文水縣近43 a來氣候變化特征分析

常耀杰，馬明璐，范耀秀，王文忠

（太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西晉中030619）

文水縣近43 a來氣候變化特征分析

常耀杰，馬明璐，范耀秀，王文忠

（太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西晉中030619）

運(yùn)用文水縣氣象站1972—2014年的氣溫、降水量數(shù)據(jù)，通過計(jì)算氣候傾向率和均方差，以及采用Cubic曲線擬合等方法對(duì)文水縣近43 a來的氣溫和降水變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，從溫度總體變化來看，文水縣近43 a來年均溫以0.32℃/10 a的速度上升，尤其是20世紀(jì)90年代后增溫劇烈；從季節(jié)變化來看，全年各月氣溫都在上升，但冬春季升溫幅度劇烈，夏秋季升溫幅度較弱。從降水變化來看，整體上43 a來年降水量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，尤其從20世紀(jì)90年代開始降水量急劇下降；從季節(jié)降水來看，秋季降水量略有增加，其他3個(gè)季節(jié)降水量都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。綜合氣溫和降水變化情況，文水縣氣候經(jīng)歷了由暖濕到暖干的變化過程。

文水縣；氣候變化；氣溫；降水

2013年IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出，1880—2012年，全球平均地表溫度升高了0.85℃，并預(yù)計(jì)21世紀(jì)末全球平均地表溫度在1986—2005年的基礎(chǔ)上將升高0.3～4.8℃[1]，氣候變化已經(jīng)成為一個(gè)公認(rèn)的事實(shí)，引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注。在20世紀(jì)90年代就有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在過去100多年中，全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃[2]，雷Wen等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，在1951—1990年，中歐、美國、澳大利亞、俄羅斯等地的氣溫有明顯的上升趨勢(shì)，大量的冰雪消融，使得全球海平面在20世紀(jì)平均上升了0.1～0.2m。我國近百年氣溫變化與全球相似，也有明顯的升溫趨勢(shì)[4-6]，但是不同的區(qū)域氣候變化存在很大的差異。如李又雙等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)50—80年代末，我國東北、華北、西北的西部地區(qū)均出現(xiàn)了增溫趨勢(shì)，但增溫幅度不盡相同，而在青藏高原以東的地區(qū)氣溫卻有所下降[10]。已有的研究多為大尺度范圍的氣候變化分析，而對(duì)小尺度空間區(qū)域的研究較少。而針對(duì)某一小區(qū)域的氣候變化進(jìn)行研究，能夠更加準(zhǔn)確地把握在全球氣候變暖背景下的局部小氣候的變化特征，為該地區(qū)的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

文水縣位于山西省中部，汾河盆地西緣，呂梁山東麓，西高東低?？偯娣e1 064.5 km2，是典型的黃土地貌區(qū)。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為457mm，降水主要集中在7，8月；光照充足，年平均日照時(shí)數(shù)為2 252 h，平均日照率為58%；年平均氣溫為10.1℃。夏季炎熱多雨，多洪澇災(zāi)害，冬季寒冷干燥，多寒潮。據(jù)研究，氣候變化會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生一些影響[11-15]，文水縣農(nóng)作物以冬小麥、玉米為主，經(jīng)濟(jì)果木以梨、葡萄、蘋果為主，是典型的農(nóng)業(yè)縣，顯然，氣候變化對(duì)該縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著決定性作用。

利用1972—2014年的氣溫和降水資料對(duì)文水縣氣候變化特征進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的分析，旨在更好地指導(dǎo)該區(qū)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，為文水縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于文水縣地面氣象站（地理坐標(biāo)為：37°27′N，112°03′E），利用1972—2014年逐月的平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)分別從年際、年代際、季節(jié)3個(gè)不同的時(shí)間尺度對(duì)文水縣43 a的氣溫和降水變化進(jìn)行系統(tǒng)的分析，旨在分析文水縣這一縣域小氣候?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)。

季節(jié)劃分：春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月），冬季（12月至次年2月）。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率 氣候傾向率是分析長(zhǎng)時(shí)間序列的某一氣候要素的變化速率，一般用一次方程來表示。

1.2.2 Cubic函數(shù)曲線擬合 用Cubic函數(shù)曲線，將氣候某要素寫成關(guān)于時(shí)間t的非線性函數(shù)。

式中，b0，b1，b2，b3為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，是針對(duì)實(shí)際資料利用最小二乘法求出的。通過三次函數(shù)（Cubic函數(shù)）曲線擬合，可以直觀地反映氣候某要素隨時(shí)間序列的階段性波動(dòng)狀況和變化特征，適合于幾年到幾十年相對(duì)短期的氣候變化特征分析。根據(jù)Cubic圖像上的階段性極值可分析某一氣候要素變化的轉(zhuǎn)化特征。其中，極大值表示要素變化由上升趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為下降，極小值則相反。

1.2.3 氣候標(biāo)準(zhǔn)差和方差 標(biāo)準(zhǔn)差（均方差）和方差是分析某一氣候要素偏離平均狀態(tài)的重要指標(biāo)，對(duì)于序列xi，其標(biāo)準(zhǔn)差表示如下。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化分析

2.1.1 氣溫的年際變化特征 根據(jù)文水縣1972—2014年逐年的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算出這43 a來逐年年均溫，用每年年均溫值減去這43 a的年均溫作為對(duì)應(yīng)年份的年均溫距平值。繪制年均溫及距平值的變化趨勢(shì)如圖1所示。

由圖1可知，文水縣近43 a來的年平均氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，尤其是1996年以來升溫趨勢(shì)非常明顯。從圖1線性趨勢(shì)變化曲線可以看出，文水縣43 a來的年平均氣溫的氣候傾向率為0.32℃/10 a。

擬合Cubic曲線方程為：y＝-0.001x3＋0.01x2－0.169x＋10.62，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.718，通過檢驗(yàn)，說明文水縣的年平均氣溫呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)十分顯著。從逐年的距平值變化圖可以看出，在1996年以前主要為負(fù)距平，氣溫明顯低于年均氣溫，且在1984年年均溫出現(xiàn)43 a來的最低值（9.01℃）；在1996年以后則以正距平為主（1996年累積距平達(dá)到最小，為-10.5℃），氣候變化顯著，具有跳躍上升的特點(diǎn)，在2006年達(dá)到近43 a來的最高值，為11.7℃?？傊?，43 a來文水縣的年平均氣溫與全國變暖趨勢(shì)一致[16]。

由表1可知，文水縣1972—2014年各月、年平均氣溫的傾向率、均方差以及Cubic函數(shù)R值變化均呈上升趨勢(shì)，其中，氣溫傾向率由公式（1）求得，均方差由公式（3）求得，Cubic函數(shù)R值由公式（2）擬合而來，采用自由度為n-2、信度為0.05的t檢驗(yàn)，當(dāng)時(shí)顯著相關(guān)，認(rèn)為氣候的波動(dòng)變化不是隨機(jī)發(fā)生的，而是具有明顯的趨勢(shì)。從表1可以看出，各月和年平均溫度的氣溫傾向率均為正數(shù)，說明這43 a來每月氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但其上升幅度有所不同，上升幅度最大的是2月，上升幅度最小的是8月，冬季升溫幅度高于夏季；年較差的氣溫傾向率為負(fù)值，說明氣溫年較差有減小趨勢(shì)。Cubic函數(shù)R值除1，11月外，其余月份和年均溫的可靠性均通過信度為0.05的檢驗(yàn)，達(dá)到了顯著水平，且為正相關(guān)，可以認(rèn)為，43 a來，各月平均氣溫和年均溫均出現(xiàn)了顯著波動(dòng)上升趨勢(shì)；但1，11月的波動(dòng)趨勢(shì)顯著較??；另外，年較差的Cubic函數(shù)R值為-0.377，達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)水平，表明年較差呈顯著的波動(dòng)性下降趨勢(shì)。從各月氣溫的均方差看，2月的均方差最大，為1.946；7月的均方差最小，為0.841，由此可見，43 a來2月的平均氣溫波動(dòng)變化范圍較大，7月的平均氣溫波動(dòng)變化范圍較小。雖然各月和年均溫都有上升趨勢(shì)，但年均溫的氣溫傾向率較大（0.32℃/10 a）、均方差較?。?.650），表明年均溫與時(shí)間序列聯(lián)系最為密切，43 a中同期波動(dòng)幅度小，上升趨勢(shì)明顯。

表1 文水縣1972—2014年各月平均氣溫傾向率及均方差

2.1.2 氣溫的年代際變化特征 為了具體反映氣溫的階段性變化特征，本研究分為20世紀(jì)70年代（1972—1979年）、80年代（1980—1989年）、90年代（1990—1999年），21世紀(jì)初（2000—2009年）、2010—2014年5個(gè)階段，計(jì)算了不同年代各月的平均氣溫（表2）。在計(jì)算1972—2014年各年代際的氣溫傾向率時(shí)，由于1970，1971年數(shù)據(jù)的短缺，用20世紀(jì)70年代的均溫進(jìn)行補(bǔ)充（表3）；將2000—2014年這15 a看成進(jìn)入21世紀(jì)后的一個(gè)年代。由表2，3可知，與我國整體從70—80年代氣溫上升趨勢(shì)相反[17]，文水縣氣溫在20世紀(jì)70年代呈下降趨勢(shì)，到80年代氣溫達(dá)到近40年來的最低水平，年均溫為9.85℃，但仍有微弱的上升趨勢(shì)；90年代以后氣溫上升幅度明顯，年均溫比80年代高0.55℃，氣溫傾向率達(dá)到1.72℃/10 a，各月氣候傾向率也均為正值，說明在20世紀(jì)90年代各月的氣溫都出現(xiàn)了上升趨勢(shì)；進(jìn)入21世紀(jì)以后氣溫持續(xù)升高，但升高幅度有所減緩?？傮w來說，20世紀(jì)80年代，文水縣處于相對(duì)寒冷期，而70年代和90年代以后處于相對(duì)溫暖期。

表2 文水縣1972—2014年各年代際平均氣溫 ℃

表3 文水縣1972—2014年各年代際氣溫傾向率 ℃/10 a

氣溫年較差是最熱月平均溫度和最冷月平均溫度之差。從表3可以看出，在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)以來氣溫年較差變化趨勢(shì)和年均溫變化趨勢(shì)相反，都呈現(xiàn)出氣溫升高、年較差減小的趨勢(shì)；而在20世紀(jì)70年代和90年代，二者的變化趨勢(shì)一致。說明年內(nèi)各月氣溫變化并不一致，存在季節(jié)性差異。20世紀(jì)70年代冬季（12，1，2月）氣溫是上升的，但春季、夏季、秋季氣溫呈下降趨勢(shì)；80年代平均氣溫變化不明顯，但冬季各月氣溫上升幅度很大，夏季氣溫卻是下降的，這也是80年代氣溫年較差最小的原因；90年代各月氣溫都是升高的，其中春季和夏季升溫趨勢(shì)明顯，秋冬升溫趨勢(shì)較小，這是導(dǎo)致90年代氣溫年較差增大的主要原因；進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫在20世紀(jì)90年代的基礎(chǔ)上略有升高，但變化幅度不大?？傮w來說，文水縣43 a來的年均溫是上升的，但并不是持續(xù)上升，20世紀(jì)70年代氣溫下降，從80年代起氣溫開始上升，90年代上升幅度達(dá)到最大，其中冬季增溫幅度要大于夏季。

2.1.3 氣溫的季節(jié)變化特征 采用1972—2014年文水縣逐月氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)季節(jié)劃分方法計(jì)算出逐年的春、夏、秋、冬四季的月均溫，繪制這四季的氣溫變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，文水縣近43 a來的春、夏、秋、冬四季的均溫都呈上升趨勢(shì)；其中，春季增溫最為劇烈，其線性傾向率為0.48℃/10 a，高于全國春季氣溫傾向率0.272℃/10 a[18]，這種情況與全國冬季升溫最為劇烈的狀況有所差異[19]；其次，冬季的增溫也非常明顯，增溫幅度為0.45℃/10 a，小于全國的0.532℃/10 a；再次是夏季，其氣溫傾向率為0.20℃/10 a，與全國夏季增溫幅度一致；增溫幅度最小的季節(jié)為秋季，氣溫傾向率為0.19℃/10 a。

從圖2的四季Cubic曲線擬合來看，文水縣春季均溫從20世紀(jì)70年代到80年代中期呈下降趨勢(shì)，在1984年達(dá)到了一個(gè)低谷，之后處于一直上升階段；夏季均溫分3個(gè)變化階段，即1972—1982年呈下降趨勢(shì)，在1982年到達(dá)極小值，1982—2008年為上升階段，到2008年到達(dá)一個(gè)小高峰，2008年以后又有所下降；秋季均溫在20世紀(jì)70年代是下降的，在1979年時(shí)為小低谷，之后一直緩慢上升，直至2009年達(dá)到一個(gè)小高峰，之后緩慢下降?？傊?，秋季均溫的升高趨勢(shì)不明顯；冬季均溫的變化與夏季一樣也經(jīng)歷的3個(gè)階段，第1階段（1972—1978年）緩慢下降，在1978年達(dá)到低谷；第2階段（1979—2008年）處于增溫狀態(tài)，尤其是1996年后增溫十分迅速，在2008年達(dá)到高峰；第3階段（2008—2014年）均溫有所下降。總體來說，這4個(gè)季節(jié)的均溫都呈現(xiàn)了先下降后上升的趨勢(shì)，且低谷除秋季外，均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，高峰出現(xiàn)在21世紀(jì)的前10 a，之后氣溫除春季外都有回落的趨勢(shì)。

2.2 降水變化分析

2.2.1 降水量的年際變化特征 降水量距平百分率是降水量距平值與多年同期平均降水量的百分比，通過計(jì)算降水量的距平百分率可以直觀地看出降水量的變化趨勢(shì)（圖3）。

從圖3可以看出，文水縣43 a來的降水量年際波動(dòng)變化非常明顯，降水量最大的年份是1973年，為646.4 mm；降水量最小的年份為1999年，為249.5 mm，其最大值是最小值的2.59倍，最大值是多年平均值的1.45倍，通過線性趨勢(shì)線可得遞減速率為18.32 mm/10 a。年降水量Cubic曲線函數(shù)為：y＝-0.024x3－1.531x2＋23.74x＋396.1，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.402，通過了a＝0.01檢驗(yàn)，說明文水縣的年降水量的波動(dòng)下降趨勢(shì)十分明顯；1996年之前距平百分率以正值為主，均值為7%，降水量較多，氣候偏濕潤(rùn)；1996—2010年距平百分率多為負(fù)，均值為-16.22%，降水量較少，氣候偏干燥；2011—2014年距平百分率為正值，降水量有所增加。

2.2.2 降水量的年代際變化特征 從表4可看出，20世紀(jì)70年代的年均降水量最大，為490.5 mm；21世紀(jì)前10 a的年均降水量最小，為413.7 mm，二者相差76.8mm。年代際降水量變化以20世紀(jì)90年代為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，20世紀(jì)70，80年代年降水量均以正距平為主，年降水量高于多年平均降水量，降水較多，其中70年代的年均降水量比43 a平均降水量多10.3%，80年代的年均降水量比43 a的平均降水量多5.73%；20世紀(jì)90年代至2014年的降水量距平值為負(fù)，降水量低于多年平均水平，說明這段時(shí)期比較干旱，尤其是21世紀(jì)的前10 a降水量比多年均值少7%。從各月降水量來看，最冷月（1月）降水波動(dòng)較大，2010—2014年1月年均降水量最小，為1.1 mm，2000—2009年1月年平均降水量最大，為4.8 mm，前者比后者少77.1%；最熱月（7月）降水波動(dòng)較小，2000—2009年7月年均降水量最小，為76.4mm，2010—2014年7月年平均降水量最大，為136.5mm，前者比后者少44.0%。

表4 文水縣1972—2014年各年代際平均降水量 mm

2.2.3 降水量的季節(jié)變化特征 采用文水縣1972—2014年逐月降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算文水縣近43 a來每年的四季降水量，并分別繪制文水縣1972—2014年春、夏、秋、冬四季的降水量分布圖（圖4）。

從圖4可以看出，文水縣43 a來的春、夏、冬季降水量呈減小趨勢(shì)，但是減少幅度有所不同，從各季的降水趨勢(shì)線來看，夏季減少程度最大，大約每年減少2.379 mm，春季每年減少0.04 mm，冬季減少速度最緩慢，每年大約減少0.034 mm；而秋季降水量卻有所增加，大約每年增加0.623mm。

另外，從圖4中Cubic擬合曲線還可以看出，春季降水量在20世紀(jì)70—80年代中期有所增加，到1985年達(dá)到一個(gè)峰值，之后減少，在2005年達(dá)到最低，2005年后緩慢增加；夏季降水量在1977年達(dá)到最高峰，之后呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，到2003年達(dá)到最低；秋季降水量，1972—1978年呈增加趨勢(shì)，到1978年達(dá)到一個(gè)小高峰，之后緩慢下降，在1998年達(dá)到了低谷，之后又出現(xiàn)了上升趨勢(shì)；冬季降水量從1972年到80年代中期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在1983年達(dá)到低谷，之后上升，但上升趨勢(shì)緩慢。

四季的降水變化幅度和時(shí)間不一致，有的季節(jié)降水減少，有的季節(jié)降水增加，但年均降水量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，文水縣近43 a來氣溫總體上呈上升趨勢(shì)，年均溫以0.32℃/10 a的幅度升高，氣溫變化可分為2個(gè)暖期（20世紀(jì)70年代和90年代后）和一個(gè)冷期（20世紀(jì)80年代）；90年代后升溫顯著，尤其是在21世紀(jì)前10 a年均溫達(dá)到了最高，但氣溫的上升仍有季節(jié)差異，冬、春季升溫劇烈，夏、秋季升溫較弱，這是導(dǎo)致氣溫年較差減小的原因。

文水縣近43 a來降水量呈總體下降趨勢(shì)，降水傾向率為-18.32mm/10 a。尤其在20世紀(jì)90年代以后年降水量下降幅度明顯，在21世紀(jì)前10 a降水量達(dá)到了最??；從降水量的季節(jié)變化來看，春、夏、冬季的降水量都有減少趨勢(shì)，減少速率大小為：夏季>春季>冬季；而秋季的降水量卻有所增加。

文水縣氣侯呈現(xiàn)出暖濕-冷濕-暖干的變化趨勢(shì)。文水縣氣溫在20世紀(jì)70年代處于相對(duì)偏暖期，80年代氣溫急劇下降，達(dá)到了多年來的最低值，為相對(duì)偏冷期；在90年代氣溫明顯上升直到21世紀(jì)前10 a達(dá)到了最高，為相對(duì)偏暖期。降水量以20世紀(jì)90年代為轉(zhuǎn)折，90年代以前年均降水量高于43 a平均值，距平百分率以正值為主，雨水較豐富；從90年代開始年均降水量低于43 a平均值，距平百分率以負(fù)值為主，降水較少。綜合氣溫和降水變化趨勢(shì)來看，文水縣43 a的氣候經(jīng)歷了由20世紀(jì)70年代的暖濕到80年代的冷濕再到90年代后暖干的態(tài)勢(shì)，但值得注意的是，2011—2014年這5 a來的年均溫有所下降，降水量也有所增加，暖干化趨勢(shì)減緩。

氣候變化對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生深刻的影響[20]，文水縣是以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，氣溫和降水的變化對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量等產(chǎn)生重要的影響。因此，在開展各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)，還必須注意氣候環(huán)境的分析評(píng)價(jià)，保證該區(qū)生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis on Climatic Change Characteristics of Wenshui County in Recent 43 Years

CHANG Yaojie，MA Minglu，F(xiàn)ANYaoxiu，WANG Wenzhong
（College ofGeographical Sciences，Taiyuan Normal University，Jinzhong030619，China）

According to the dataof temperature and precipitation in 1972-2014 from Wenshui Weather Station,thispapergives the analysis of the characteristics of temperature and precipitation change in the recent 43 years by measuring climatic tendency rate and mean square deviation and adopting other methods like cubic curve fitting.The results shows that from the general temperature change, the annual temperature of Wenshui county in the recent 43 years goes up at a rate of 0.32℃/10 a,especially fiercely in the late 1990s. Form the seasonal change,the monthly temperatures are all rising throughout the year,but sharply in spring and winter and weakly in summerand autumn.As for the precipitation change,the annual precipitation in the past43 yearsgenerally declined obviously,especially sharply from the1990s.From the seasonal change,precipitation hasa slightincreasewhilea decrease in other three seasons.Considering the conditions of both temperature and precipitation,it has been a process form being warm and wet to being warm and dry in Wenshui County.

Wenshui county;climatic change;temperature;precipitation

467

A

1002-2481（2016）07-0995-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.07.24

2016-03-07

常耀杰（1990-），女，山西文水人，在讀碩士，研究方向：自然資源評(píng)價(jià)與開發(fā)。王文忠為通信作者。