東營市氣溫和降水歷史特征分析及預(yù)測

孫 超，張 宇，袁鵬杰

（1.東營市水文局，山東 東營257000；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875）

東營市土地總面積7 923 km2，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在6～9月，冬寒夏熱，四季分明。境內(nèi)南北氣候差異不明顯，多年平均氣溫13.2℃，多年平均降水量555.0 mm，降水量年際變化大。黃河、小清河及支脈河是東營市境內(nèi)最大的3條河流，全市主要供水水源為引黃客水、地下水。由于東營市特殊的自然地理環(huán)境，其受氣候變化的影響較大。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用歷史實測資料數(shù)據(jù)來自東營市水文局、東營市氣象局歷史資料庫。氣溫數(shù)據(jù)選取東營市年平均氣溫。降水?dāng)?shù)據(jù)選取東營市的王營、石村、史口、西劉橋、友林、永安鎮(zhèn)、汀河、刁口、義和、新戶、同興11個國家基本雨量觀測站的雨量數(shù)據(jù)，通過泰森多邊形法計算東營市平均面雨量。所選數(shù)據(jù)起止時間為1956—2019年。

為了預(yù)估東營市未來氣候變化，本文參考IPCC發(fā)布的CMIP5全球氣候耦合模式模擬地表溫度數(shù)據(jù)（https://esgf-node.llnl.gov/search/cmip5/），采用MIROC-ESM-CHEM氣候模式，未來情景預(yù)估時段選擇2020—2100年。本文分別對3種排放情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）下東營市未來氣溫變化進(jìn)行了計算分析。由于CMIP5對小尺度降水的模擬不夠準(zhǔn)確[1]，本文結(jié)合氣溫變化對東營市未來降水進(jìn)行定性分析，暫時不做定量計算。

2 研究方法

2.1 距平法

1）降水距平百分比Pa反映了某一時段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度。根據(jù)《氣象干旱等級》實際情況劃分干旱等級。根據(jù)山東省評價洪澇指標(biāo)的實際情況劃分洪澇等級。

2）氣溫距平△T反映了某一時段平均氣溫與氣候平均值的偏離程度。根據(jù)《氣溫評價等級》實際情況劃分氣溫等級，見表1。

2.2 滑動平均法

滑動平均法是將非平穩(wěn)的數(shù)據(jù)在小區(qū)間上視為接近平穩(wěn)，計算局部的平均，從而減小隨機(jī)起伏誤差[2]。本文采用5年滑動平均，對年平均氣溫和年降水量時間序列進(jìn)行平滑處理。

2.3 線性回歸法

線性回歸是最常用的回歸方法。對滑動平均曲線進(jìn)行線性回歸擬合，將回歸曲線作為變化趨勢線，直觀的展現(xiàn)氣溫和降水序列的變化趨勢。

表1 氣溫距平（△T）氣溫等級

2.4 M-K趨勢及突變檢驗

Manner-Kendall（M-K）非參數(shù)檢驗法常用于分析氣溫、降水、徑流等要素時間序列的趨勢變化。其優(yōu)勢在于不需要序列服從特定的分布，且不受少數(shù)異常值的影響[3]。借助R語言對氣溫和降水序列進(jìn)行M-K趨勢和突變檢驗，通過P值判斷是否存在顯著趨勢和顯著突變，P<0.05在統(tǒng)計學(xué)上認(rèn)為是顯著的。

3 結(jié)果與分析

3.1 歷史分析

1）氣溫和降水歷史特征。根據(jù)1956—2019年實測氣溫數(shù)據(jù)，計算得多年平均氣溫為13.2℃。年平均氣溫變化較大，由圖1可知，正距平年與負(fù)距平年年數(shù)大致相等，20世紀(jì)90年代開始多為正距平年。年平均溫度最大值出現(xiàn)在2019年，為14.5℃，最小值出現(xiàn)在1956年，為11.6℃。其中有7年氣溫屬于明顯偏高，大部分位于近5年。

圖1 東營市1956—2019年氣溫距平圖

根據(jù)東營市1956—2019年實測降水?dāng)?shù)據(jù)，計算得多年平均降水量為555.0 mm。東營市降水年際分布不均，豐水年和枯水年常交替出現(xiàn)，由圖2可知，正距平年與負(fù)距平年年數(shù)大致相等，其中2002年為特旱年，1964年、1990年、2018年為特澇年。年降水量最大值發(fā)生在1964年，為990.7 mm，年降水量最小值發(fā)生在2002年，為295.4 mm，可見降水量年際間差異非常大。

2）氣溫和降水變化趨勢。通過M-K趨勢及突變檢驗，以P<0.05作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，趨勢檢驗和突變檢驗氣溫P值分別為：7.384×10-11和6.173×10-8；降水P值分別為0.768和0.421。結(jié)果表明，東營市氣溫存在顯著變化趨勢且存在顯著突變點，在1988年發(fā)生顯著突變。降水不存在顯著變化趨勢且不存在顯著突變點。

圖2 東營市1956—2019年降水量距平百分率圖

根據(jù)資料分析，東營市歷史氣溫呈波動上升狀態(tài)。氣溫在1988年前后變化趨勢有明顯不同。1988年及以后氣溫趨勢線分布于常年值以上，1988年以前氣溫趨勢線分布于常年值以下。1956—2019年期間年降水量略有減少趨勢，但總體上沒有明顯變化趨勢，趨勢線與常年值基本重合，詳見圖3。資料分析表明，1988年前后氣溫分布明顯不同，1988年前多年平均溫度為12.7℃，1988年后多年平均溫度為13.8℃，且更容易出現(xiàn)極熱天氣。這充分說明東營市存在氣溫升高的現(xiàn)象。

圖3 年降水量變化特征曲線

3.2 未來預(yù)估

參考CMIP5的公開數(shù)據(jù)，圖4給出了3種排放情景下東營市未來的氣溫預(yù)估值與變化趨勢，可以明顯看出氣溫均存在上升趨勢。RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5排放情景下，東營市2020—2100年多年平均氣溫分別為15.5℃、15.9℃、17.8℃，相比1956—2019年明顯偏高。

圖4 2020—2100年東營市氣溫預(yù)測

最新的IPCC第六次評估報告設(shè)計了21世紀(jì)全球1.5℃增溫的控制目標(biāo)。本世紀(jì)氣溫大概率會繼續(xù)升高，這將給東營市的多項工作帶來新的挑戰(zhàn)。氣溫升高會對降水產(chǎn)生一系列影響，已有研究表明極端降水對增溫有較強響應(yīng)[4]。本文預(yù)測東營市未來年降水總量變化不大，但極端強降水會有所增加，洪澇與干旱的頻率將有所上升。東營市歷史上就屬于洪旱災(zāi)害易發(fā)的地區(qū)，氣候變暖會給水資源管理帶來更多的挑戰(zhàn)。

東營市未來氣溫升高不僅對降水產(chǎn)生影響，也將引發(fā)生態(tài)環(huán)境等一系列問題。東營市位于黃河入?？冢芎Ｋ构嗟挠绊?，有大面積的鹽堿地，本身對農(nóng)業(yè)發(fā)展極其不利，如果氣溫繼續(xù)升高，帶來海平面升高，蒸發(fā)加劇，進(jìn)一步加重土地的鹽堿化程度，給生態(tài)環(huán)境帶來危害。此外東營市有一些化工廠、煉油廠，排放污染物，氣溫升高會對水資源分解污染物的能力產(chǎn)生一定的影響。