1951—2021年貴州氣溫和降雨變化特征*

熊美， 周秋文， 孫榮國

1.貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550000

2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550000

氣候變化增加了極端天氣事件的頻率和強度，嚴(yán)重影響人類生產(chǎn)和生活，以及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展（Chaluvadi et al.，2021）。在全球變暖的背景下，區(qū)域氣候變化因其復(fù)雜的不確定性和災(zāi)害的嚴(yán)重性而成為人類社會最關(guān)注的問題之一（Suman，2021）。政府間氣候變化專門委員會（IPCC，2013）指出，全球變暖對區(qū)域降雨模式有重大影響。季節(jié)和年降雨量的變化被認(rèn)為是氣候變化的關(guān)鍵指標(biāo)（Chou et al.，2013；Sorg et al.，2012）。IPCC第六次評估報告指出，全球地表溫度將持續(xù)上升，氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷快速和廣泛的變化，其中一些變化是不可逆轉(zhuǎn)的（IPCC，2021）。降雨和溫度是氣候變化最重要的方面，與各種自然災(zāi)害密切相關(guān)（Jin et al.，2021）。

西南地區(qū)是我國氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，貴州地處云貴高原，是長江、珠江上游重要的生態(tài)屏障，其溫度和降雨的變化是我國西南地區(qū)氣候變化最直觀的體現(xiàn)，可對區(qū)域生態(tài)環(huán)境功能造成顯著影響。我國土地面積遼闊，不同地域的氣候因子在演變特征上都存在一定程度的差異（雷陽等，2021），在不同時間維度上存在各自的特點。在全球氣候變化背景下，貴州地區(qū)的氣溫和降雨對全球氣候變暖的響應(yīng)、四季氣候的變化對年氣候變化的貢獻、氣溫和降雨量之間的關(guān)系以及未來發(fā)展趨勢等相關(guān)問題尚不清楚，亟待明確。本研究通過分析1951—2021 年貴州逐日氣溫和降雨量資料，深入討論貴州省氣溫和降雨量的季節(jié)、年、年代變化特征、兩者之間的關(guān)系及未來發(fā)展趨勢。結(jié)果對理解貴州區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)，以及妥善制定和實施應(yīng)對措施、減少災(zāi)害風(fēng)險、確保生態(tài)安全等有重要意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于中國西南部的云貴高原，位于103°36?～109°35? E，24°37?～29°13? N，平均海拔約1 100 m，地貌的顯著特征是山地和丘陵居多、地貌條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境極為脆弱（余祝媛等，2019）。貴州省氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫約15 ℃，最冷月份（1 月）平均氣溫3～6 ℃，最熱月份（7 月）平均氣溫22～25 ℃，氣候溫暖濕潤、垂直變化特征顯著，且受西南季風(fēng)和東亞季風(fēng)的雙重影響（趙志龍等，2018），對全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感。年平均降雨量1 100～1 300 mm，受季風(fēng)影響降水多集中于夏季，年內(nèi)分布不均。同時受大氣環(huán)流及地形等影響，氣候不穩(wěn)定，導(dǎo)致貴州氣候呈多樣性，災(zāi)害性天氣種類較多（胡澤銀等，2020）。氣溫與降雨是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的主要影響因素，亦是導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕和石漠化以及尾礦中重金屬浸出的主要動力因素（彭菊等，2019）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究氣候數(shù)據(jù)資料包括貴州氣象站1951—2021 年的逐日平均氣溫、最高和最低氣溫，以及降雨量數(shù)據(jù)，由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）提供，該數(shù)據(jù)資料完整。本研究以季、年、年代（每10 a）時間序列進行分析，3～5 月為春季，6～8 月為夏季，9～11 月為秋季，12～翌年2 月為冬季（Wu et al.，2022）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用線性趨勢、累積距平、滑動平均、Mann-Kendal（M-K）檢驗法分析份氣溫和降雨量的變化趨勢和突變情況，運用R/S（重標(biāo)極差分析法）分析氣溫和降雨量的未來發(fā)展趨勢，利用回歸分析法分析氣溫與降雨量之間的關(guān)系，并進行顯著性檢驗（雷陽等，2021；郝明等，2022；羅梅等，2020；王文艷等，2012；史雯雨等，2021；段娜等，2018；王國強等，2021；Han et al.，2021；熊光紅，2015）。

M-K 方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，既可以檢驗時間序列的變化趨勢，也可以進行突變點檢驗。在以往氣候變化研究中得到了廣泛的應(yīng)用（Moradi，2020），具有樣本不需要特定分布、異常值干擾小、適用性廣、量化程度高和計算方便的優(yōu)點（Yürekli，2015）。原假設(shè)H0是原序列（x1，x2，…，xn）無變化趨勢，假設(shè)H1是原序列存在變化趨勢，構(gòu)造一個秩序列

其中sgn(x)為符號函數(shù)。

定義統(tǒng)計量

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其中UF1=0；UFk是按時間序列X的順序（x1，x2，…，xn）計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列X的逆序，重復(fù)上述步驟，可得到UBk，其中，UBn=0。UFk點繪成UF曲線，UBk點繪成UB曲線。突變點的詳細(xì)判別標(biāo)準(zhǔn)參考Wu et al.（2021）。

R/S分析法的赫斯特指數(shù)（Hurst）是定量描述時間序列數(shù)據(jù)長期依賴性的有效方法（王俊驕等，2019）。當(dāng)H=0.5 時，時間序列是隨機的，未來變化趨勢與過去趨勢無關(guān)；若0≤H<0.5，表示該序列具有反持續(xù)性；即未來變化趨勢與歷史趨勢相反，H越接近0說明相反持續(xù)越強；當(dāng)0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

1951—2021 年貴州的年平均氣溫為14.53 ℃，最高年平均氣溫為15.46 ℃（1998年），最低年平均氣溫為13.64 ℃（1976 年）（圖1（a））。根據(jù)Mann-Kendall 單調(diào)趨勢檢驗（Gou et al.，2020），1951—2021年平均氣溫呈顯著升溫趨勢（P<0.05，Zc=3.25>1.96）。過去71 a 年平均氣溫的上升速率為0.08 ℃/10a，低于全國平均升溫速率（0.26 ℃/10a）（朱金宜，2022）和全球平均升溫速率（0.202 ℃/10a）（Ren et al.，2017）。年最高氣溫的平均值為31.90 ℃，最大值為35.07 ℃（2020 年）；年最低氣溫的平均值為-3.46 ℃，最小值為-7.27 ℃（1977年）。年最高和最低氣溫均呈整體波動上升趨勢，升溫速率分別為0.11 和 0.25 ℃/10a，其中年最低氣溫亦呈顯著上升趨勢（P<0.05，Zc= 3.54 > 1.96），升溫速率高于全球年最低氣溫的平均升溫速率（0.238 ℃/10a）（Ren et al.，2017）；年最高氣溫上升趨勢不顯著（P>0.05，Zc=1.93 < 1.96），升溫速率低于全球年最高氣溫的平均升溫速率（0.186 ℃/10a）（Ren et al.，2017）。綜上，1951—2021年貴州平均氣溫、年最高和最低氣溫的變化趨勢與全國的一致，整體呈顯著增溫趨勢；年最低氣溫的升溫速率最快，對全球氣候變暖的響應(yīng)最敏感。

圖1 年氣溫變化特征Fig.1 The characteristics of annual temperature

近71 a各季節(jié)平均氣溫整體上均呈顯著上升趨勢（P<0.05，Zc> 1.96），春、夏、秋、冬季的升溫速率分別為0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a（圖2），與年平均氣溫變化趨勢一致（整體波動上升）。其中，秋、冬兩季的升溫速率相對較快，對年平均氣溫的升溫貢獻最高；而全球春、冬兩季的升溫最明顯（朱大運等，2018）。西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)是西南地區(qū)氣溫變化的主要影響因素，在北半球環(huán)狀模/北極濤動（NAM/AO）影響下，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)的強度發(fā)生變化（齊冬梅等，2012；梁蘇潔等，2014），造成西南地區(qū)冬季氣溫的變化；當(dāng)NAM/AO 正異常（正相位，持續(xù)增強）時，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)減弱，冬季升溫偏快。

圖2 平均氣溫的季節(jié)變化特征Fig.2 The characteristics of seasonal in mean temperature: (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

氣溫的年代變化趨勢可直觀體現(xiàn)氣候在不同時間階段的變化狀況。在全球氣候變化大背景下，我國氣溫的年代變化趨勢與全球的大體一致，1950s—1980s 氣溫距平值為負(fù)值，氣溫偏冷，1980s 中期出現(xiàn)變暖，1990s 氣溫距平值轉(zhuǎn)為正值，呈顯著升溫趨勢（唐紅玉等，2005；任國玉等，2005；Xu et al.，2018）。貴州近71 a平均氣溫的年代變化整體呈上升趨勢（圖3（a）），1950s—1970s距平值逐漸減小，1970s 達(dá)到最小值，累計距平曲線呈下降趨勢，氣溫偏冷；從1980s 開始距平值持續(xù)增大，1990s 距平值轉(zhuǎn)為正值，2010s 氣溫距平達(dá)到最大，累計距平曲線呈上升趨勢，氣溫偏暖。年最高氣溫的距平值均為正值，雖然1980s—2010s距平值呈下降趨勢，但均比1960s—1970s 的距平值大，累計曲線呈持續(xù)上升趨勢，表明年最高氣溫呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢（圖3（b））。年最低氣溫的距平值均為負(fù)值，1950s—1970s 逐漸下降；1980s 開始距平值逐漸增大，累計曲線呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，說明年最低氣溫開始呈現(xiàn)上升趨勢（圖3（c））?？梢?，貴州氣溫的年代變化趨勢和全球、全國的大體一致，1950s—1980s 年氣溫處于偏冷期，從1990s開始顯著增溫，進入偏暖期。

圖3 氣溫的年代變化特征Fig.3 The characteristics of the decadal in temperature

當(dāng)氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)時，就會發(fā)生突變，這是氣候系統(tǒng)中普遍存在的一種非線性的特殊表現(xiàn)（Han et al.，2021），故研究氣溫突變對理解氣候的穩(wěn)定性極為重要。UF 和UB 曲線在置信度區(qū)間（顯著性水平α=0.05）的交點為突變點。分析發(fā)現(xiàn)，1951—2021 年貴州省平均氣溫經(jīng)歷了“上升-下降-上升-下降-上升”的變化過程，從1990 年開始呈升溫趨勢(圖4)。UF 和UB曲線相交于置信曲線內(nèi)（2009年），并在2016年超過0.05 的顯著水平臨界線?？梢?，貴州年平均氣溫自2009年起發(fā)生明顯突變，呈顯著增溫趨勢。

圖4 年平均溫度Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 Mann-Kendall test of annual mean temperature

2.2 降雨變化特征

近71 a 貴州多年平均降雨量約為1 210 mm（圖5），整體呈下降趨勢，平均下降速率為23.46 mm/10a（P<0.05，Z=|-2.6|>1.96）與全國整體的降雨量變化趨勢相反（朱金宜，2022；胡盈盈等，2021）。年降雨量呈現(xiàn)“峰-谷-峰”的較大波動趨勢，最高年降雨量為1 969.77 mm（1954 年），最低年降雨量為572.15 mm（1994年），最大值與最小值之間的比值為3.4，說明貴州降雨變化劇烈。近71 a，春、夏、秋和冬季的平均降雨量分別為276.34、617.52、252.99 和63.11 mm（圖5）。前3 季的平均降雨量呈下降趨勢，下降速率分別為8.11、7.86 和8.53 mm/10a（P<0.05，Z= |-2.09|>1.96）；而冬季的平均降雨量則輕微上升趨勢，上升速率為1.03 mm/10a（P>0.05，Z=0.73<1.96）。可見，在降雨量整體下降的情況下，貴州干旱風(fēng)險增加。夏季是降雨最為集中的季節(jié)，占全年降雨量總量的51%。

圖5 降雨量變化特征Fig.5 The characteristics of annual and seasonal rainfall

從年代際的角度分析可知，1950s—1970s的降雨量均大于多年平均降雨量，其中1970s 的降雨量達(dá)到最高（1 289.41 mm），1980s—2010s 的降雨量均小于多年平均降雨量，2010s 的降雨量達(dá)到最低（1 108.24 mm）（圖6）。結(jié)合累計距平曲線可知，1950s—1970s年代降雨量距平值為正值，累計距平值呈上升趨勢，說明在此期間降雨量偏多，1980s—2010s年代降雨量距平值為負(fù)值，累計距平值呈下降趨勢，說明在此期間降雨量偏少?？梢?，降雨量偏少時間跨度較長，貴州降雨量整體呈下降趨勢，氣候偏干。

圖6 年平均降雨量年代變化特征Fig.6 The characteristics of average annual the decadal in rainfall

年和季節(jié)降雨量的UF 和UB 曲線均有交點；除冬季外，年和其余季節(jié)降雨量整體呈下降趨勢（圖7）。年降雨量UF 曲線呈上升-下降-上升-下降的變化過程，在置信區(qū)間內(nèi)相交于1986 年，即刻起，UF 曲線急速下降，在2004 年超過0.05 的顯著水平臨界線（圖7（a）），表明年降雨量自1986 年起發(fā)生明顯突變，呈顯著下降趨勢。春季的UF 曲線變化過程與年尺度相似，夏季的UF 曲線在零線附近上下波動變化，秋季呈下降-上升-下降的變化規(guī)律，冬季呈上升-下降-上升的波動變化（圖7（b～e））。春季的UF 曲線在1996 年通過顯著性檢驗水平線，僅1990 年為顯著突變點，表明自1990 年起突變顯著，呈顯著下降趨勢；秋季的UF曲線在2003—2021 年通過了0.05 的顯著性檢驗，僅1992 年為顯著突變點，表明自1992 年起突變顯著，呈顯著下降趨勢?？梢?，春、秋季節(jié)和年降雨量的顯著突變點分別在1990、1992 和1986 年，降雨量自20世紀(jì)90年代起，呈顯著下降趨勢。

圖7 降雨量的Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 Mann-Kendall test of annual and seasonal rainfall

2.3 降雨與氣溫的關(guān)系及發(fā)展趨勢

降雨量與氣溫的回歸分析得知，兩者的散點分布范圍廣，規(guī)律性不強（圖8～9）。年平均氣溫、年最高和最低氣溫與年降雨量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.206、-0.147 和-0.163，僅年平均氣溫達(dá)到0.05 的顯著性水平；二次函數(shù)擬合亦呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.215、-0.147、-0.208，僅年最高氣溫未達(dá)到0.05 的顯著性水平?？芍?，研究區(qū)域內(nèi)的氣溫與降雨量之間的相關(guān)性較差。由于降雨量大小受溫度、東亞夏季風(fēng)、西西太平洋副熱帶高壓和大西洋多年代際振蕩（AMO）等諸多因素的影響（任國玉等，2006；杜佳玉等，2022；劉斌等，2022），故氣溫與降水量之間的相關(guān)性通常不高。

圖8 年平均氣溫與降雨量的回歸擬合Fig.8 Regression fits of the average annual temperature with rainfall

圖9 氣溫與降雨量的回歸擬合Fig.9 Regression fitting of temperature with rainfall

通常，應(yīng)用赫斯特指數(shù)（Hurst）預(yù)測氣溫和降雨的未來變化趨勢。分析年平均氣溫、年最高和最低氣溫的ln（R/S）與lnt間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者間呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，Hurst 指數(shù)均大于0.5（圖10（a～c）），這表明貴州地區(qū)未來的氣溫仍維持升溫趨勢。

圖10 年氣溫、年和各季降雨量的R/S分析Fig.10 R/S analysis of annual temperature, annual and seasonal rainfall

年和四季降雨量的ln（R/S）與lnt間關(guān)系亦呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，除夏季外，Hurst指數(shù)均>0.5（圖10（d～h）），表明貴州未來春、秋季節(jié)和年的降雨量仍維持下降趨勢，冬季的降雨量仍維持增加趨勢，夏季的降雨量未來可能逐漸演變?yōu)樵黾于厔?。亦有研究發(fā)現(xiàn)，貴州夏季的降雨量主要受西太平洋副熱帶高壓的影響，其逐漸偏強偏西偏南變化有利于夏季降雨量的增加（齊冬梅等，2012）。綜合氣溫與降雨量的未來變化趨勢，貴州的氣候可能繼續(xù)為暖干趨勢。

3 結(jié) 論

本文分析了1951—2021 年（近71 a）貴州逐日氣溫和降雨量數(shù)據(jù)，揭示了氣溫、降雨變化特征及兩者間的關(guān)系與未來發(fā)展趨勢，得到如下主要結(jié)論：

1） 年平均氣溫、年最高和最低氣溫分別以0.08、0.11 和 0.25 ℃/10a 的速率上升，年最低氣溫對氣候變暖的響應(yīng)最敏感。春、夏、秋、冬季節(jié)平均氣溫的上升速率分別為0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a，秋冬兩季對年平均氣溫上升貢獻最大。1950s—1980s 年氣溫處于偏冷期，從1990s開始顯著增溫，進入偏暖期；年平均氣溫自2009年期起發(fā)生顯著增溫突變。

2） 降雨量以23.46 mm/10a 的速率呈顯著下降趨勢。冬季降雨量以1.03 mm/10a 的速率輕微上升，春、夏、秋分別以8.11、7.86 和8.53 mm/10a的速率下降。夏季的降雨量占年總降雨量的51%，1950s—1970s降雨量偏多，1980s—2010s降雨量偏少，整體氣候偏干。春、秋季節(jié)和年降雨量的顯著突變點分別在1990、1992、1986年。

3） 氣溫與降雨量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣溫和降雨量的Hurst指數(shù)值均大于0.5，說明貴州氣溫和降雨未來的變化趨勢與歷史趨勢一致，即可能持續(xù)向暖干趨勢發(fā)展，氣溫上升，降雨量下降。