基于GIS的新鄉(xiāng)市春季氣候變化特征分析

李香顏，張金平（新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng)453003）

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基于GIS的新鄉(xiāng)市春季氣候變化特征分析

李香顏，張金平
（新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng)453003）

摘要：基于新鄉(xiāng)市1971—2014年8個氣象站點3—5月逐日溫度、降水量和日照時數(shù)觀測數(shù)據(jù)，采用線性傾向估計法、累積距平法和Mann-Kendall檢驗法，結合GIS技術，探討和分析新鄉(xiāng)市春季氣候的變化趨勢和時空分布特征，以期為當?shù)胤罏臏p災和氣候變化研究工作提供科學參考。結果表明：新鄉(xiāng)市春季氣溫呈上升趨勢，平均增幅為0.035℃/a，并且在1998年發(fā)生顯著增溫突變，北部地區(qū)增溫幅度高于南部地區(qū)；春季降水呈現(xiàn)微弱增多趨勢，平均增幅為0.220 mm/a，變化不明顯且年際間波動性較大，降水增幅整體上呈“北多南少”趨勢；春季日照時數(shù)以平均1.216 h/a的速率呈減少趨勢，并且在1984年發(fā)生顯著遞減突變，北部地區(qū)日照時數(shù)的減幅明顯高于其他地區(qū)。全球變暖已造成本地區(qū)氣候變異性明顯增大。

關鍵詞：氣候變化；時空分布；特征分析；GIS

0　引言

20世紀以來，全球和中國氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化[1]，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告指出，1906—2005年全球平均氣溫升高(0.74±0.18)℃[2]。氣候變化問題逐漸被列為全球十大環(huán)境問題之首，并且日益成為國際社會的熱門話題[3]。氣候作為人類賴以生存的自然環(huán)境的一個重要組成部分，其變化將會對自然生態(tài)系統(tǒng)以及社會經(jīng)濟產(chǎn)生深遠影響[4]。氣候變化成為當前人地關系研究中的重要前沿領域[5]，近年來，國內(nèi)外學者對此進行了大量的探索和研究[6-9]。楊勇等[10]利用線性傾向估計法、滑動平均法和M-K突變分析法，對忻州地區(qū)近50年的氣候變化特征進行了統(tǒng)計分析；祝小梅等[11]采用累積距平法和M-K突變檢驗及周期分析等方法，對新疆伊犁地區(qū)暴雨日時空變化特征進行了分析研究；張紅衛(wèi)等[12]利用地理信息系統(tǒng)GIS技術和數(shù)學方法，研究分析了河南省春季降水及日照時數(shù)的時空變化特征。由于氣候變化具有顯著的地域性和季節(jié)性，有漸變和突變等特點，因此開展小區(qū)域、小范圍、分季節(jié)的氣候變化研究更具針對性和現(xiàn)實意義。當前氣候變暖已成為不爭的事實，而關于新鄉(xiāng)地區(qū)氣候變化的研究報道還比較有限，針對新鄉(xiāng)春季氣候變化趨勢的研究更是少見。因此，筆者選取新鄉(xiāng)全區(qū)近44年的氣象觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，擬找出新鄉(xiāng)春季氣候變化的特點和規(guī)律，以期為當?shù)乜茖W開展氣候變化應對研究、部署決策防災減災工作等方面提供參考和依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料來源

研究數(shù)據(jù)來自新鄉(xiāng)市、輝縣、獲嘉、衛(wèi)輝、原陽、封丘、延津、長垣8個氣象觀測臺站1971—2014年的地面氣象觀測資料，主要涵蓋氣溫、降水和日照時數(shù)等要素數(shù)據(jù)。使用的地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的1:25萬新鄉(xiāng)地區(qū)基礎地理背景數(shù)據(jù)。

1.2研究方法

（1）采用線性傾向估計法[13]分析1971—2014年新鄉(xiāng)全區(qū)春季溫度、降水和日照時數(shù)的年際變化趨勢，通過趨勢擬合后的線性傾向系數(shù)，判定研究區(qū)內(nèi)各氣象要素的變化情況。

線性傾向系數(shù)由最小二乘法求得[14]，采用一次直線方程來描述溫度、降水和日照時數(shù)的變化趨勢。見公式(1)。

式中：t為時間（1971—2014年），Y(t)為氣象要素，a1為趨勢變化率。a1為正值時，表明該氣象要素變化為上升趨勢，a1為負值時，表明該氣象要素變化呈下降趨勢。

（2）利用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗法[15]和累積距平法[16]進行各氣象要素的突變分析和檢驗。Mann-Kendall法是突變分析中常用的檢測方法，為驗證各突變點的真?zhèn)?，可繪制各氣象要素的累積距平曲線，通過曲線的形狀和走勢對檢測到的突變點作進一步驗證[17-18]。

（3）通過GIS技術（地理信息系統(tǒng)）制圖，實現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)春季各氣候要素變化特征的時空分布表達。

2　結果與分析

2.1春季氣溫

2.1.1春季氣溫變化特征統(tǒng)計新鄉(xiāng)市8個氣象站點1971—2014年3—5月平均氣溫的基礎上，通過線性趨勢擬合后，得到各縣市春季氣溫的變化特征（見表1），利用GIS技術，通過Kriging空間插值法，得到春季氣溫變化趨勢的時空分布表達（見圖1）。

圖1　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季氣溫變化趨勢時空分布圖

由表1可以看出，新鄉(xiāng)地區(qū)春季氣溫變化在全區(qū)范圍內(nèi)呈明顯上升趨勢，平均增幅為0.035℃/a，北部輝縣地區(qū)春季增溫趨勢最顯著，變化趨勢為0.064℃/a；南部原陽地區(qū)增溫趨勢相對微弱，變化趨勢為0.012℃/a。由圖1可知，春季氣溫升高幅度市區(qū)明顯高于大部分縣（市）區(qū)，這可能與市區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、人口密度增大以及汽車擁有量的逐漸增多有關；新鄉(xiāng)北部山區(qū)春季氣溫變幅高于南部平原地區(qū)，全球變暖已造成該地區(qū)春季氣溫地域變異性明顯增大。

表1　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季溫度變化趨勢　℃/a

2.1.2春季氣溫突變分析氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式的轉變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)。Mann-kendall法是一種常用的數(shù)據(jù)突變檢測方法，它不需要樣本遵從一定的分布，也不受少量異常值的干擾，并且可以明確突變開始的時間和突變區(qū)域。在臨界值內(nèi)，UF和UB曲線的交點即為突變點，交點對應的時間即為突變開始的年份，若突變點后UF曲線超出了α=0.05或者α=0.01的臨界值，則認為該氣象要素突變特征顯著，超出區(qū)域即為突變具體發(fā)生區(qū)域。若2條曲線出現(xiàn)多個突變點，則可通過累計距平法綜合判斷氣象要素各個突變點的真?zhèn)巍?/p>

按照上述方法，通過對新鄉(xiāng)市春季氣溫計算，得到圖2。由UF曲線可知，春季氣溫自20世紀90年代初開始呈現(xiàn)上升趨勢，且在2004年左右上升趨勢超過了α=0.05的臨界線(μ0.05=±1.96)，呈顯著上升趨勢。自2007年開始UF超過了α=0.01的臨界值(μ0.01=±2.56)，呈極顯著上升趨勢。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定春季氣溫上升是一種突變現(xiàn)象，具體突變發(fā)生時間為1998年。

圖2　新鄉(xiāng)市春季氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計量

2.2春季降水

2.2.1春季降水變化特征統(tǒng)計新鄉(xiāng)市各站點3—5月降水量的基礎上，通過一元線性回歸方法進行降水趨勢擬合，結果如表2所示。通過ArcGIS技術制圖，得到新鄉(xiāng)全區(qū)春季降水變化趨勢的時空分布特征（見圖3）。結果發(fā)現(xiàn)：春季降水變化在新鄉(xiāng)全區(qū)范圍內(nèi)呈不明顯增加趨勢，平均增幅為0.220 mm/a；新鄉(xiāng)東部長垣縣增幅最大，變化趨勢為0.544 mm/a；其次為北部輝縣地區(qū)，降水增幅為0.441 mm/a；南部地區(qū)原陽縣春季降水增幅最小，變化趨勢為0.017 mm/a。氣候變化造成該地的春季降水呈現(xiàn)明顯的“北多南少”態(tài)勢。

2.2.2春季降水突變分析通過Mann-Kendall法和累積距平法對春季降水數(shù)據(jù)進行突變檢驗分析，結果如圖4所示。

表2　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季降水變化趨勢mm/a

圖3　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季降水變化趨勢時空分布圖

圖4　新鄉(xiāng)市春季降水Mann-Kendall統(tǒng)計量

由圖4可知，UF與UB在1972年和1976年出現(xiàn)了2個交點，說明春季降水在此可能出現(xiàn)突變。通過繪制春季降水累積距平曲線（見圖5）進行突變點真?zhèn)悟炞C后發(fā)現(xiàn)，降水量在1972年和1976年均未出現(xiàn)相對低值和高值，說明春季降水未發(fā)生突變現(xiàn)象。由UF曲線走勢可以看出，春季降水在1982—1994年間呈增多趨勢，此期降水充沛。在2009—2014年呈直線下降趨勢，處于少雨期，近年來溫度的持續(xù)升高和降水的持續(xù)偏少導致本地區(qū)春旱現(xiàn)象發(fā)生頻繁，對春作物尤其是冬小麥生長造成一定不利影響。

圖5　新鄉(xiāng)市春季降水累積距平

2.3春季日照時數(shù)

2.3.1春季日照時數(shù)變化特征日照是一種重要的氣候因子，也是可供人類開發(fā)利用的一種重要的可再生資源，更是農(nóng)作物生長發(fā)育不可缺少的氣候條件，因而探討日照時數(shù)的變化具有重要意義[19-20]。統(tǒng)計新鄉(xiāng)全區(qū)各站點3—5月日照時數(shù)的基礎上，通過一元線性回歸分析法對春季日照時數(shù)變化進行趨勢擬合（見表3）。通過GIS技術，利用Kriging空間插值法計算后，得出新鄉(xiāng)地區(qū)春季日照時數(shù)變化趨勢的時空分布特征（見圖6）。結果顯示：日照時數(shù)變化在全區(qū)范圍內(nèi)以平均1.216 h/a的速率呈減少趨勢；北部地區(qū)輝縣減幅最大為2.359 h/a，其次是東北部衛(wèi)輝地區(qū)，中東部延津地區(qū)減幅最小，變化趨勢為0.174 h/a；北部山區(qū)春季日照時數(shù)的減少幅度明顯高于中部地區(qū)。

表3　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季日照變化趨勢　h/a

圖6　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季日照時數(shù)變化趨勢時空分布圖

2.3.2春季日照時數(shù)突變分析通過Mann-Kendall法對新鄉(xiāng)全區(qū)春季日照時數(shù)進行統(tǒng)計分析，結果如圖7所示。從UF曲線可知，春季日照時數(shù)在1973年和1984年左右出現(xiàn)了交點，日照時數(shù)在此年份可能發(fā)生了突變。

圖7　新鄉(xiāng)市春季日照時數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計量

經(jīng)過繪制累積距平曲線（見圖8）發(fā)現(xiàn)，日照時數(shù)僅在1984年出現(xiàn)了相對高值，由于此交點出現(xiàn)在臨界值(±1.96)內(nèi)，且交點之后UF曲線超過了α=0.05的臨界值(μ0.05=±1.96)，因此可判定春季日照時數(shù)在1984年發(fā)生了顯著的遞減突變。

3　結論與討論

（1）隨著全球變暖，新鄉(xiāng)地區(qū)春季氣候已經(jīng)發(fā)生了明顯變化。春季氣溫在全區(qū)范圍內(nèi)呈上升趨勢，并且在1998年發(fā)生顯著增溫突變，全區(qū)平均增幅為0.035℃/a，增溫幅度呈“北高南低”態(tài)勢；春季降水呈現(xiàn)微弱增多趨勢，平均增幅為0.220 mm/a，變化不明顯且年際間波動性較大，降水增幅整體上呈“北多南少”趨勢；春季日照時數(shù)以平均1.216 h/a的速率在全區(qū)呈減少趨勢，并且在1984年發(fā)生顯著遞減突變，北部輝縣地區(qū)日照時數(shù)減幅最大。

圖8　新鄉(xiāng)市春季日照時數(shù)累積距平

（2）春季日照時數(shù)在全區(qū)的顯著減少趨勢可能與本地區(qū)霧霾天氣的不斷增多有一定關系。北部山區(qū)輝縣、衛(wèi)輝地區(qū)的日照時數(shù)遞減趨勢明顯高于其他地區(qū)，這可能與北部山區(qū)較多以及降水的增多趨勢有一定關系。

（3）研究區(qū)春季氣候已發(fā)生顯著變化，但針對氣候變化應對措施的研究還比較有限，氣候變化對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及作物產(chǎn)量的影響和評估還需進行深入分析和探討，這是當前亟待研究和解決的焦點問題。

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Climatic Change Characteristics in Xinxiang in Spring Based on GIS

Li Xiangyan,Zhang Jinping
(Xinxiang Meteorological Bureau,Xinxiang 453003,Henan,China)

Abstract:Based on the data of daily temperature,precipitation and sunshine hours from March to May of 8 meteorological stations in Xinxiang from 1971 to 2014,the authors used linear tendency estimate method, accumulative anomaly method and Mann-Kendall method with GIS technology,discussed and analyzed the climate change trend and spatial-temporal distribution features in spring in Xinxiang,in order to provide reference for disaster prevention and mitigation.The results showed that the spring temperature in Xinxiang had an increasing trend with an average growth rate as 0.035℃/a,and a significant mutation of temperature increase happened in 1998,the warming rate of the north was higher than that of the south.The spring precipitation presented a weak increasing trend with an average increase rate as 0.220 mm/a,and the change was not obvious and the interannual volatility was relatively large.The increase trend of precipitation was more in the north than that in the south overall.The sunshine hours in spring had a decreasing tendency with an average rate of 1.216 h/a,and a significant decline mutation happened in 1984,the sunshine hours reduction in the north was obviously higher than that in other regions.The global warming had caused obviously regional climate variability in Xinxiang.

Key words:Climate Change;Spatial-temporal Distribution;Characteristics Analysis;GIS

收稿日期：2015-11-10，修回日期：2016-01-11。

作者簡介：第一李香顏，女，1981年出生，河南南陽人，工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。

通信地址：453003河南省新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)平原路牌坊街1號，Tel：0373-5808895，Email：594813343@qq.com。

基金項目：新鄉(xiāng)市科技發(fā)展計劃項目(14SF01)。

中圖分類號：P467

文獻標志碼：A論文編號：cjas15110008