丹江流域氣候因子變化分析

任寅榜，劉 燕，安 欣(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

丹江流域氣候因子變化分析

任寅榜，劉 燕，安 欣

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

氣候因子；小波分析；突變分析；丹江流域

利用1970—2015年丹江流域氣候因子數(shù)據(jù)，采用小波分析和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法，研究了丹江流域氣候因子多時(shí)間尺度的周期性變化規(guī)律。小波分析結(jié)果顯示，在大尺度上(23～32 a)氣溫的年際和季節(jié)變化規(guī)律一致，但在小尺度上(8～22、3～7 a)變化周期差異明顯，且隨著時(shí)間尺度的縮小，周期變化越來越頻繁；降水量的年際和季節(jié)變化在不同時(shí)間尺度上呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性，這種規(guī)律在大尺度上(22～31 a)相對(duì)穩(wěn)定，在小尺度上(12～21、3～11 a)干濕交替頻率增大、時(shí)間間隔縮小。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)表明，丹江流域年平均氣溫變化總體呈上升趨勢(shì)，且在1985年增溫突變，冬季氣溫對(duì)全年增幅貢獻(xiàn)最大，也是年平均氣溫在1985年后突變?cè)鰷氐闹饕?；年平均降水量的增加中夏季的貢獻(xiàn)值較大，但其不穩(wěn)定的變化趨勢(shì)也是導(dǎo)致年平均降水量變頻較大的主要原因；年平均日照時(shí)數(shù)的減少與年平均降水量的增加有關(guān)。

氣候因子變化是全球變化的重要組成部分，極易影響人類的生產(chǎn)活動(dòng)，研究氣候因子，了解其變化幅度、變化規(guī)律及變化趨勢(shì)[1]，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)等具有重要意義[2]。通過氣候因子的時(shí)間序列變化分析，可以反映氣候要素多時(shí)間尺度的變化周期[3]；利用氣候因子突變分析方法，可以反映氣候因子從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)過程中對(duì)變化趨勢(shì)敏感性的響應(yīng)。相關(guān)的研究方法已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用于研究當(dāng)中，比如：WANG et al.[4]利用小波分析對(duì)中國(guó)近50年氣溫變化進(jìn)行分析，并對(duì)未來20年的氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；董婕等[5]利用小波分析和距平分析法，研究了近50年來榆林、西安、安康的氣溫和降水總體變化特征和變化趨勢(shì)，揭示了城市氣溫和降水變化的多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，以及不同時(shí)間尺度下氣溫和降水序列變化的周期和突變特點(diǎn)；宋佃星等[6]利用Mann-Kendall法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Yamamoto法對(duì)秦嶺近50年來南北氣候分異進(jìn)行了突變檢驗(yàn)分析；陳華等[7]利用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法和空間插值方法對(duì)漢江流域1951—2003年降水、氣溫時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

丹江流域主要是以中低山為主的土石山區(qū)，境內(nèi)群山連綿交錯(cuò)、山大溝深、峽谷相間排列，地勢(shì)由西北向東南降低，具有亞熱帶和暖溫帶氣候特點(diǎn)，氣候變化顯著，氣象災(zāi)害以干旱為主，連陰雨和秋封次之，局部地區(qū)多暴雨。鑒于此，利用Morlet小波變換分析方法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)丹江流域1970—2015年氣候因子的時(shí)間變化規(guī)律和氣候突變特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

氣象數(shù)據(jù)資料來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)和多個(gè)氣象站的日觀測(cè)資料。根據(jù)陜西省商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣和河南省淅川縣4個(gè)測(cè)站1970—2015年的逐月平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等，計(jì)算4個(gè)測(cè)站同期算術(shù)平均值得到逐月(季節(jié)、年)的氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)。對(duì)個(gè)別缺失的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)多年同期的月值數(shù)據(jù)和同年相鄰的月值數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行修訂。

氣候因子是氣象學(xué)研究中的一個(gè)重要變量，氣象要素的時(shí)間、空間尺度在某種程度上具有相關(guān)性，因而時(shí)間多尺度是氣候因子變化的重要特征。本研究利用Morlet小波分析進(jìn)行時(shí)間序列尺度分析，SPSS變量間線性依存關(guān)系的回歸分析進(jìn)行氣候因子序列變化特點(diǎn)分析，Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)氣候因子進(jìn)行突變分析。小波分析可以清楚地反映時(shí)間序列的周期性特征，顯示出氣候因子變化周期隨著研究尺度的不同而發(fā)生的相應(yīng)變化，這種變化一般表現(xiàn)為小時(shí)間尺度的變化周期嵌套在大尺度的變化周期之中[8]。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法具有計(jì)算方便、檢測(cè)范圍廣、不會(huì)受少數(shù)異樣點(diǎn)干擾影響的特點(diǎn)，并且能明確突變開始的時(shí)間及突變區(qū)域，對(duì)順序變量和類型變量效果較好[9]。

2 氣候因子變化特征分析

2.1 月變化特征

單項(xiàng)擬合結(jié)果能反映各氣候因子各月變化趨勢(shì)(圖1)。通過比較擬合的R2值可以看出，月平均氣溫的三次多項(xiàng)式擬合效果較好(R2=0.94)，月平均降水量的三次多項(xiàng)式也有較為可信的擬合度(R2=0.83)，而月平均日照時(shí)數(shù)的擬合模型可靠度較低(R2=0.37)，即月平均氣溫和月平均降水量的倒U形擬合關(guān)系具有擬合意義。線性擬合及指數(shù)擬合顯示，所有氣候因子在研究區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出單調(diào)上升或下降的趨勢(shì)。二次多項(xiàng)式和三次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果表現(xiàn)為先增后減，出現(xiàn)極大值拐點(diǎn)。丹江流域年平均氣溫為7.6～14.8 ℃，氣溫年較差在23.1～25.9 ℃之間，氣溫在6—8月達(dá)到最高值；年平均降水量為720.1～845.6 mm，降水主要集中在4—10月，期間降水量占年降水量的84%～89%；年平均日照時(shí)數(shù)為1 856～2 132 h，其中4—10月的日照時(shí)數(shù)占年日照時(shí)數(shù)的61.5%～65.3%。

圖1 氣候因子月變化曲線擬合結(jié)果

2.2 年際變化特征

基于1970—2015年氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣候因子，通過大量的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算得到丹江流域各氣候要素的年平均值，并運(yùn)用Morlet小波分析計(jì)算小波系數(shù)實(shí)部，以Suffer軟件繪出小波系數(shù)等值線圖進(jìn)行周期分析。在小波分析圖(圖2)中，白色區(qū)域?yàn)楦咧抵行?，黑色區(qū)域?yàn)榈椭抵行?，分別代表了氣候因子——?dú)鉁?、降水量、日照時(shí)數(shù)的上升和下降趨勢(shì)。本研究以46年的氣候要素為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，符合世界氣象組織(WMO)提出的30年氣象要素可以反映出一地區(qū)整體氣象情況的規(guī)定，具有科學(xué)性和應(yīng)用價(jià)值。

年平均氣溫的變化過程存在23～32、8～22、3～7 a三個(gè)尺度的周期變化規(guī)律：在23～32 a中出現(xiàn)了冷暖交替的4次震蕩，且周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)得非常穩(wěn)定；在8～22、3～7 a，冷暖周期變化不明顯。年平均降水量變化過程存在21～31、10～20、3～9 a三個(gè)尺度的周期變化規(guī)律：在21～31 a中出現(xiàn)了干濕交替的5次震蕩，在10～20 a中出現(xiàn)了干濕交替的8次震蕩，在3～9 a中出現(xiàn)了干濕交替的16次震蕩；前兩個(gè)時(shí)間尺度的周期變化在整個(gè)分析階段表現(xiàn)得非常穩(wěn)定，后一個(gè)時(shí)間尺度的周期變化在1992年后規(guī)律不明顯。年平均日照時(shí)數(shù)變化過程存在24～32、17～23、9～16、3～9 a四個(gè)尺度的周期變化規(guī)律：在24～32 a間出現(xiàn)了長(zhǎng)短交替的4次震蕩，在17～23 a間出現(xiàn)了長(zhǎng)短交替的5次震蕩，且周期變化表現(xiàn)得相對(duì)穩(wěn)定；在9～16、3～9 a間，1995年之前周期變化相對(duì)穩(wěn)定，之后變化規(guī)律不明顯。

圖2 氣候因子年變化小波分析

利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法來分析丹江流域1970—2015年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣候因子的突變趨勢(shì)，反映各氣候要素的突變發(fā)生時(shí)間，見圖3。年平均氣溫的UF(k)和UB(k)曲線在置信度區(qū)間95%(α=0.05)內(nèi)有5個(gè)交叉點(diǎn)，分別在1970—1971、1973—1974、1977—1978、1979—1980和1985—1986年間。滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果表明，這些交點(diǎn)只有1985—1986年間的通過了95%顯著水平檢驗(yàn)，說明平均氣溫在1985年后有暖突變。年平均降水量在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，UF(k)和UB(k)曲線在臨界線內(nèi)有2次交叉，滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明這些突變點(diǎn)均不在置信區(qū)間內(nèi)，即全部為非突變點(diǎn)。年平均日照時(shí)數(shù)UF(k)和UB(k)曲線在兩條臨界線之間變化幅度小，且各交叉點(diǎn)均不在置信區(qū)間內(nèi)，因此突變不明顯。

圖3 氣候因子年變化Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線

注：實(shí)線為正序列UF(k)曲線，虛線為逆序列UB(k)曲線，±1.96臨界線間為95%置信度區(qū)間。

2.3 季節(jié)變化特征

氣溫、降水量、太陽(yáng)輻射的四季變化存在明顯的季節(jié)差異性(圖4)。丹江流域春季和夏季氣溫在23～32 a間的變化規(guī)律具有高度的周期相似性，均有5次冷暖震蕩，但在小尺度上變化規(guī)律不明顯，周期性弱； 秋季氣溫存在23～32、 12～20、3～10 a三個(gè)時(shí)間尺度，第一個(gè)尺度上出現(xiàn)了冷暖交替的4次震蕩，第二個(gè)尺度上出現(xiàn)了冷暖交替的7次震蕩，第三個(gè)尺度上出現(xiàn)了16次震蕩，且在第一個(gè)時(shí)間尺度上周期變化非常穩(wěn)定；冬季氣溫的周期變化存在19～32、9～18、3～8 a三個(gè)時(shí)間尺度，在前兩個(gè)尺度上分別出現(xiàn)了4次和8次的冷暖交替震蕩，且其變化周期相對(duì)穩(wěn)定，在第三個(gè)時(shí)間尺度上，氣溫的周期變化存在22次震蕩，小尺度上周期變化不穩(wěn)定。在降水量的季節(jié)變化時(shí)間尺度上，春季降水量變化不具有明顯的周期性；夏季和秋季的周期性變化具有很大的相似性，存在21～32、10～20、3～9 a三個(gè)時(shí)間尺度，其中在21～32 a出現(xiàn)了干濕交替的4次震蕩，在10～20 a出現(xiàn)了干濕交替的8次震蕩，在3～10 a干濕交替頻率越來越快，時(shí)間間隔越來越小；冬季降水量存在13～26、3～12 a兩個(gè)時(shí)間尺度上的變化，前一個(gè)時(shí)間尺度上出現(xiàn)了5次干濕交替震蕩，后一個(gè)時(shí)間尺度在1995年之前周期性相對(duì)穩(wěn)定，1995年后變化規(guī)律不明顯。在日照時(shí)數(shù)的季節(jié)變化過程中，大尺度上周期性相對(duì)穩(wěn)定，在小尺度上不明顯，即在20～32 a出現(xiàn)了5次長(zhǎng)短交替震蕩，在3～19 a的長(zhǎng)短交替震蕩規(guī)律性較差。

圖4 氣候因子季節(jié)變化小波分析

春季平均氣溫的UF(k)和UB(k)曲線在置信度區(qū)間95%(α=0.05)內(nèi)有3個(gè)交叉點(diǎn)，分別在1971—1972、1974—1975和1993—1994年間，滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明這些點(diǎn)中只有1993—1994年間的交叉點(diǎn)通過了95%顯著水平檢驗(yàn)，說明春季氣溫在1993年后有暖突變；夏季氣溫在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，UF(k)和UB(k)曲線在臨界線內(nèi)有2次交叉，滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明這些突變點(diǎn)均不在置信區(qū)間內(nèi)；秋季平均氣溫UF(k)和UB(k)曲線在整個(gè)時(shí)段段有多次相交，但只有1994—1995年間的處于t檢驗(yàn)置信區(qū)間內(nèi)，即1994年為突變點(diǎn)；冬季平均氣溫檢驗(yàn)曲線在1985年相交且處在置信區(qū)間內(nèi)，即1985年后氣溫突變上升(圖5)。

圖5 氣候因子季節(jié)變化Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

降水量季節(jié)變化Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，UF(k)和UB(k)曲線除夏季在1974—1975年間交叉并通過t檢驗(yàn)在置信區(qū)間內(nèi)，即夏季降水量在1974年后發(fā)生突變外，其余季節(jié)降水量在臨界線間出現(xiàn)多次相交，但均未通過t檢驗(yàn)不在置信區(qū)間內(nèi)，即均未發(fā)生突變(圖5)。

春季平均日照時(shí)數(shù)UF(k)和UB(k)曲線在1997年交叉，且通過t檢驗(yàn)位于置信區(qū)間內(nèi)，說明在1997年后發(fā)生突變；夏季平均日照時(shí)數(shù)UF(k)和UB(k)曲線在2000—2001年間交叉并通過t檢驗(yàn)位于置信區(qū)間內(nèi)；秋季和冬季日照時(shí)數(shù)UF(k)和UB(k)曲線雖有多次相交，但均未通過檢驗(yàn)，即均未發(fā)生突變(圖5)。

3 結(jié)果與討論

丹江流域氣候因子各月平均值曲線擬合回歸模型顯示出月平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)變化曲線呈倒U形，反映出光、熱、水配合較好，但水熱時(shí)空變化很大，氣溫和降水的季節(jié)差異顯著。流域內(nèi)季風(fēng)性較強(qiáng)，冬季盛行偏北風(fēng)，天氣干冷；夏季盛行東南風(fēng)，氣溫較高，雨量較多；春季是冬季風(fēng)逐漸減弱、夏季風(fēng)逐漸增強(qiáng)的過渡時(shí)期，雨量增多，氣溫上升；秋季是夏季風(fēng)漸弱、冬季風(fēng)增強(qiáng)的過渡時(shí)期，但太平洋副熱帶高壓退卻緩慢，極鋒停留時(shí)間較長(zhǎng)，陰雨連綿，氣溫下降迅速。

氣溫變化尺度上，年平均氣溫和季節(jié)均溫在大時(shí)間尺度上(23～32 a)冷暖周期變化穩(wěn)定，且變化趨勢(shì)一致，小尺度上(8～22、3～7 a)周期性差異明顯。季節(jié)均溫春、夏、秋三季周期具有相似性，都表現(xiàn)為在大尺度上呈現(xiàn)周期性穩(wěn)定變化，冬季均溫在各時(shí)間尺度上表現(xiàn)得更加有規(guī)律性。Mann-Kendall分析中，年平均氣溫UF(k)曲線在1985年出現(xiàn)最低點(diǎn)，并在1986年與UB(k)曲線相交開始突變，表明1985年氣溫達(dá)到最低，隨后增溫突變。這與高翔等[10]對(duì)1959—2009年秦嶺山地氣候變化趨勢(shì)的研究結(jié)果基本相同，即無論是秦嶺北坡還是南坡，年平均氣溫在1984年前后達(dá)到最低，之后氣溫呈顯著增加趨勢(shì)。同時(shí)，UF(k)曲線在1998年后突破了1.96臨界線，表明丹江流域年平均氣溫在1998年后出現(xiàn)顯著增溫現(xiàn)象，這與李雙雙等[11]研究全球氣候變化條件下秦嶺南北氣溫變化特征中陜南平均氣溫在1998年后突變?cè)鰷氐慕Y(jié)果基本一致。丹江流域氣溫季節(jié)突變表現(xiàn)在冬春兩季突變上升顯著，夏秋兩季突變平緩。春季氣溫在1993年出現(xiàn)最低點(diǎn)并開始突變?cè)鰷?，也是平均氣溫?998年突破臨界值的主要原因。冬季氣溫在1985年出現(xiàn)突變點(diǎn)且氣溫呈快速上升趨勢(shì)，相比其他季節(jié)，冬季氣溫在1970—2015年的上升趨勢(shì)最為明顯，對(duì)全年氣溫增幅貢獻(xiàn)最大，這也是年平均氣溫在1985年后突變?cè)鰷氐闹饕??？梢?，丹江流域年平均氣溫的上升趨?shì)主要是冬、春兩季的增溫所致。

降水量的年際和季節(jié)變化在大時(shí)間尺度上具有規(guī)律性，但在小時(shí)間尺度上干濕交替頻率增大、時(shí)間間隔縮小，這種變化與丹江流域自然環(huán)境具有顯著的相關(guān)性。氣候類型和地形條件是丹江流域降水量年際和季節(jié)在小時(shí)間尺度上變化波動(dòng)較大的主要原因。這與康麗瑋[12]研究陜西秦嶺地區(qū)暴雨頻發(fā)、暴雨災(zāi)害嚴(yán)重等氣象災(zāi)害的結(jié)果相一致。春、秋兩季降水量呈現(xiàn)較為一致的減少趨勢(shì)，減少幅度相對(duì)穩(wěn)定且未發(fā)生突變。夏季降水量在1974年出現(xiàn)突變點(diǎn)且在1978年突破臨界值，降水量在此階段內(nèi)突變?cè)黾?。冬季降水量在置信區(qū)間內(nèi)未發(fā)生突變，降水量呈增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯。年平均降水量的增加中夏季的貢獻(xiàn)值較大，但其不穩(wěn)定的變化趨勢(shì)也是導(dǎo)致年平均降水量變頻較大的主要原因。

日照時(shí)數(shù)年際和季節(jié)的周期變化具有相似性，均表現(xiàn)在大時(shí)間尺度上周期性相對(duì)穩(wěn)定，小尺度上差異顯著。日照時(shí)數(shù)的年平均變化呈下降趨勢(shì)，季節(jié)變化除夏季呈上升趨勢(shì)外，其余季節(jié)變化平緩。日照時(shí)數(shù)與降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，年平均日照時(shí)數(shù)的減少與年平均降水量的增加有關(guān)。

[1] DING Y H,REN G Y,SHI G Y,et al.China’s national assessment report on climate change (Ⅰ): climate change in China and the future trend[J].Advances in Climate Change Research,2007,3(suppl.):1-5.

[2] 王英,曹明奎,陶波,等.全球氣候變化背景下中國(guó)降水量空間格局的變化特征[J].地理研究,2006,25(6):1031-1040.

[3] COULIBALY P,BURN D H.Spatial and temporal variability of Canadian seasonal streamflows[J].Journal of Climate,2005,18(1):191-210.

[4] WANG C H,LI J,XU X G.Wavelet analysis of quasi-3-year temperature oscillations in China in last 50 years, and predicted changes in the next 20 years[J].Sciences in Cold and Arid Regions,2013,5(6): 755-766.

[5] 董婕,周淑艷,王茸仙.全球變暖背景下榆林、西安、安康氣候?qū)Ρ确治鯷J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,35(1):102-106.

[6] 宋佃星,延軍平,馬莉.近 50 年來秦嶺南北氣候分異研究[J].干旱區(qū)研究,2011,28(3):492-498.

[7] 陳華,郭生練,郭海晉,等.漢江流域1951～2003 年降水氣溫時(shí)空變化趨勢(shì)分析[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2006,15(3):340-345.

[8] 桑燕芳,王中根,劉昌明.小波分析方法在水文學(xué)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2013,32(9):1413-1422.

[9] 符淙斌.氣候突變現(xiàn)象的研究[J].大氣科學(xué),1994,18(3):373-384.

[10] 高翔,白紅英,張善紅,等.1959—2009年秦嶺山地氣候變化趨勢(shì)研究[J].水土保持通報(bào),2012,32(1):207-211.

[11] 李雙雙,延軍平,萬(wàn)佳.全球氣候變化下秦嶺南北氣溫變化特征[J].地理科學(xué),2012,32(7):853-858.

[12] 康麗瑋.陜西秦嶺南北地區(qū)暴雨時(shí)空分布與暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].西安:陜西師范大學(xué),2014:1-4.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

2014年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411396004)；2014年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(1808)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1214)

P468

A

1000-0941(2017)01-0048-05

任寅榜(1991—)，男，陜西商洛市人，碩士研究生，主要從事森林碳氮循環(huán)研究；通信作者劉燕(1981—)，女，陜西商洛市人，講師，碩士，主要從事地理環(huán)境與健康研究。

2016-06-08