近50年淮河流域氣候變化時(shí)空特征分析

葉金印，黃勇，張春莉，楊祖祥1.淮河流域氣象中心，安徽 合肥 001；.安徽省氣象臺，安徽 合肥 001；.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽 合肥 001；.天津市氣象局，天津 0007

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近50年淮河流域氣候變化時(shí)空特征分析

葉金印1,2，黃勇3，張春莉4，楊祖祥2
1.淮河流域氣象中心，安徽 合肥 230031；2.安徽省氣象臺，安徽 合肥 230031；3.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽 合肥 230031；4.天津市氣象局，天津 300074

摘要：在全球氣候變化的背景下，流域水資源、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境將對氣候變化有不同程度的響應(yīng)，研究淮河流域氣候變化趨勢和空間特征，將有益于制定應(yīng)對氣候變化的策略。利用1961─2010年淮河流域145個(gè)地面氣象站觀測資料，對近50 年以來淮河流域常規(guī)氣象要素的時(shí)間和空間特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論，（1）全流域年平均氣溫表現(xiàn)出升高的趨勢，年平均氣溫變化有顯著的空間差異性，南四湖地區(qū)、淮河干流中下游以南以及伏牛山區(qū)，為氣溫顯著上升區(qū)；山區(qū)最高氣溫上升緩慢，而最低氣溫上升明顯；全流域平均氣溫日較差有下降的趨勢，氣溫日較差的空間變化呈現(xiàn)出流域中部平原區(qū)減小而其他地區(qū)增加的分布特征。（2）全流域地面氣壓呈降低趨勢，空間差異性增大，淮河流域廣大平原為降低速率慢的區(qū)域，上游桐柏山區(qū)和大別山區(qū)則為降低速率快的中心；風(fēng)速的變化及其空間差異性總體上均呈減小趨勢，但在淮干上游山區(qū)、沂蒙山區(qū)以及里下河沿海地區(qū)地面風(fēng)速有增大的趨勢。（3）流域西部相對濕度呈微弱增大的趨勢，而流域東部呈微弱減小的趨勢；日照時(shí)數(shù)逐年遞減的趨勢比較明顯，空間上呈現(xiàn)流域西部遞減的趨勢比東部明顯。（4）年均降水量以淮河干流為界，呈現(xiàn)南部增多，北部減少的特征，導(dǎo)致流域年平均降水量南多北少的空間分布差異呈增大趨勢。

關(guān)鍵詞：淮河流域；氣候變化；時(shí)空特征

YE Jinyin,HUANG Yong,ZHANG Chunli,YANG Zuxiang.Spatial-temporal Variations of Climate Change of the Huaihe River Basin during Recent 50 Years [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):84-91.

受全球氣候變化的影響，近100 年來我國的氣候也發(fā)生了一些變化，其中平均氣溫升高的趨勢較為明顯，總體上升了0.5～0.8 ℃（丁一匯等，2006）。雖然降水量變化趨勢不明顯，但降水量的季節(jié)變化呈現(xiàn)減少的趨勢和較大的年際變化；我國的日照時(shí)數(shù)和近地面風(fēng)速也在近50年出現(xiàn)了顯著的下降趨勢（丁一匯等，2006；姜江等，2006）。

在空間上，平均氣溫有明顯的區(qū)域差異，在全國總體升溫的趨勢下，四川盆地、四川云南交界地區(qū)出現(xiàn)小幅度降溫趨勢（任國玉等，2005）。降水變化在空間上也有明顯的差異性，我國中東部多個(gè)區(qū)域的降水有下降的趨勢（Ding et al.，2009；Bai et al.，2010l；鄧汗青等，2013；葉金印等，2013）；而新疆、寧夏、甘肅等西北部多個(gè)區(qū)域的降水量卻有增加趨勢（趙傳成等，2011）。日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的變化也存在一定的區(qū)域差異性（任國玉等，2005；鄒立堯等，2010；張山清等，2013）。氣候變化、氣候變化的區(qū)域差異以及生態(tài)環(huán)境對氣候變化的響應(yīng)，引起越來越多的學(xué)者關(guān)注（姚玉璧等，2011；時(shí)忠杰等，2011；晏利斌等，2011），并引發(fā)學(xué)者開展了氣候變化對水資源、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)影響的研究（張紅等，2012；Zhao et al.，2014；郭建平，2015）。

淮河流域?yàn)槲覈媳睔夂虻倪^渡帶，流域北部為暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，南部為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)?；春恿饔蛑胁繛槠皆ê春屯莸兀?，占總面積2/3，東面為黃海，流域西、南和東北部為山丘區(qū)，約占總面積的1/3（圖1）。在全球氣候變化的背景下，流域水資源、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境將對氣候變化有不同程度的響應(yīng)，研究淮河流域氣候變化趨勢和空間特征，將有益于制定應(yīng)對氣候變化的策略（李澤椿等，2015）。本文利用1961─2010年淮河流域內(nèi)145個(gè)氣象站觀測資料，研究淮河流域近50年氣候變化的空間特征。

1　資料與方法

所用資料來源于國家氣象信息中心，為經(jīng)過審核的淮河流域145個(gè)地面氣象臺站整編資料。氣象要素包括：氣溫（年平均氣溫、最高/最低氣溫、年平均氣溫日較差）、氣壓、風(fēng)速、濕度、日照時(shí)數(shù)以及降水等。

圖1　淮河流域地形、地貌分布Fig.1　Topography and geomorphology in Huaihe River Basin

為分析這些氣象要素隨年份的變化情況，采用最小二乘法對50 a的氣象要素?cái)?shù)據(jù)與時(shí)間進(jìn)行一元線性回歸（Y=A+BX，Y為氣象要素值，X為時(shí)間），回歸系數(shù)B（正/負(fù)）大小表示氣象要素隨時(shí)間（升高/降低）的變化速率。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）描述氣象要素的空間分布不均勻性。

Xi為第i個(gè)站點(diǎn)的氣象要素觀測值。

2　各氣象要素的氣候變化

2.1大氣溫度

圖2給出了1961─2010年淮河流域年平均氣溫、平均氣溫日較差、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的時(shí)間序列。從圖中可以看出，年平均氣溫總體呈上升趨勢，平均每10年升高0.203 ℃，尤其是1985年以后增暖趨勢更加明顯。年平均最高氣溫的上升趨勢較小，平均每10年升高0.105 ℃。年平均最低氣溫和年平均氣溫日較差變化趨勢更加明顯，分別為0.347 ℃/10 a的上升趨勢和0.242 ℃/10 a的下降趨勢。雖最高氣溫變化不大但最低氣溫增暖明顯，這與平均氣溫上升趨勢及氣溫日較差減小趨勢是相對應(yīng)的。

年平均氣溫變化的空間差異（圖3a）只表現(xiàn)在氣溫上升的速率上。沙潁河和渦河上游、伏牛山區(qū)以南、淮干上游、大別山區(qū)以及淮河中下游氣溫上升相對緩慢，升溫速率在0.18 ℃/10 a以下，而南四湖地區(qū)、淮干中下游以南以及伏牛山區(qū)為氣溫顯著上升區(qū)，速率超過了0.26 ℃/10 a。

年平均氣溫日較差的變化（圖3b）呈現(xiàn)出流域中部平原區(qū)減小而其他地區(qū)增加的空間分布特征。在氣溫升高的渦河和澮河中下游，氣溫日較差明顯減小，減小速度達(dá)到甚至超過0.50 ℃/10 a?；春恿饔蚰喜繗鉁厝蛰^差普遍增加，速率超過0.20 ℃/10 a。

年平均最高氣溫整體呈上升趨勢（圖3c），空間分布特征與年平均氣溫變化大體相似。其中，沙潁河和渦河上游、伏牛山區(qū)以南、淮干上游和大別山區(qū)以及淮河中下游最高氣溫上升相對緩慢，升溫速率在0.30 ℃/10 a以下。而在南四湖地區(qū)、淮干中下游以南以及伏牛山區(qū)等氣溫顯著上升區(qū)，速率超過了0.42 ℃/10 a。

除沙潁河、渦河中上游以及淮干中下游的局部地區(qū)最低氣溫呈現(xiàn)下降趨勢外，流域絕大部分地區(qū)均表現(xiàn)為上升趨勢（圖3d）。大別山區(qū)、沂蒙山區(qū)以及里下河部分地區(qū)，最低溫度上升的趨勢最明顯，速率高達(dá)0.12 ℃/10 a以上。

圖2　1961─2010年氣溫的逐年變化Fig.2　Annual variations of atmospheric temperature from 1961 to 2010

圖3　氣溫變化的空間分布（單位1 ℃/10 a）Fig.3　Spatial distribution of annual atmospheric temperature change (1℃/10 a)

年平均氣溫的空間不均勻性變化趨勢不明顯，氣溫日較差和最高氣溫的空間不均勻性減弱（圖4）。最低氣溫的空間不均勻性呈微小的增加趨勢。

2.2其它要素

圖4　1961─2010年氣溫空間不均勻性的逐年變化Fig.4　Annual variations of annual temperature spatial variations from 1961 to 2010

圖5　1961─2010年氣象要素的逐年變化Fig.5　Annual variations of annual average meteorological factors from 1961 to 2010

圖6　氣象要素變化分布圖，單位（1 hPa/ms-1/%/h/mm）/10 a Fig.6　Spatial distribution of meteorological factors change:(1 hPa/ms-1/%/h/mm)/10 a

其他各氣象要素的變化趨勢和空間差異如圖5、6所示。對于地面氣壓而言，總體有下降的趨勢，平均下降速度為0.18 hPa/10 a。氣壓變化的空間差異在趨勢和速率上都有體現(xiàn)，其中淮河流域廣大平原為降低速率慢的區(qū)域，而上游桐柏山區(qū)和大別山區(qū)則為降低速率快的中心，氣壓下降的速率達(dá)到0.90 hPa/10 a。這與20世紀(jì)后半葉亞洲西伯利亞高壓明顯減弱、盛行西北氣流減弱和冷空氣活動(dòng)減少、淮河流域地面氣溫上升的事實(shí)相一致。這些變化一般發(fā)生在20世紀(jì)70年代中期以后可能是大尺度環(huán)流模態(tài)轉(zhuǎn)變的反映，也可能代表了海平面氣壓對全球氣候變暖的響應(yīng)（龔道溢等，2002）?；春恿饔虻孛骘L(fēng)速總體呈現(xiàn)顯著降低趨勢，平均降低速率為0.30 (m·s-1)/10 a，但在淮干上游山區(qū)、沂蒙山區(qū)以及里下河沿海地區(qū)地面風(fēng)速有增大的趨勢。相對濕度總體上無明顯的變化趨勢，從空間上看，流域西部呈微弱增大的趨勢，而流域東部呈微弱減小的趨勢，這和降水無明顯變化趨勢是一致的。日照時(shí)數(shù)逐年遞減的趨勢比較明顯，總體上減少速率為0.26 h/10 a，流域西部比東部遞減的趨勢明顯。對于流域平均狀態(tài)而言，雖80年代以后因極端降水造成流域多次洪澇，但年降水量總體上沒有表現(xiàn)出明顯的線性變化趨勢。在空間分布上，大部分地區(qū)都呈現(xiàn)微弱減少的趨勢，僅沙潁河中上游地區(qū)降水呈現(xiàn)增加趨勢。

在這些氣象要素的空間分布不均勻性上（圖7），降水和相對濕度無明顯的空間變異性，風(fēng)速的空間變異性減弱比較明顯，而氣壓、日照時(shí)數(shù)的空間差異性卻有增大的趨勢，對比平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫的線性趨勢空間分布，可以發(fā)現(xiàn)氣溫增暖區(qū)為日照時(shí)數(shù)增加區(qū)，日照時(shí)數(shù)減少區(qū)和平均最高氣溫減少區(qū)是一致的，表明日照時(shí)數(shù)和氣溫的變化具有明顯的一致性。

綜上所述，近50 年淮河流域氣候變化總體表現(xiàn)為：平均氣溫上升趨勢明顯，降水量變化的趨勢性不明顯。近50 年淮河流域的氣溫變化有空間差異，但在升溫的大背景下，最高溫度、最低氣溫在空間上都呈現(xiàn)一致性升高，而溫度日較差的變化在空間上基本呈現(xiàn)一致性減小的趨勢。

3　討論

在全球氣候變化的大背景下，淮河流域的年平均氣溫和最高氣溫呈現(xiàn)出升高的趨勢。雖然年平均氣溫空間分布不均勻性的變化趨勢不明顯，但溫度日較差、最高溫度的空間分布不均勻性有所減小，而最低溫度的不均勻性卻在增大。另外，從流域各氣象觀測站氣溫日較差變化速率隨緯度和經(jīng)度變化點(diǎn)聚圖（圖8）可以看出，氣溫日較差變化速率隨緯度自南向北而減小的趨勢明顯（圖8a），但隨經(jīng)度由西向東的方向沒有明顯變化（圖8b）。

地面氣壓總體有下降的趨勢，空間差異性在增大。風(fēng)速總體上減小，空間差異性在減弱。相對濕度變化及其空間差異性不明顯。日照時(shí)數(shù)總體上呈現(xiàn)減小的趨勢，空間差異在增大。

就全流域平均狀態(tài)而言，降水逐年遞減的趨勢不明顯，但南北部的變化趨勢相反（圖9）：大致上以淮河為界（33.5°N），南部降水增多，北部降水減少（圖9a），但這種變化趨勢在東西方向上沒有明顯變異（圖9b）。

圖7　1961─2010年氣象要素空間不均勻性的逐年變化Fig.7　Annual variations of meteorological parameters spatial difference from 1961 to 2010

圖8　年均氣溫日較差變化速率隨緯度（a）和經(jīng)度（b）的變化Fig.8　Change rate of annual average atmospheric temperature daily range with latitude (a) and longitude (b)

圖9　年均降水量變化速率隨緯度（a）和經(jīng)度（b）的變化Fig.9　Change rate of annual average precipitation with latitude (a) and longitude (b)

淮河流域近50 年氣象要素的變化比較明顯，這些氣象要素的時(shí)空變化將會(huì)給淮河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理帶來影響。如區(qū)域性降水量減少可能會(huì)引發(fā)水資源短缺，而區(qū)域性降水增加的趨勢意味著需要采取必要措施防范洪水事件和洪澇災(zāi)害，只有制定可行的氣候變化應(yīng)對策略，才能實(shí)現(xiàn)水資源合理利用和流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。近年來，人們越來越關(guān)注驅(qū)動(dòng)氣候變化的物理因子的研究，如不同時(shí)間尺度的厄爾尼諾（ENSO）和太平洋年代際振蕩（PDO）模態(tài)，對中國降水變化影響明顯（丁一匯等，2014；Ouyang et al.，2014）?；春恿饔蛱幱谀媳睔夂蜻^渡帶，研究淮河流域氣候變化時(shí)空特征是具有挑戰(zhàn)性的有意義的工作。同時(shí)，對流域或區(qū)域氣候變化時(shí)空特征的深入理解，有助于未來氣候變化情景下對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行研究和制定管理策略（李峰平等，2013）。

研究表明，城市發(fā)展和氣象站站址遷移會(huì)影響氣象要素觀測值的代表性，特別是對氣溫觀測值的影響比較明顯（江志紅等，2014）。本文未考慮氣象觀測站站址的遷移以及城市化等人類活動(dòng)對氣象要素變化時(shí)空特征造成的影響。采用時(shí)間序列分析方法，對氣象要素觀測值進(jìn)行均一化處理之后再進(jìn)行氣候變化分析受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注（Yan et al.，2014）。由于本文采用的是經(jīng)過審核的淮河流域145個(gè)地面氣象臺站整編資料，已經(jīng)剔除了明顯有觀測值突變的站點(diǎn)資料，因而研究結(jié)果具有一定的客觀性。對氣象要素進(jìn)行時(shí)間序列分析和歸一化處理，分析流域生態(tài)環(huán)境對氣候變化的響應(yīng)，有待今后做進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

通過對淮河流域近50年地面觀測資料的分析，得出以下氣候變化的時(shí)空特征：

（1）全流域年平均氣溫表現(xiàn)出升高的趨勢，年平均氣溫變化有顯著的空間差異性，南四湖地區(qū)、淮干中下游以南以及伏牛山區(qū)，為氣溫顯著上升區(qū)；山區(qū)最高氣溫上升緩慢，而最低氣溫上升明顯。全流域平均氣溫日較差有下降的趨勢；氣溫日較差的空間變化呈現(xiàn)出流域中部平原區(qū)減小而其他地區(qū)增加的分布特征。

（2）地面氣壓總體有下降的趨勢。氣壓變化的空間差異表現(xiàn)在淮河流域廣大平原為降低速率慢的區(qū)域，上游桐柏山區(qū)和大別山區(qū)則為氣壓降低速率快的中心。

（3）淮河流域地面風(fēng)速總體呈現(xiàn)顯著降低趨勢，但在淮干上游山區(qū)、沂蒙山區(qū)以及里下河沿海地區(qū)地面風(fēng)速有增大的趨勢。

（4）流域西部相對濕度呈微弱增大的趨勢，而流域東部呈微弱減小的趨勢；日照時(shí)數(shù)逐年遞減的趨勢比較明顯，空間上呈現(xiàn)流域西部比東部遞減的趨勢明顯。

（5）年均降水量變化趨勢不明顯。以淮河干流為界，呈現(xiàn)南部增多，北部減少的特征，流域年平均降水量南多北少的空間分布差異呈增大趨勢。

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Spatial-temporal Variations of Climate Change of the Huaihe River Basin during Recent 50 Years

YE Jinyin1,2,HUANG Yong3,ZHANG Chunli4,YANG Zuxiang2
1.Huaihe River Basin Meteorological Center,Hefei 23003,China; 2.Anhui Province Meteorological Observatory,Hefei 230031,China; 3.Anhui Institute of Meteorology Science,Hefei 230031,China; 4.Tianjin Meteorological Bureau,Tianjin 300074,China

Abstract:Water resources,agriculture and ecological environment of river basins are affected by global climate change to different degrees.Knowledge of the trends and spatial patterns of climate change in the Huaihe River Basin is beneficial to the formulation of the basin’s climate change response strategies.The spatial-temporal patterns of several key climatic factors are analyzed based on historical observations at 145 meteorological stations between 1961 and 2010 in the Huaihe River Basin.Study results suggest that,(1) There is an increasing trend in the annual average temperature of the entire basin.However,there is much spatial variability in its change.Regions with significant increase in temperature include the Nansihu region,the southern region of the Middle and Lower Huaihe River Basin,and the Funiu Mountain region.Annual maximum temperature increases slowly in the mountainous regions,while annual minimum temperature increased significantly in the regions.Annual average daily temperature range of the entire basin shows a decreasing trend.Spatially,it shows a decreasing trend in the central plains and an increasing trend in the rest areas.(2) Surface air pressure shows a decreasing trend in the entire basin with increasing spatial variability.Its central plains exhibit a slow rate of decrease,while the Tongbai and Dabie Mountain regions in the upstream exhibit a fast rate As a whole average wind speed of the entire basin shows a decreasing trend as well as its spatial variability.However,wind speed shows an increasing trend in the mountainous regions of the Upper Huaihe River Basin,the Yimeng Mountains,and the coastal Lixiahe region.(3) Relative humidity shows a weak increasing trend in the western region in contrast to a weak decreasing trend in the east.There is a significant decreasing trend in sunshine duration with more decrease in the west than in the east.(4) Annual average precipitation shows a trend of increase to the south of the main reach of the Huaihe River and decrease to the north.This leads to a further increase in the spatial variability of annual precipitation between the wet south and the dry north.

Key words:Huaihe river basin; climate change; spatio-temporal patterns

收稿日期：2015-11-11

作者簡介：葉金?。?968年生），男，研究員級高工，主要從事水文氣象研究。E-mail:yejinyin@sina.com

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201406021）；淮河流域氣象開放研究基金項(xiàng)目（HRM201205；HRM201207）

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0084-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.012

引用格式：葉金印,黃勇,張春莉,楊祖祥.近50年淮河流域氣候變化時(shí)空特征分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2016,25(1):84-91.