忻州市近40年氣溫、降水變化的時空分布特征

秦小康，管麗晶，馬子平，楊 麗，王 磊

（1.山西省五寨縣氣象局，山西 五寨 036200；2 山西省忻州市氣象局，山西 忻州 034000）

0 引言

2021年8月9日政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》顯示，2011～2020年間，全球地表平均溫度比1850～1900年間高出1.09 ℃，為人類有史以來升溫最快的10年，2016～2020年是人類有記錄以來最熱的5年，報告指出，隨著大氣、海洋和陸地的變暖，大氣、海洋、冰凍圈及生物圈已經(jīng)發(fā)生了廣泛而深刻的變化［1-2］。我國的氣候變暖趨勢與全球相一致。在全球氣候升溫的大背景下，忻州市氣溫降水的變化有其自身特點，因此，有必要對忻州市的氣候要素變化進(jìn)行單獨分析。楊勇等［3］對忻州市1963～2012年間的氣溫和降水的變化趨勢進(jìn)行了統(tǒng)計分析。馬子平等［4］總結(jié)了五寨縣近50年（1957～2003年）氣候變化的規(guī)律，分析了五寨縣氣溫、降水、風(fēng)速、日照時數(shù)等的變化趨勢。

山西歷來是農(nóng)耕與糧食種植大省，史載有遠(yuǎn)古堯舜禹耕作的足跡，農(nóng)學(xué)界有世界雜糧在中國，中國雜糧在山西，山西雜糧在忻州之說。忻州小雜糧的種類很多，主要雜糧種植品種有“三麥、四米、五豆”，其中“三麥”指莜麥、蕎麥、藜麥，主要分布于靜樂、寧武、神池、岢嵐、保德等地；“四米”即小米、糜米、甜糯玉米、黃米，谷子和糜黍在忻州市各縣均有種植，甜糯玉米主要種植在東部忻定盆地和西部五寨縣；“五豆”指紅蕓豆、蠶豆、綠豆、大豆、豌豆。小雜糧生育期短，耐旱、耐寒，貧瘠土地亦能生長。忻州下轄14個區(qū)、縣、市，是山西省版圖中最大的市，被大面積的丘陵山區(qū)占據(jù)，其優(yōu)質(zhì)的種植資源和適宜的氣候因素成為適宜小雜糧生產(chǎn)的先天條件［5-7］。

本研究通過對忻州市近40年（1981～2020年）各縣、區(qū)、市氣溫和降水變化的時空分布及干旱特征進(jìn)行分析，以期為忻州市小雜糧產(chǎn)業(yè)和鄉(xiāng)村振興助力，并為忻州市防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃提供理論依據(jù)［8］。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

數(shù)據(jù)來自于忻州市14個縣、區(qū)、市的國家氣象觀測站（圖1），各站點數(shù)據(jù)序列完整可靠，能夠反映當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣?。本文選取14個國家氣象觀測站40年（1981～2020年）的逐月平均氣溫、逐月降水量2個要素進(jìn)行分析。

圖1 忻州市14個縣（區(qū)）國家氣象觀測站的空間分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向估計 用SPSS軟件對忻州市14個觀測站的平均氣溫和降水量資料作線性傾向估計［9-10］，并用一元線性回歸方程表征：

式（1）中，yt為資料序列中的變量值，t為yt所對應(yīng)的時間，n為研究的區(qū)間長度，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)b表示氣象要素變化的趨勢傾向，當(dāng)b＞0時，說明隨著時間t的增加，yt呈上升/增加的趨勢；當(dāng)b＜0時，說明隨著時間t的增加，yt呈下降/減少的趨勢。

1.2.2 季節(jié)的劃分 按照氣象劃分法將四季劃分為：3月至5月為春季，6月至8月為夏季，9月至11月為秋季，12月至次年2月為冬季［11］。

1.2.3 ArcGIS 10.2空間分析 基于ArcGIS 10.2軟件空間插值方法中的反距離權(quán)重法(IDW)［12］對忻州市氣溫、降水變化進(jìn)行空間插值，分析要素變化的分布特征并進(jìn)行區(qū)域制圖。

1.2.4 降水量距平百分率（PA） 降水量距平百分率［13］能夠反映某一時間段內(nèi)降水量與同期平均狀態(tài)的偏離程度，公式為：

式（2）中：PA為某時段降水量距平百分率（%）；P為某時段降水量（mm）；P為計算時段同期氣候平均降水量（mm），按公式（3）計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 忻州市氣溫變化特征

通過對忻州市1981～2020年各觀測站的年平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖2）可知，近40年來忻州市年平均氣溫整體呈波動上升的趨勢，變化速率0.417 ℃/10 a；年平均最低氣溫6.4 ℃，出現(xiàn)在1984年；年平均最高氣溫9.0 ℃，出現(xiàn)在1999年。40年來年平均氣溫為7.9 ℃，在全球變暖的大趨勢下，2016～2020年忻州市平均氣溫為8.6 ℃，為統(tǒng)計以來最熱的5年。

圖2 1981～2020年忻州市年平均溫度年際變化

由表1可知，忻州市季節(jié)平均氣溫變化中春季升溫最為明顯，四季氣溫上升幅度的變化趨勢排序為：春季＞冬季＞秋季＞夏季。

表1 1981～2020年忻州市四季平均氣溫特征

2.1.1 忻州市氣溫年變化特征與季節(jié)分布特征 由各觀測站統(tǒng)計資料序列（表2）可知，忻州下轄各縣、區(qū)、市年平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，繁峙縣、河曲縣、神池縣、五寨縣、忻府區(qū)、原平市氣溫升幅高于全市平均水平。其中原平市氣溫升幅最大，為0.550 ℃/10 a；五臺縣氣溫升幅最小，為0.167 ℃/10 a。從四季氣溫的變化幅度來看，各縣、區(qū)、市的四季氣溫均呈升高趨勢，春季原平市氣溫增幅最大，為0.684 ℃/10 a；夏季繁峙縣氣溫增幅最大，為0.398 ℃/10 a；秋季原平市氣溫增幅最大，為0.513 ℃/10 a；冬季忻府區(qū)氣溫增幅最大，為0.854 ℃/10 a。四季氣溫增幅最小區(qū)域均為五臺，分別為春季0.301 ℃/10 a，夏季0.032 ℃/10 a，秋季0.109 ℃/10 a，冬季0.272 ℃/10 a。

表2 忻州各縣、區(qū)、市觀測站年度氣溫變化率 ℃/10 a

2.1.2 忻州市氣溫變化空間分布特征 通過ArcGIS 10.2軟件對各季節(jié)氣溫變化率進(jìn)行空間插值和區(qū)域制圖（圖3），從圖中可以看出，忻州市氣溫變化存在明顯的區(qū)域性特征。在全球變暖的背景下，忻州市全域氣溫升幅明顯，從整體空間分布來看，忻州市中部氣溫升幅較為明顯，東南部五臺縣四季氣溫升幅均為最小。就各縣、區(qū)、市季節(jié)氣溫升幅情況來看，氣溫升幅最大的時間和區(qū)域為冬季的忻府區(qū)和河曲縣，升幅分別達(dá)0.854 ℃/10 a和0.756 ℃/10 a。

圖3 忻州市各季節(jié)氣溫變率

2.2 忻州市降水變化特征

忻州市年降水變化如圖4所示，近40年來忻州市年平均降水量總體呈波動增加的趨勢，上升速率為18.849 mm/10 a。最大年平均降水量為570.5 mm，出現(xiàn)在1988年；最小年平均降水量為299.8 mm，出現(xiàn)在1986年。40年來年平均降水量為443 mm。

圖4 1981～2020年忻州市平均降水量年際變化

由表3可知，忻州市降水量的季節(jié)變化中秋季升幅最為明顯，四季降水量上升幅度的變化趨勢排序為：秋季＞夏季＞冬季＞春季。

表3 1981～2020年忻州市四季平均降水量特征

2.2.1 忻州市降水量的年變化特征與季節(jié)分布特征 根據(jù)降水年變化趨勢（表4）可知，忻州市各縣、區(qū)、市年降水量均呈增長趨勢，全市各站點變化率差異較大，寧武、五臺、忻府區(qū)降水量升幅高于全市平均水平，其中五臺縣降水量增幅最大，為28.806 mm/10 a，靜樂縣增幅最小，為11.827 mm/10 a。從四季降水量變化幅度來看，秋、冬季忻州市各縣、區(qū)、市降水均為增多趨勢，但各地差異較大，秋季河曲縣降水增幅最大，為15.05 mm/10 a，靜樂縣降水增幅最小，為0.349 mm/10 a；冬季神池縣降水增幅最大，為21.34 mm/10 a，定襄縣降水增幅最小，為0.075 mm/10 a。春季忻州市總體降水為增多趨勢，但岢嵐、繁峙、靜樂、五臺、定襄、原平、忻府等7個縣、區(qū)、市呈減少趨勢，其中靜樂縣以2.936 mm/10 a的速率減少最為明顯。夏季忻州市總體降水為增多趨勢，僅有偏關(guān)縣夏季降水呈減少趨勢，減少速率為1.263 mm/10 a。

表4 忻州各縣、區(qū)、市觀測站年度降水變化率 mm/10 a

2.2.2 忻州市降水變化的空間分布特征 利用ArcGIS 10.2軟件對各季節(jié)降水變化率進(jìn)行空間插值和區(qū)域制圖（圖5），從圖中可以看出，春季降水增多區(qū)域大部分位于忻州市西北部及中北部連片區(qū)域，其中偏關(guān)縣增幅最明顯，為3.525 mm/10 a；夏季除偏關(guān)外均為增長趨勢，五臺縣增幅最為明顯，為20.07 mm/10 a；秋季降水增幅最大區(qū)域集中在忻州西北部的河曲、保德、偏關(guān)及中北部的寧武、神池等區(qū)域；冬季降水增幅區(qū)域集中在忻州市西北部連片區(qū)域。

圖5 忻州市各季節(jié)降水變化率

2.2.3 降水量年代際階段變化規(guī)律 變異系數(shù)［14］是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。忻州市年代際階段平均降水量及其變異系數(shù)如圖6所示。由圖可知，忻州市各年代平均降水量差距明顯，1981～1990、1991～2000、2001～2010階段平均降水量差距相對較小，到2011～2020年驟升至487.0 mm/a。年際平均降水量變異系數(shù)均在0.10～0.20之間，2011～2020年變異系數(shù)最小，說明21世紀(jì)10年代降水量數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定。

圖6 忻州市年代際各階段平均降水量及其變異系數(shù)

3 忻州市年平均氣溫和降水量的突變分析

根據(jù)Mann-Kenddall突變檢驗法，計算順序時間序列的秩序列得出UF；計算逆序時間序列的秩序列得出UB；當(dāng)顯著性水平α=0.05時，顯著性臨界值U0.05=±1.96。分析繪制出的UF與UB曲線圖，若UF或UB的值大于0時，則表明序列呈上升趨勢；若UF或UB的值小于0時，則呈下降趨勢。當(dāng)它們超出臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。若UF與UB這2條曲線出現(xiàn)交叉點，且交叉點在臨界線之間，交叉點對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間［15］。

由圖7中氣溫UF曲線可見，20世紀(jì)90年代中后期以來，忻州市平均氣溫有明顯增大趨勢，自1998年以來增溫趨勢大大超過顯著性水平0.05臨界線(U0.05=1.96)，并超過0.001顯著性水平（U0.001=2.56），表明忻州市增溫趨勢是顯著的；根據(jù)UF和UB曲線交點位置，可知忻州市平均氣溫從1996年開始突變上升。同樣由降水量UF、UB曲線可知，年降水量整體波動上升，突變發(fā)生在2010年，但UF值均在顯著性水平0.05臨界線內(nèi)，可見年降水量突變并不顯著。

圖7 忻州市1981～2020年氣溫、降水量突變分析

4 忻州市干旱特征分析

4.1 忻州市氣象干旱等級分析

根據(jù)GB/T 20481—2017《氣象干旱等級》，降水距平百分率是用于表征某時段降水量較常年值偏多或偏少的指標(biāo)，能夠直觀反映降水異常引起的干旱，適用于半干旱地區(qū)平均氣溫高于10 ℃的時間段對于干旱時間的監(jiān)測和評估［13-16］。降水量距平百分率干旱等級劃分如表5所示。

表5 降水量距平百分率干旱等級劃分表

忻州市月平均氣溫高于10 ℃的5～9月正值作物生長最主要時期，通過分析平均氣溫高于10 ℃的時間段即每年5～9月的降水量距平百分率可以得出相應(yīng)月份的氣象干旱等級，進(jìn)而反映作物主要生長發(fā)育階段的干旱情況。

通過對忻州市14個縣、區(qū)、市近40年5～9月共200個樣本（月降水量距平百分率）進(jìn)行統(tǒng)計分析（表6）可知，輕旱出現(xiàn)27次，占比13.5%；中旱出現(xiàn)8次，占比4%；重旱出現(xiàn)2次，占比1%；無特旱出現(xiàn)。從干旱發(fā)生的月份來看，9月發(fā)生次數(shù)最多，5、8月最少。從表6可以看出，5～9月忻州市出現(xiàn)嚴(yán)重氣象干旱的月份較少，干旱的發(fā)生以輕旱為主，利于玉米等大宗作物及小雜糧作物的生長。隨著地膜的廣泛使用、灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的興建和田間工程的配套，干旱將得到進(jìn)一步的緩解和改善［17］。

表6 1981～2020年5～9月氣象干旱等級年份數(shù)量分布

4.2 忻州市干旱化發(fā)生趨勢分析

張紅衛(wèi)等［18］研究指出，當(dāng)干旱發(fā)生的時候，降水偏少的同時往往伴隨著溫度的偏高，氣溫升高引起蒸發(fā)量增大，加快了田間土壤蒸發(fā)，進(jìn)一步加重了干旱的危害，由此看來，溫度和降水比可以較好地反映一個地區(qū)的干旱情況。本文利用溫度和降水趨勢比來計算分析忻州市各縣區(qū)市的干旱發(fā)生趨勢，數(shù)值越大的區(qū)域干旱化發(fā)生趨勢就越明顯，利用ArcGIS繪圖得到圖8，可知靜樂縣、原平市、繁峙縣為溫度和降水趨勢比較大的區(qū)域，干旱化發(fā)生趨勢相對較高。

圖8 忻州市干旱化發(fā)生趨勢

4.3 忻州市氣溫與降水量的關(guān)系分析

氣溫與降水量是導(dǎo)致氣候變化的主要因子，其變化有一定的內(nèi)在聯(lián)系。除氣溫以外，降水量還受地理環(huán)境、下墊面、海拔高度、人類活動等因素的影響［7，19］。通過對忻州各縣、區(qū)、市近40年平均氣溫和平均降水量進(jìn)行統(tǒng)計（表7）并計算分析可知，氣溫與降水量呈明顯負(fù)相關(guān)（-0.720**），即氣溫相對較高的縣區(qū)降水量較少，氣溫相對較低的縣區(qū)降水量較多，可見氣溫對降水量的影響非常明顯。

表7 忻州各縣、區(qū)、市1981～2020年平均氣溫和平均降水量統(tǒng)計

5 結(jié)論

（1）忻州市近40年平均氣溫為7.9 ℃，在全球變暖的大趨勢下，忻州市氣溫上升明顯，下轄原平市氣溫升幅最大，2016～2020年忻州市平均氣溫為8.6 ℃，為統(tǒng)計以來最熱的5年；四季氣溫均呈升高趨勢，春季氣溫升幅最大。

（2）忻州市近40年平均降水量為443.1 mm/a，年降水量整體呈波動上升趨勢，秋季降水量升幅最大，下轄五臺縣降水升幅最大。根據(jù)變異系數(shù)可知21世紀(jì)10年代降水量最為穩(wěn)定。

（3）根據(jù)突變分析，忻州市氣溫突變出現(xiàn)在1996年，降水量突變不顯著。

（4）忻州市近40年作物生長主要月份中，9月干旱發(fā)生次數(shù)最多，5、8月最少。出現(xiàn)嚴(yán)重氣象干旱的月份較少，干旱的發(fā)生以輕旱為主，無特旱出現(xiàn)，利于玉米等大宗作物及小雜糧作物的生長；根據(jù)干旱化發(fā)生趨勢分析，靜樂縣、原平市、繁峙縣為溫度降水趨勢比較大的區(qū)域，干旱化發(fā)生趨勢相對較高。

（5）氣溫對降水量的影響非常明顯，氣溫與降水量呈明顯負(fù)相關(guān)，氣溫相對較高的縣區(qū)降水量較少，氣溫相對較低的縣區(qū)降水量較多。