基于GIS的新乡市春季气候变化特征分析

李香颜，张金平（新乡市气象局，河南新乡453003）



基于GIS的新乡市春季气候变化特征分析

李香颜，张金平
（新乡市气象局，河南新乡453003）

摘要：基于新乡市1971—2014年8个气象站点3—5月逐日温度、降水量和日照时数观测数据，采用线性倾向估计法、累积距平法和Mann-Kendall检验法，结合GIS技术，探讨和分析新乡市春季气候的变化趋势和时空分布特征，以期为当地防灾减灾和气候变化研究工作提供科学参考。结果表明：新乡市春季气温呈上升趋势，平均增幅为0.035℃/a，并且在1998年发生显著增温突变，北部地区增温幅度高于南部地区；春季降水呈现微弱增多趋势，平均增幅为0.220 mm/a，变化不明显且年际间波动性较大，降水增幅整体上呈“北多南少”趋势；春季日照时数以平均1.216 h/a的速率呈减少趋势，并且在1984年发生显著递减突变，北部地区日照时数的减幅明显高于其他地区。全球变暖已造成本地区气候变异性明显增大。

关键词：气候变化；时空分布；特征分析；GIS

0　引言

20世纪以来，全球和中国气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化[1]，政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，1906—2005年全球平均气温升高(0.74±0.18)℃[2]。气候变化问题逐渐被列为全球十大环境问题之首，并且日益成为国际社会的热门话题[3]。气候作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，其变化将会对自然生态系统以及社会经济产生深远影响[4]。气候变化成为当前人地关系研究中的重要前沿领域[5]，近年来，国内外学者对此进行了大量的探索和研究[6-9]。杨勇等[10]利用线性倾向估计法、滑动平均法和M-K突变分析法，对忻州地区近50年的气候变化特征进行了统计分析；祝小梅等[11]采用累积距平法和M-K突变检验及周期分析等方法，对新疆伊犁地区暴雨日时空变化特征进行了分析研究；张红卫等[12]利用地理信息系统GIS技术和数学方法，研究分析了河南省春季降水及日照时数的时空变化特征。由于气候变化具有显著的地域性和季节性，有渐变和突变等特点，因此开展小区域、小范围、分季节的气候变化研究更具针对性和现实意义。当前气候变暖已成为不争的事实，而关于新乡地区气候变化的研究报道还比较有限，针对新乡春季气候变化趋势的研究更是少见。因此，笔者选取新乡全区近44年的气象观测数据进行统计分析，拟找出新乡春季气候变化的特点和规律，以期为当地科学开展气候变化应对研究、部署决策防灾减灾工作等方面提供参考和依据。

1　资料与方法

1.1资料来源

研究数据来自新乡市、辉县、获嘉、卫辉、原阳、封丘、延津、长垣8个气象观测台站1971—2014年的地面气象观测资料，主要涵盖气温、降水和日照时数等要素数据。使用的地理信息资料采用国家基础地理信息中心提供的1:25万新乡地区基础地理背景数据。

1.2研究方法

（1）采用线性倾向估计法[13]分析1971—2014年新乡全区春季温度、降水和日照时数的年际变化趋势，通过趋势拟合后的线性倾向系数，判定研究区内各气象要素的变化情况。

线性倾向系数由最小二乘法求得[14]，采用一次直线方程来描述温度、降水和日照时数的变化趋势。见公式(1)。

式中：t为时间（1971—2014年），Y(t)为气象要素，a1为趋势变化率。a1为正值时，表明该气象要素变化为上升趋势，a1为负值时，表明该气象要素变化呈下降趋势。

（2）利用Mann-Kendall统计检验法[15]和累积距平法[16]进行各气象要素的突变分析和检验。Mann-Kendall法是突变分析中常用的检测方法，为验证各突变点的真伪，可绘制各气象要素的累积距平曲线，通过曲线的形状和走势对检测到的突变点作进一步验证[17-18]。

（3）通过GIS技术（地理信息系统）制图，实现研究区内春季各气候要素变化特征的时空分布表达。

2　结果与分析

2.1春季气温

2.1.1春季气温变化特征统计新乡市8个气象站点1971—2014年3—5月平均气温的基础上，通过线性趋势拟合后，得到各县市春季气温的变化特征（见表1），利用GIS技术，通过Kriging空间插值法，得到春季气温变化趋势的时空分布表达（见图1）。

图1　新乡市1971—2014年春季气温变化趋势时空分布图

由表1可以看出，新乡地区春季气温变化在全区范围内呈明显上升趋势，平均增幅为0.035℃/a，北部辉县地区春季增温趋势最显著，变化趋势为0.064℃/a；南部原阳地区增温趋势相对微弱，变化趋势为0.012℃/a。由图1可知，春季气温升高幅度市区明显高于大部分县（市）区，这可能与市区经济发展、人口密度增大以及汽车拥有量的逐渐增多有关；新乡北部山区春季气温变幅高于南部平原地区，全球变暖已造成该地区春季气温地域变异性明显增大。

表1　新乡市1971—2014年春季温度变化趋势　℃/a

2.1.2春季气温突变分析气候突变是指气候从一种稳定状态跳跃式的转变为另一种稳定状态。Mann-kendall法是一种常用的数据突变检测方法，它不需要样本遵从一定的分布，也不受少量异常值的干扰，并且可以明确突变开始的时间和突变区域。在临界值内，UF和UB曲线的交点即为突变点，交点对应的时间即为突变开始的年份，若突变点后UF曲线超出了α=0.05或者α=0.01的临界值，则认为该气象要素突变特征显著，超出区域即为突变具体发生区域。若2条曲线出现多个突变点，则可通过累计距平法综合判断气象要素各个突变点的真伪。

按照上述方法，通过对新乡市春季气温计算，得到图2。由UF曲线可知，春季气温自20世纪90年代初开始呈现上升趋势，且在2004年左右上升趋势超过了α=0.05的临界线(μ0.05=±1.96)，呈显著上升趋势。自2007年开始UF超过了α=0.01的临界值(μ0.01=±2.56)，呈极显著上升趋势。根据UF和UB曲线交点的位置，确定春季气温上升是一种突变现象，具体突变发生时间为1998年。

图2　新乡市春季气温Mann-Kendall统计量

2.2春季降水

2.2.1春季降水变化特征统计新乡市各站点3—5月降水量的基础上，通过一元线性回归方法进行降水趋势拟合，结果如表2所示。通过ArcGIS技术制图，得到新乡全区春季降水变化趋势的时空分布特征（见图3）。结果发现：春季降水变化在新乡全区范围内呈不明显增加趋势，平均增幅为0.220 mm/a；新乡东部长垣县增幅最大，变化趋势为0.544 mm/a；其次为北部辉县地区，降水增幅为0.441 mm/a；南部地区原阳县春季降水增幅最小，变化趋势为0.017 mm/a。气候变化造成该地的春季降水呈现明显的“北多南少”态势。

2.2.2春季降水突变分析通过Mann-Kendall法和累积距平法对春季降水数据进行突变检验分析，结果如图4所示。

表2　新乡市1971—2014年春季降水变化趋势mm/a

图3　新乡市1971—2014年春季降水变化趋势时空分布图

图4　新乡市春季降水Mann-Kendall统计量

由图4可知，UF与UB在1972年和1976年出现了2个交点，说明春季降水在此可能出现突变。通过绘制春季降水累积距平曲线（见图5）进行突变点真伪验证后发现，降水量在1972年和1976年均未出现相对低值和高值，说明春季降水未发生突变现象。由UF曲线走势可以看出，春季降水在1982—1994年间呈增多趋势，此期降水充沛。在2009—2014年呈直线下降趋势，处于少雨期，近年来温度的持续升高和降水的持续偏少导致本地区春旱现象发生频繁，对春作物尤其是冬小麦生长造成一定不利影响。

图5　新乡市春季降水累积距平

2.3春季日照时数

2.3.1春季日照时数变化特征日照是一种重要的气候因子，也是可供人类开发利用的一种重要的可再生资源，更是农作物生长发育不可缺少的气候条件，因而探讨日照时数的变化具有重要意义[19-20]。统计新乡全区各站点3—5月日照时数的基础上，通过一元线性回归分析法对春季日照时数变化进行趋势拟合（见表3）。通过GIS技术，利用Kriging空间插值法计算后，得出新乡地区春季日照时数变化趋势的时空分布特征（见图6）。结果显示：日照时数变化在全区范围内以平均1.216 h/a的速率呈减少趋势；北部地区辉县减幅最大为2.359 h/a，其次是东北部卫辉地区，中东部延津地区减幅最小，变化趋势为0.174 h/a；北部山区春季日照时数的减少幅度明显高于中部地区。

表3　新乡市1971—2014年春季日照变化趋势　h/a

图6　新乡市1971—2014年春季日照时数变化趋势时空分布图

2.3.2春季日照时数突变分析通过Mann-Kendall法对新乡全区春季日照时数进行统计分析，结果如图7所示。从UF曲线可知，春季日照时数在1973年和1984年左右出现了交点，日照时数在此年份可能发生了突变。

图7　新乡市春季日照时数Mann-Kendall统计量

经过绘制累积距平曲线（见图8）发现，日照时数仅在1984年出现了相对高值，由于此交点出现在临界值(±1.96)内，且交点之后UF曲线超过了α=0.05的临界值(μ0.05=±1.96)，因此可判定春季日照时数在1984年发生了显著的递减突变。

3　结论与讨论

（1）随着全球变暖，新乡地区春季气候已经发生了明显变化。春季气温在全区范围内呈上升趋势，并且在1998年发生显著增温突变，全区平均增幅为0.035℃/a，增温幅度呈“北高南低”态势；春季降水呈现微弱增多趋势，平均增幅为0.220 mm/a，变化不明显且年际间波动性较大，降水增幅整体上呈“北多南少”趋势；春季日照时数以平均1.216 h/a的速率在全区呈减少趋势，并且在1984年发生显著递减突变，北部辉县地区日照时数减幅最大。

图8　新乡市春季日照时数累积距平

（2）春季日照时数在全区的显著减少趋势可能与本地区雾霾天气的不断增多有一定关系。北部山区辉县、卫辉地区的日照时数递减趋势明显高于其他地区，这可能与北部山区较多以及降水的增多趋势有一定关系。

（3）研究区春季气候已发生显著变化，但针对气候变化应对措施的研究还比较有限，气候变化对当地农业生产以及作物产量的影响和评估还需进行深入分析和探讨，这是当前亟待研究和解决的焦点问题。

参考文献

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Climatic Change Characteristics in Xinxiang in Spring Based on GIS

Li Xiangyan,Zhang Jinping
(Xinxiang Meteorological Bureau,Xinxiang 453003,Henan,China)

Abstract:Based on the data of daily temperature,precipitation and sunshine hours from March to May of 8 meteorological stations in Xinxiang from 1971 to 2014,the authors used linear tendency estimate method, accumulative anomaly method and Mann-Kendall method with GIS technology,discussed and analyzed the climate change trend and spatial-temporal distribution features in spring in Xinxiang,in order to provide reference for disaster prevention and mitigation.The results showed that the spring temperature in Xinxiang had an increasing trend with an average growth rate as 0.035℃/a,and a significant mutation of temperature increase happened in 1998,the warming rate of the north was higher than that of the south.The spring precipitation presented a weak increasing trend with an average increase rate as 0.220 mm/a,and the change was not obvious and the interannual volatility was relatively large.The increase trend of precipitation was more in the north than that in the south overall.The sunshine hours in spring had a decreasing tendency with an average rate of 1.216 h/a,and a significant decline mutation happened in 1984,the sunshine hours reduction in the north was obviously higher than that in other regions.The global warming had caused obviously regional climate variability in Xinxiang.

Key words:Climate Change;Spatial-temporal Distribution;Characteristics Analysis;GIS

收稿日期：2015-11-10，修回日期：2016-01-11。

作者简介：第一李香颜，女，1981年出生，河南南阳人，工程师，硕士，主要从事农业气象研究。

通信地址：453003河南省新乡市红旗区平原路牌坊街1号，Tel：0373-5808895，Email：594813343@qq.com。

基金项目：新乡市科技发展计划项目(14SF01)。

中图分类号：P467

文献标志码：A论文编号：cjas15110008