陜南地區(qū)1960—2015年氣溫時(shí)空變化特征分析

杜建括， 李 雙， 邢海虹

(陜西理工大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

全球氣候變暖是目前最受國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，氣候系統(tǒng)的暖化是毋庸置疑的，1880—2012年全球氣溫上升了0.8 ℃[1]。1905—2001年中國(guó)年平均氣溫升高了0.79 ℃，20世紀(jì)30—40年代及20世紀(jì)80年代中期以后氣溫明顯偏高[2-3]。受自然和人類活動(dòng)的影響以及地球系統(tǒng)空間格局不同，各區(qū)域升溫過程并不同步，升溫幅度空間差異明顯，1951—2010年?yáng)|北地區(qū)升溫速率最快，達(dá)到0.30 ℃/10 a，華南區(qū)最慢，為0.13 ℃/10 a[4]。陜西省地處西北內(nèi)陸腹地，自北向南分別為陜北黃土高原區(qū)、關(guān)中盆地?cái)嗔褬?gòu)造帶以及陜南秦巴山區(qū)，自然區(qū)劃上橫跨北方和南方，境內(nèi)氣候多樣，復(fù)雜多變，是我國(guó)氣象災(zāi)害及衍生災(zāi)害嚴(yán)重的省份之一。氣候變化的研究，對(duì)于陜西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市規(guī)劃、旅游資源開發(fā)等具有重要的指導(dǎo)意義。

陜南位于陜西省西南部，北靠秦嶺、南倚巴山，地質(zhì)復(fù)雜，地貌各異，是我國(guó)南北方過渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，在氣候變化背景下，極端天氣與氣候事件增多，災(zāi)害發(fā)生的頻率增加[5]。已有研究主要側(cè)重于陜南地區(qū)短時(shí)間序列氣溫和降水的時(shí)空變化特征[6-7]，或?qū)Ρ镜夭糠謪^(qū)域氣溫年際和季節(jié)變化趨勢(shì)、突變特征及極端氣溫進(jìn)行了分析[8-9]；此外，已有研究代表序列中大多包括佛坪、鎮(zhèn)安等位置發(fā)生變化的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)[10]，導(dǎo)致數(shù)據(jù)部分失真。基于此，本文基于陜南及周邊26個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)分析、線性傾向估計(jì)、樣條函數(shù)插值和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)陜南1960—2015年氣溫時(shí)空變化特征進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，為本區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)研究提供參考及理論支撐。

1 研究資料及方法

1.1 研究資料

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，共搜集陜南地區(qū)10個(gè)、周邊16個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2 空間一致性檢驗(yàn)

氣象站點(diǎn)之間地形存在一定差異，需要對(duì)陜南地區(qū)空間一致性及建立的平均氣溫序列代表性進(jìn)行檢驗(yàn)，本研究借鑒董滿宇等[11]方法對(duì)陜南地區(qū)各站點(diǎn)空間一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。選取的10個(gè)氣象站點(diǎn)分布相對(duì)均勻，各站點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)普遍超過0.8(表1)。構(gòu)建的陜南地區(qū)平均氣溫序列(10個(gè)站點(diǎn)相同年份取平均值)與各站點(diǎn)的spearman相關(guān)系數(shù)較高，大部分超過0.85，且通過了0.01的信度水平，證明建立的陜南地區(qū)氣溫變化序列具有較好的代表性，用其代表陜南地區(qū)1960—2015年氣溫變化是可行的。

表1 陜南各站點(diǎn)、代表序列相關(guān)性分析

注：**表示顯著性水平P<0.01；代表序列為陜南地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)相同年份平均氣溫?cái)?shù)據(jù)組成的序列。

1.3 研究方法

1.3.1 線性傾向估計(jì)

氣溫線性趨勢(shì)的回歸方程為

T=a+bt，t=1,2，…,n,

(1)

式中T為氣溫(單位為℃)；a為常數(shù)；b為一次項(xiàng)系數(shù)，每10年氣溫傾向率記為10b(單位為℃/10 a)。當(dāng)b>0 時(shí)，說明氣溫隨時(shí)間t呈上升的趨勢(shì)，b<0時(shí)說明氣溫隨時(shí)間t呈下降的趨勢(shì)[12]。

1.3.2 樣條函數(shù)插值

基于陜南及周邊26個(gè)氣象站點(diǎn)，使用樣條函數(shù)法對(duì)陜南1960—2015年的年均溫、四季平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了插值，以分析陜南氣溫空間變化特征。

如果用Z表示待估點(diǎn)的值，可表示為[13]

其中，n為參與插值的臨近氣象站點(diǎn)數(shù)，di為待插值點(diǎn)到第i個(gè)氣象站的距離，Ai、a、b、c均為方程系數(shù)。插值結(jié)果可以用于分析氣溫空間變化趨勢(shì)。

1.3.3Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)突變檢驗(yàn)方法，其檢測(cè)范圍寬、人為干擾少、定量化程度高[12]。本文采用Mann-Kendall法分析陜南氣溫突變。

Mann-Kendall法是在氣溫序列平穩(wěn)的前提下，對(duì)于具有n個(gè)樣本量的序列x(x1，x2，x3，…，xn)，ri表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，定義一個(gè)統(tǒng)計(jì)量：

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量

式中UF1=0，E(dk)、var(dk)分別為累計(jì)數(shù)dk的均值和方差，在原序列相互獨(dú)立且有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式計(jì)算：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其概率a1=prob(|U|>|UFk|)可以通過計(jì)算或查表獲得，給出顯著水平a(取a=0.05，u0.05=1.96)，若|UFk|>u0，則表明該氣候序列呈顯著的變化趨勢(shì)。

按時(shí)間序列x逆序(xn,xn-1,……,x1)再重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,…，1)，UB1=0。若UF>0，表明序列呈上升趨勢(shì)，若UF<0則表明呈下降趨勢(shì)，超過置信水平時(shí)，表明趨勢(shì)顯著。如果UF和UB兩條曲線相交，且交點(diǎn)在信度線內(nèi)，則這個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間。

2 年平均氣溫時(shí)空變化特征分析

2.1 年均溫時(shí)間變化趨勢(shì)

如圖1(a)，陜南地區(qū)氣溫演變過程較為簡(jiǎn)單，除2013年外，氣溫距平值都在±1 ℃范圍內(nèi)，相對(duì)高溫期和相對(duì)低溫期相間分布，在1993年之前氣溫呈相對(duì)低溫的特征，1994—2015年氣溫相對(duì)較高。氣溫的年際變化呈開口向上的拋物線狀。

如圖1(b),1960—2015年平均氣溫為13.64 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在1984年的12.8 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在2013年的14.66 ℃。1960—2015年氣溫變化傾向率為0.094 ℃/10 a，氣溫總體呈弱上升趨勢(shì)。但1984年以來(lái)氣溫上升趨勢(shì)較為顯著，氣溫變化傾向率達(dá)到0.31 ℃/10 a。此外，氣溫的年代際差異明顯，20世紀(jì)60、70和80年代氣溫低于多年平均值，90年代以來(lái)氣溫高于多年平均值。20世紀(jì)80年代平均氣溫為13.21 ℃，較70年代降低了0.36 ℃，是降溫幅度最大的年代，也是平均氣溫最低的年代。20世紀(jì)90年代年平均氣溫為13.67 ℃，較80年代上升了0.46 ℃，是增溫幅度最大的年代。2010—2015年平均氣溫為13.96 ℃,氣溫最高。經(jīng)計(jì)算陜南地區(qū)1960—2015年平均氣溫變異系數(shù)為0.034，從數(shù)值來(lái)看年平均氣溫波動(dòng)不大。

(a)氣溫距平值 (b)年平均氣溫圖1 1960—2015年陜南年平均氣溫變化趨勢(shì)圖

圖2 1960—2015年陜南年平均氣溫變化傾向率空間分布圖

圖3 1960—2015年陜南年平均氣溫Mann-Kendall曲線

2.2 年均溫空間變化趨勢(shì)

如圖2所示，陜南地區(qū)年平均氣溫年際變化東西向空間差異明顯，整體東部升溫幅度小于西部，且東部升溫一致性較好，西部升溫幅度差異明顯。位于陜南東部的商丹盆地及西部巴山部分區(qū)域升溫幅度最小，在0.001～0.049 ℃/10 a之間。漢中盆地及其以北的秦嶺南坡升溫幅度最大，氣溫變化傾向率介于0.098～0.337 ℃/10 a。安康盆地及周邊區(qū)域、漢中盆地以西的部分區(qū)域升溫幅度較小，在0.050～0.097 ℃/10 a之間。

2.3 年均溫突變檢驗(yàn)

由圖3可知，1993年之前陜南地區(qū)氣溫呈緩慢下降趨勢(shì)，之后氣溫大幅上升。全年氣溫在2001年發(fā)生突變，并通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，突變后氣溫由1996—2000年的13.52 ℃上升到2001—2015年的13.96 ℃。

3 四季氣溫時(shí)空變化特征分析

3.1 四季氣溫時(shí)間變化趨勢(shì)

據(jù)圖4，陜南地區(qū)四季氣溫距平變化差異較為明顯。春季以1994年為界，之前氣溫距平以負(fù)為主，之后以正距平為主，占所有年份的87%。夏季在1980年之前及1994—2002年氣溫距平以正為主，占比超過80%；1980—1993年和2003—2015年氣溫距平以負(fù)為主，分別占86%和69%。秋季在1977年之前氣溫距平以負(fù)值為主，占76%；1977—2004年氣溫負(fù)距平稍占優(yōu)勢(shì)，占57%；2005—2015年中除2012年外所有年份氣溫距平均為正值。冬季以1997年為界，1997年之前氣溫距平以負(fù)值為主，占59%；之后氣溫距平以正值為主，占68%。春、夏、秋和冬季氣溫變化傾向率分別為0.17、-0.06、0.13、0.14 ℃/10 a，說明春、秋和冬季氣溫總體呈上升趨勢(shì)，春季氣溫上升速度最快，而夏季氣溫總體呈降低趨勢(shì)。對(duì)陜南四季氣溫變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示冬季變異系數(shù)最大，為0.243；夏季變異系數(shù)最小，為0.027；春季略大于秋季分別為0.050和0.045。從四季變異系數(shù)值大小來(lái)看，冬季氣溫變率最大，夏季氣溫波動(dòng)最小。

圖4 1960—2015年陜南四季氣溫變化趨勢(shì)圖

圖5 1960—2015年陜南四季氣溫變化傾向率空間分布圖

3.2 四季氣溫空間變化趨勢(shì)

陜南地區(qū)四季氣溫年際變化東西向空間差異明顯(圖5)。春季氣溫呈顯著增溫趨勢(shì)，東部升溫幅度一致性較好，西部升溫幅度差異性較為顯著。春季漢中盆地及以北的秦嶺山地升溫幅度最大，氣溫變化傾向率介于0.374～0.414 ℃/10 a，漢中盆地以西的寧強(qiáng)縣、留壩縣大部分區(qū)域升溫幅度最小，氣溫變化傾向率在0.036～0.077 ℃/10 a之間。陜南夏季中東部氣溫主要呈下降趨勢(shì)，位于秦嶺東段南麓的商丹盆地氣溫下降趨勢(shì)最為顯著，氣溫變化傾向率介于-0.215～-0.154 ℃/10 a；位于西部的漢中盆地及周邊以氣溫上升趨勢(shì)為主，漢中盆地及以北的秦嶺山地升溫幅度最大，氣溫變化傾向率在0.168～0.190 ℃/10 a之間。秋、冬季氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，整體上氣溫上升幅度自東向西有增加的趨勢(shì)。秋季位于陜南東部的商洛市大部升溫幅度最小，氣溫變化傾向率介于0.023～0.054 ℃/10 a；漢中盆地及以北的秦嶺山地升溫最為顯著，氣溫變化傾向率介于0.293～0.324 ℃/10 a。冬季位于陜南東部的商洛市大部分區(qū)域和西南部的寧強(qiáng)縣小部分區(qū)域升溫幅度最小，氣溫變化傾向率介于0.035～0.079 ℃/10 a；漢中盆地及以北的秦嶺山地升溫速率最快，氣溫變化傾向率為0.299～0.386 ℃/10 a。

3.3 四季氣溫突變檢驗(yàn)

從圖6可以看出，春季氣溫在1960—1982年相對(duì)平穩(wěn)，1982—1993年氣溫出現(xiàn)較大幅度下降，1997年之后出現(xiàn)大幅上升。春季氣溫在2000年發(fā)生突變，并通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，突變后氣溫由13.68 ℃升高為14.50 ℃。夏季氣溫1966年之前波動(dòng)下降，1967—1972年氣溫相對(duì)平穩(wěn)，1972—1993年氣溫大幅降低，1993—1997年氣溫出現(xiàn)大幅上升，1997年之后氣溫變化相對(duì)平穩(wěn)。夏季氣溫在1970年發(fā)生突變，并通過0.05的置信度檢驗(yàn)，突變后氣溫由24.01 ℃降低為23.44 ℃。秋季氣溫在1971年之前波動(dòng)下降，之后波動(dòng)上升，1984—1997年氣溫雖有波動(dòng)但整體相對(duì)平穩(wěn)，1997年之后氣溫大幅上升。秋季氣溫在1998年發(fā)生突變，并通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，突變后氣溫由13.54 ℃上升為14.10 ℃。冬季氣溫在1991年之前呈弱波動(dòng)上升趨勢(shì)，1991年之后氣溫出現(xiàn)大幅度上升，2004年之后氣溫變化較為平穩(wěn)。冬季氣溫在1994年發(fā)生突變，并通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，突變后氣溫由2.95 ℃上升到3.51 ℃。

圖6 1960—2015年陜南四季氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線圖

4 結(jié) 論

基于線性傾向估計(jì)、樣條函數(shù)插值、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法，分析了陜南地區(qū)1960—2015年氣溫時(shí)空變化特征，得到以下結(jié)論：

(1)1960—2015年陜南地區(qū)年平均氣溫呈弱上升趨勢(shì)(0.094 ℃/10 a)，經(jīng)歷了相對(duì)高溫—相對(duì)低溫—相對(duì)高溫的變化過程，氣溫隨年際變化呈開口向上的拋物線狀。1984年以來(lái)本區(qū)氣溫上升趨勢(shì)顯著，氣溫線性傾向率高達(dá)0.31 ℃/10 a。1960—2015年陜南地區(qū)春、秋、冬季氣溫呈上升趨勢(shì)，氣溫線性傾向率分別為0.17 ℃/10 a、0.13 ℃/10 a和0.14 ℃/10 a，夏季氣溫呈弱下降趨勢(shì)，氣溫線性傾向率為-0.06 ℃/10 a。除夏季外，其他三季2005年以來(lái)氣溫以正距平為主。

(2)1960—2015年陜南年平均氣溫自1993年出現(xiàn)明顯增暖趨勢(shì)，并通過0.05的置信度檢驗(yàn)，氣溫突變時(shí)間為2001年。春季、秋季、冬季平均氣溫分別自1997、1997、1991年出現(xiàn)明顯增暖趨勢(shì)，并通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，氣溫突變時(shí)間分別為2000、1998、1994年。夏季氣溫變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，20世紀(jì)70年代開始?xì)鉁爻霈F(xiàn)大幅降低，其降溫是一突變現(xiàn)象，通過了0.05的置信度檢驗(yàn)，具體開始時(shí)間為1970年；與其他三季不同，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，夏季氣溫上升趨勢(shì)并不顯著。

(3)1960—2015年陜南地區(qū)年平均氣溫、四季氣溫年際變化東西向空間差異明顯。年平均氣溫整體東部升溫幅度小于西部，且東部升溫一致性較好，西部升溫幅度差異明顯。春季東部升溫幅度一致性較好，西部漢中盆地及以北的秦嶺山地升溫幅度較大。秋、冬季整體上氣溫上升幅度自東向西有增加的趨勢(shì)。夏季中東部氣溫主要呈下降趨勢(shì)，位于秦嶺東段南麓的商丹盆地氣溫下降趨勢(shì)最為顯著，西部的漢中盆地及周邊以氣溫上升趨勢(shì)為主。