(qū)域差異性.從濱州市降水量的年際變化看，1971－2012年全市降水量呈現(xiàn)明顯的波動特征，存在近似4年、11年左右的變化周期，11年變化周期近似于太陽黑子活動周期.通過濱州市1971－2012年降水量5年滑動平均變化曲線可以看出，濱州市降水年際變化表現(xiàn)出明顯的階段性特征.70年代初到1982年左右，降水量表現(xiàn)為明顯的下降趨勢;80年代初到90年代末表現(xiàn)為較為穩(wěn)定的波動變化，整體趨勢略微上升，但上升幅度低于70年代下降幅度;近年來，從2001－2012年的降水波動幅度加大，規(guī)律性增強，表明該地降水量年變化特征穩(wěn)定性逐步增強.

圖1 濱州市1971－2012年年降水量變化

3.2.2 降水量距平百分率年際變化特征

WMO(世界氣象組織)規(guī)定降水量距平百分率△R按以下標(biāo)準(zhǔn)劃分:△R≥80%為異常偏多，50%≤△R＜80%為顯著偏多，25%＜△R＜50%為偏多，－25%≤△R＜≤25%為正常，－50%＜△R＜－25%為偏少，－80%＜△R≤－50%為顯著偏少，△R≤－80%為異常偏少.按MWO規(guī)定，以1971－2012年平均值為常年平均值計算濱州市年平均降水量的距平百分率.

濱州市年降水量距平百分率階段性特征明顯(圖2)，降水量正負距平年數(shù)相當(dāng)，表明該市旱澇交替頻繁.從1971年到1978年，該段時間內(nèi)降水量的正距平占絕大多數(shù)，表明該段時間內(nèi)降水量較多，氣候比較濕潤且個別年份(1971、1973)降水偏多;從1979年到1989年，該段時間內(nèi)降水量負距平占絕大多數(shù)，表明該時間段內(nèi)降水量較少，比平均水平略低，個別年份(1981、1982、1986、1989)降水偏少;從1990年到2002年，除了1990年降水較多為顯著偏多外，該段時間內(nèi)總體較為干旱，降水量負距平比重大;最近十年是比較濕潤的，除個別年份(2006，2008)降水量為負距平外，其余年份皆為正距平.總體來看，濱州市年平均降水量階段性特征明顯，干濕階段性交替，對農(nóng)業(yè)發(fā)展存在一定的不利影響.

圖2 1971－2012年濱州市年降水量距平百分率

4 濱州市氣候要素的季節(jié)變化特征

4.1 氣溫的季節(jié)性變化特征

由圖3可知濱州市四季氣溫變化幅度:冬季＞春季＞秋季＞夏季.1971－2012年四季氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，但上升幅度有所不同，其中春、夏、秋、冬氣溫變化率分別為0.49℃/10a、0.24℃/10a、0.37℃/ 10a、0.54℃/10a.冬、春季對氣溫上升的貢獻率較大，氣溫上升趨勢最明顯的季節(jié)為冬季，貢獻率最大;夏季氣溫上升趨勢最小，對氣溫變化貢獻率最小.

春季氣溫變化曲線存在三個主要階段.在70年代變化平穩(wěn)，進入80年代后表現(xiàn)為微弱的上升趨勢，上升幅度不明顯，在80年代末到90年代初呈現(xiàn)弱的下降趨勢;從90年代中期到21世紀(jì)初期，氣溫增溫趨勢明顯，為氣溫主要增暖期;最近十年，氣溫變化表現(xiàn)較平穩(wěn)，呈近似正弦函數(shù)變化，總趨勢是上升的.

夏季氣溫階段性變化特征明顯.其中，在70年代中期到80年代中期呈上升趨勢，上升幅度較小;從80年代中期到90年代中期呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度高于上個階段的上升幅度;從90年代中期到21世紀(jì)初氣溫迅速回升，氣溫上升速率高于八、九十年代氣溫下降速率;最近10年變化趨于平穩(wěn)，未出現(xiàn)大的上升趨勢.

秋季氣溫變化較為平穩(wěn)，上升或下降趨勢不顯著，表現(xiàn)為平穩(wěn)的波動上升.70年代呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，隨后呈現(xiàn)不明顯的波動變化，變化規(guī)律趨于穩(wěn)定;秋季氣溫變化90年代后呈現(xiàn)近似正弦函數(shù)變化，但波動幅度較小，表明秋季降水趨于規(guī)律性.

冬季氣溫年代際變化非常明顯，明顯分為兩個變化趨勢.70年代到80年代中期為明顯下降階段，80年代中期到現(xiàn)在為明顯的上升階段.氣溫下降階段內(nèi)還包含一個小的波動，即70年代末的小幅度升溫，隨后明顯下降.氣溫上升階段也可以分為兩個部分，一個是明顯上升，一個是平穩(wěn)變化，即80年代中期90年代初的顯著升溫與隨后的緩慢升溫.

圖3 濱州市季節(jié)平均氣溫變化圖

4.2 降水的季節(jié)性變化特征

濱州市1971－2012年四個季節(jié)降水量下降趨勢貢獻率大小為:夏季＞秋季＞冬季＞春季.濱州市1971－2012年四季降水量除春季上升外其余三季均呈現(xiàn)不同程度的下降，其中春、夏、秋、冬降水量變化率分別為:9.15mm/10a、－12.29mm/10a、－1.79mm/10a、－0.64mm/10a.可見，其中春季貢獻率為負，降水量線性變化趨勢為上升的;夏季下降幅度最大，對降水量下降的貢獻率最大.同時，70年代降水量最多，主要是由夏、秋兩季貢獻最多;80年代降水量最少，夏、秋、冬三季降水量突減，但主要還是由于夏、秋兩季降水量減少的原因;90年代后降水量回增，但回增幅度低于80年代突減幅度;最近10a除了夏季降水量出現(xiàn)遞減趨勢外，其他季節(jié)均有不同程度的回增.各季節(jié)變化特征如下(見圖4):

春季降水量5年滑動平均表明，濱州市春季降水量階段性特征明顯，總體呈上升趨勢.從70年代開始到70年代末期呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，隨后從80年代初到90年代初開始波動上升;進入90年代后急劇下降，在90年代中期出現(xiàn)最低值，隨后逐漸上升;從90年代中期開始波動上升，上升幅度高于80年代的上升幅度.

夏季降水量氣候傾向率為－12.29mm/10a，線性分析下降趨勢最明顯，對濱州市降水量下降貢獻率最大.5年滑動平均表明，70年代到80年代中期為下降趨勢，期間存在小的波動，但總體呈下降趨勢;從80年代中期到90年代末呈上升趨勢，期間也出現(xiàn)多次小的波動;90年代末到21世紀(jì)初期，降水量直線下降，隨后逐漸上升，到21世紀(jì)中期變化趨于平穩(wěn).

圖4 濱州市降水量季節(jié)變化圖(5年滑動平均值)

秋季降水量呈現(xiàn)出微小的下降趨勢，對全市年降水量減少的貢獻率較小.5年滑動平均可以看出，濱州市1971－2012年秋季降水量呈現(xiàn)出明顯的正弦變化，降水的波動規(guī)律明顯，且存在近似10a的周期變化.

冬季降水量變化率低于秋季變化，且總體變化規(guī)律性不強.5年滑動可以看出70年代一直到80年代呈弱的波動下降趨勢，80年代末發(fā)生突變，降水量上升;到90年代中期再次突變，降水量迅速下降，且下降幅度高于80年代末上升幅度.90年代后降水量變化規(guī)律性漸強，呈近似正弦變化，期間也存在小的波動，但規(guī)律性逐漸凸顯.

5 濱州市氣候要素的突變與相關(guān)性分析

5.1 氣候要素突變性分析

5.1.1 氣溫的突變性分析

濱州市1971－2012年年平均氣溫M－K檢驗如圖5，濱州市氣溫在90年代中期上升是一個突變，序列曲線UF(藍色曲線)與UB(紫色曲線)相交于1995年，即從1995年開始存在一個強的上升趨勢(均通過了α=0.01和α=0.05顯著性水平，且UF＞0)，序列曲線UF(藍色曲線)在α=0.05水平上，時間為2000年時超過信度的上限線，可見2000年以后濱州市氣溫上升趨勢顯著.這種變化與21世紀(jì)后氣候變化，與全球變暖具有同步性，也與當(dāng)?shù)亟?0年來工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展密切相關(guān).

5.1.2 降水的突變性分析

濱州市1971－2012年年平均降水量M－K檢驗如圖6，系列曲線UF(圖中藍線)和UB(圖中紫線)的交點在2010年及其以后，共存在3個交點，表明濱州市降水在過去近四十年未發(fā)生突變，只是最近幾年降水量波動頻繁.系列曲線UF恒小于零，表明濱州市年平均降水量呈遞減趨勢.在α=0.05的顯著水平上，從1981－1990年，系列曲線UF低于信度的下限線，表明該時間段內(nèi)濱州市降水量下降趨勢明顯.總而言之，濱州市1971－2012年年平均降水量是遞減的，在個別時間段(1981－1990)內(nèi)遞減趨勢明顯;2010年以后降水量呈現(xiàn)波動變化，期間有小的突變發(fā)生，突變周期較短.

5.2 氣候要素相關(guān)性分析

順序相關(guān)(或等級相關(guān))不但適用于量的資料的相關(guān)分析，同時亦適用于質(zhì)的資料的相關(guān)分析.表示兩個要素順序間直線相關(guān)程度和方向的系數(shù)，稱為順序相關(guān)系數(shù).將氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)代入順序相關(guān)公式(1):

求得濱州市年平均氣溫與年平均降水量之間的相關(guān)系數(shù)r，經(jīng)計算為－0.3569，由檢驗相關(guān)系數(shù)P=0的臨界值(rα)表查得當(dāng)N=42－2=40，α=0.05時，其臨界相關(guān)系數(shù)rα=0.3044，|－0.3569|＞0.3044，這表明濱州市年平均氣溫與年平均降水量之間的線性相關(guān)程度達到比較顯著的水平，且氣溫與降水之間成負相關(guān)關(guān)系，即氣溫高的年份降水量反而會少，氣溫低的年份降水量反而會高.但不是絕對的，個別年份年平均氣溫與年平均降水量呈正相關(guān)關(guān)系.另外，影響氣溫與降水的因素有很多，不能單純從氣溫與降水兩者相關(guān)性上下定論.氣溫與降水的變化及其相互關(guān)系在氣候變化中存在一定的影響，具體影響程度怎樣有待于進一步研究.

圖5 濱州市年平均氣溫的M－K檢驗(1971－2012)

圖6 濱州市年平均降水量的M－K檢驗(1971－2012)

6 結(jié)論與不足

濱州市年平均氣溫以0.412℃/10a的傾向率上升，上升速率略高于全國平均水平;年平均降水量以5.6mm/10a的傾向率下降，與全國降水量變化趨勢相一致但下降速率低于全國平均水平.四季氣溫變化幅度為:冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中冬、春季對氣溫上升的貢獻率較大，冬季氣溫上升趨勢最明顯，貢獻率最大;夏季氣溫上升趨勢最小，對氣溫變化貢獻率最小.四季降水量變化幅度為:夏季＞秋季＞冬季＞春季，其中春季貢獻率為負，降水量線性變化趨勢為上升的;夏季下降幅度最大，對降水量下降的貢獻率最大.利用M－K檢測發(fā)現(xiàn)，1971－2012年濱州市年平均氣溫在21世紀(jì)初期發(fā)生突變，隨后逐漸上升;年平均降水量未發(fā)生明顯的突變，但在最近兩三年內(nèi)出現(xiàn)頻繁波動，個別時間段(1981－1990)內(nèi)下降趨勢明顯.濱州市年平均氣溫與年平均降水量之間的相關(guān)系數(shù)r為－0.3569，濱州市年平均氣溫與年平均降水量之間的線性相關(guān)程度達到比較顯著的水平，且氣溫與降水之間成負相關(guān)關(guān)系.

本文研究仍有不足之處，有待于改進提高.本文只選用氣溫與降水兩種最顯著的氣候要素來測度氣候變化特征，不夠具體，并且研究方法比較常規(guī)、簡單.以后工作中要加強對研究區(qū)域日照時數(shù)、蒸散量、風(fēng)向等要素及其相關(guān)性的測度.同時要另辟思路，采用更先進，更科學(xué)的方法.

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Research on Climate Change of Binzhou City in 1971－2012

CHEN Fu－qiang
(School of Urban and Environment，Liaoning Normal University，Dalian，116029，China)

Based on the annual atmospheric temperature，precipitation，monthly climatic data of Binzhou city of 7 weather stations around Binzhou city during the period of 1971－2012，with the methods of tendency analysis，Mann－Kendall method，moving average，correlation analysis，and traditional statistics and accumulated variance analysis，we analyze the meteorological elements trend of Binzhou city and so on.And the paper reveals the annual changes and seasonal changes of Binzhou city，which will help us to make reasonable forecast of the climate changes of Binzhou city.The annual average temperature of Binzhou come to 0.412℃/10a tendency rate to rise and the average annual precipitation 5.6mm/10a tendency rate to decline;The temperatures rose obvious in winter，the precipitation declined biggest in summer;The annual average temperature of Binzhou changed suddenly in the early 2000s and followed by a gradual increase，but the average annual precipitation obvious mutation did not occur;Correlation coefficient of annual average temperature and average annual precipitation is－0.3569，showed a negative correlation.

Binzhou city;climate change;cumulative departure;Mann－Kendall method;mutation regularity;correlation analysis

P468.0

A

1672－2590(2016)03－0096－07

2016－04－11

陳富強(1991－)，男，山東淄博人，遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院碩士研究生.