近50年来河南省气温和降水时空变化特征分析

史佳良, 王秀茹, 李淑芳, 李 宁

(北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083)

近50年来河南省气温和降水时空变化特征分析

史佳良, 王秀茹, 李淑芳, 李 宁

(北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083)

在全球变暖大背景下，对河南省近50年来气温和降雨的时空变化与突变特征进行了分析研究。基于河南省17个气象站1965—2014年的日平均气温和逐日降水资料，采用气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall秩相关检验、Morlet小波分析、Kriging空间插值等方法，分析研究了河南省近50年来的气温和降水量时空变化特征。河南省近50年来平均气温总体呈增暖趋势，气候倾向率为0.19℃/10 a(p<0.01)，春季升温最快，秋冬次之，夏季气温趋势反而略有下降，年均气温在80—90年代有短暂下降，90年代后开始变暖；河南省降水量整体略呈增加趋势，但变化趋势不明显，气候倾向率为2.8 mm/10 a(p>0.05)，夏季降水量增加较快，春秋降雨量略有减少。近50 a来年降雨量经历了增—减—增—减的变化，60年代到80年代增加，80年代到90年代中旬减少，90年代到21世纪初再次增加，2003年至今持续减少。河南省气温存在27年的强显著周期，此外还有15 a的周期变化；而降水量则存在12 a的显著周期，此外还有5 a和30 a的周期。空间分布上，气温有东南高西北低的特点，且中部升温更快；降水量则南多北少，南部有减少趋势，中部、东部有增多趋势。

降水量; 气温; 空间插值; 河南省

气候问题是全人类共同面对的问题，气候变化趋势与影响也是当今多个学科关注的焦点。气温与降水量是主要的气候因子，研究其时空变化特征有着重要的意义。IPCC第五次评估报告中也指出，1880—2012年全球平均温度已升高0.85℃；过去30 a内，每10 a地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期[1]。1998—2012年，全球地表平均气温上升速度为0.05℃/10 a，低于1951年来0.12℃/10 a的平均升温[2]。而中国地区气温也存在持续变暖的趋势[3-5]，降水量变化则具有明显的地域性差异[6]，近50 a来华北降水呈减少趋势，尤其是20世纪70年代以来华北地区降水减少更加明显[7]。

河南省是我国粮食主产地，近年来对河南省气候变化的研究也在广泛开展，李树岩等基于CI指数对河南近40 a的干旱特征进行了统计分析[8]；常军等分析了近50 a来河南省区域年最高、最低气温及日较差的时空变化特征[9]。李蔼恂等对河南省春季和秋季降水量的时空变化特征进行了研究，阐述了河南省降水量分布空间特征明显[10]；吴作明等研究了河南省降雨侵蚀力时空变异特征，认为其没有明显的年际周期性规律[11]；赵路伟等则得到河南省近54 a来降水量在波动中略微有减少的趋势，中东部降水增加，西北和豫南地区降水明显减少[12]。

本文通过对均匀分布在河南省内的17个气象站1965—2014年的日平均气温和日降水量数据为基础，选取气候倾向率法、Mann-Kendall突变检验法、累积距平法、Morlet小波分析与ArcGIS克里格空间插值法，研究河南省1965—2014年气温、降水的时间维度趋势变化与空间维度分布变化，重点研究其趋势性、突变性、周期性与分布性的变化规律，进一步完善对河南省乃至中原地区气候变化的研究，更加了解河南省多年气候变化，尤其是气温与降水量的时空变化特征，利于全面了解该地区的水文及生态，对当地农业发展有一定的指导意义。

1 材料与研究方法

1.1 数据来源

本文数据来源于国家气象中心提供的中国地面气候资料日值数据集，挑选河南省内拥有完整时间序列气象资料的17个站点，选取1965年1月1日到2014年12月31日的日平均气温与日降水量数据，缺测值由临近点空间插值，采用算数平均法补齐。通过累计偏差法对17个站点气温、降雨资料进行一致性检验，置信度为95%。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率法 利用R语言建立气候变量y与时间t之间的一元线性回归模型，模型式中回归系数b用最小二乘法估计，b×10即气候倾向率，单位为℃/10 a或mm/10 a，在R语言中可直接由线性拟合命令(lm)得到，再由方差分析命令(anova)得到F检验的p值，用于判断气候倾向率的显著性水平。

1.2.2 Mann-Kendall检验与累积距平法

(1) Mann-Kendall检验法在时间序列数据趋势检验中使用广泛，属于非参数检验方法，不需要数据遵从一定分布，不受少数极端或异常气候值干扰，检验范围较宽、定量化程度高，尤其在水文和气象领域的趋势分析和突变性检验中广泛应用，详细步骤如Yue等所述[13]。

(2) 累积距平法能够更加直观准确地判断年际变化阶段，在气候分析中应用广泛[14]。

1.2.3 Morlet小波分析法 在对气象、水文等时间序列数据的基本刻画中，常常需要揭示其多时间尺度的特征[15]，小波分析具有多分辨率功能，可深刻阐述时间序列时间尺度特征与突变性和趋势性。目前小波分析有很多小波函数可以选用，而Morlet小波更是被广泛应用在气象、水文领域。本文采用Morlet小波分析法对河南省近50 a年均气温和年降水量的变化周期、突变点位置与位相结构进行研究，详细步骤见有关文献[16-17]。

1.2.4 克里格(Kriging)空间插值法 空间插值法常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，可对研究区内未知点数据进行预测[18]。而在对于气象数据插值的对比中，彭彬等认为普通克里格插值法要优于反距离权重法(IDW)和样条插值法(Spline)[19]。本文采用ArcGIS空间分析工具中的Kriging插值法对河南省近50 a来气温、降水的空间变化趋势进行研究。

2 结果与分析

2.1 气温与降水历年变化特征分析

近50 a来河南省平均气温为14.56℃，在1974年的13.59℃到2013年的16.01℃之间变化，气候倾向率0.19℃/10 a(p<0.01)，高于全球近50 a 0.13℃/10 a的变暖趋势，略低于中国增暖速率0.22℃/10 a。由多项式拟合[17]曲线(图1)看出，年均气温在80—90年代有下降趋势，而后恢复到平均增速，波动上升。四季气候倾向率见表1。春季(3—5月)气温增速最快，为0.35℃/10 a，秋季(9—11月)和冬季(12—2月)分别为0.26℃/10 a和0.25℃/10 a，夏季(5—8月)气温反而略呈下降趋势，为-0.11℃/10 a。由表1可看出局部气温变化波动较大，如1995—2004年四个季节的气温倾向率绝对值均超过1℃/10 a，远超过50 a总体变化值。

图1 河南省历年气温及分季降水量变化

近50 a来河南省平均年降水量为735.94 mm，在1966年的477.85 mm到2003年的1 063.05 mm之间波动，略有上升，气候倾向率2.86 mm/10 a(p>0.05)，高于全国降水量变化趋势。由图1可看出，年降水量经历了增—减—增—减的变化，在80—90年代有下降趋势，到21世纪初波动回升，2003年之后有下降趋势。同时可以看出年降水量与夏季降水量呈高度相关，利用R语言做年降水量与夏季降水量的线性相关分析，二者的Pearson相关系数为0.751 (p<0.01)，为强相关，从图中多项式拟合曲线也可看出二者的变化趋势高度相同，可见河南省历年年降水量的多少主要由夏季降水量所决定。由表1可得，河南省四季降水量变化均较小，气候倾向率值为：春季1.49 mm/10 a，夏季6.21 mm/10 a，秋季-1.87 mm/10 a，冬季0.01 mm/10 a，但年际、年代际降水量波动剧烈，年均最高达到2003年的1 063.05 mm，最低为1966年477.85 mm，相差585.21 mm，年代波动最为剧烈的是1975—1984年的221.59 mm/10 a，其中夏季降水量波动最为剧烈，秋季次之，春冬两季降水量波动较小，尤其需要注意的是近10 a来降水量减幅较大，为-185.49 mm/10 a。

表1 河南省历年分季气温、降水气候倾向率

注：表格内前者为气温倾向率，后者为降水倾向率，单位分别为℃/10 a和mm/10 a。

2.2 气温与降水突变性分析

年均气温的Mann-Kendall突变性检验结果(图2A)显示，UF曲线在60—90年代趋势基本平稳，呈波动状态，在1997—2000年与UB曲线相交，交点位于 1.96的95%信度区间内，说明M-K分析1997年为突变年，并在此后呈上升趋势，到2008年超过置信水平，变暖趋势更为显著。而由累积距平分析则看出(图2C)气温累积距平大体上经历了先减后增的过程，1965—1993年呈略有下降趋势，1994—2014年呈明显的上升趋势，1990—2014年气温变化的气候倾向率为0.41℃/10 a(p<0.01)，远超过近50 a的0.19℃/10 a。曲线在1979年和2000年附近有所上升也说明河南省历年气温变化波动较大，且这种波动在90年代及之后更加剧烈。结合M-K法和累积距平法的结果与分析，河南省平均气温在90年代发生了突变，在剧烈波动中加速变暖。

由图2B年降雨量的Mann-Kendall突变检验曲线可以看出，UF曲线在60—80年代呈上升趋势，并在1982年超过置信水平，在80—90年代呈下降趋势，并在90年代末至今又完成了一轮上升再下降的过程。其中UF与UB相交，发生突变的年份有1975年(增多)，1986年(减少)，1994年(增多)。整体的M-K趋势分析曲线并没有超过95%信度线，说明河南省降水量近50 a来变化趋势并不显著，这与张一驰[20]等的结论相似。而由图2D降水量累积距平分析看出，在1982年、2003年降水量发生了由少到多的突变，在1986年、2011年发生了由多到少的突变。整个降水量累积距平曲线并没有像气温那样明显的变化趋势，但波动值较大。

图2 河南省历年气温及降水量M-K突变检验与累积距平值

2.3 气温与降水周期特征分析

图3为河南省近50 a年均气温与降水量距平序列Morlet小波变换实部的时频变化，从图中可得河南省近50 a年均气温与降水量的变化周期、突变点位置与位相结构变化。实线为正值，表明气温或降水量值偏高；虚线为负值，表明气温或降水量值偏低。由图3A可看出，年均气温26～30 a的时间尺度变化明显，中心时间尺度在27 a附近，为第一主周期，震荡中心在1990年，正负位相以10 a左右为周期交替出现；13～16 a的周期变化也较为明显，中心尺度为14 a，正负位相以7 a为周期交替出现；其余周期表现则较弱。同时，对年均气温距平序列Morlet小波变换的模平方进行时频分布处理，可得平均气温突变点中心位置为1990年，结合上文M-K突变检测与累积距平分析结果，认同河南省年均气温在90年代发生突变的判断。图3B显示年降水量10～14 a的时间尺度变化最为显著，中心时间尺度在12 a附近，第一主周期，震荡中心在1987年，正负相位以4 a为周期交替出现，这一结论与与孙卫国等[21]的研究结果类似；另外3～6 a的周期也较为明显，中心时间尺度为5 a，震荡中心有两个，分别为1965年和1998年，正负位相3 a交替出现，此周期说明河南省降水局部波动剧烈，增减变化快；另外从图中还能看出30～32 a的周期变化，此周期较为平均，贯穿始终；其余周期表现则较弱。对年降水量距平序列Morlet小波变换的模平方进行时频分布处理，可得年降水量突变点中心位置为多个，1966年、1986年、2000年、2011年左右，可与上文累积距平分析和M-K突变检测所得结果互相参考。

2.4 气温与降水空间变化分析

本文对河南省近50 a年均气温和年降水量进行克里格空间插值，得到其空间分布变化见图4。由图4A可看出河南省气温空间分布具有西北低东南高的特征，结合河南省地形因素，即西部、西北部分属伏牛山、太行山地区，气温较东南平原而言，平均相差1.16℃。尤其是豫西地区，最低年均气温为栾川12.29℃，这也符合栾川地区海拔较高、森林覆盖率较大的推断。而河南省东部中部平原地区，气温空间分布则由北到南逐渐变暖，14.5℃等温线向北弯曲包含郑州、开封等地，说明其年均气温也高于同纬度的平原地区。由图4B可以看出，近50 a河南省全部地区平均气温均有所增长，且中部平原不同等温线上的地区，其由南到北增速也较为均匀，说明气温变暖是一个整体的趋势，而不是局部的波动，这也符合全球变暖的大趋势。图中显示河南省升温最快的是以郑州、开封、新乡为中心的中部地区，其中变暖最快的是郑州，达到0.379℃/10 a，远超过全省0.19℃/10 a的平均水平，这或许与该地区城市化发展速度高于河南省其他地区有关[22]。而变暖较慢的是豫西地区，其中年均气温增幅最小的是卢氏，气候倾向率仅有0.083℃/10 a。

河南省年降水量的空间分布则基本呈现南高北低的趋势(图4C)，地区降水分布不均匀，南部最高的信阳(1 094.21 mm)比北部最低的安阳(542.85 mm)高出551.36 mm。而年降水量的变化趋势则刚好与之相反，反而是南部年降水量最多的地区近50 a来降水量呈现出减少的趋势，信阳的气候倾向率达到-13.62 mm/10 a；而中部、东部平原地区的年降水量则增幅最大，最高达到西华的20.97 mm/10 a。由图4D中也可看出，河南省年降水量变化幅度也较为剧烈，所测17个站点中就有11个站点的降水量气候倾向率绝对值大于全省平均值2.86 mm/10 a。

图3 河南省历年气温及降水量Morlet小波分析实部时频分布

图4 河南省气温、降水量及其变化趋势空间分布

3 结 论

(1) 河南省近50 a气温有显著的上升趋势，其气候倾向率为0.19℃/10 a(p<0.01)，同时气温变化局部波动较大。从季节上看，春季气温增速最快，秋冬季次之，夏季气温反而有下降趋势。从年代上看，只有80—90年代气温增速有过放缓的趋势，其余时段气温则保持波动上升趋势。

(2) 河南省近50 a降水量整体变化幅度不大，气候倾向率为2.86 mm/10 a(p>0.05)，但年降水量变化波动剧烈。从季节上看，年降水量与夏季降水量呈高度相关，其余三个季节的降水量波动平缓。从年代上看，河南省近50 a降水量经历了增—减—增—减的变化过程，1965—1975年增多，1975—1990年减少，1990—2005年增多，2005年至今持续减少。

(3) 河南省近50 a气温与降水量的突变性分析，则主要由Mann-Kendall突变检验法和累积距平法完成，Morlet小波分析也可作为参考。气温发生突变的时间，由M-K法定位在1997年，累积距平法定位在1993年，小波分析定位在1990年，所以可确定河南省近50 a气温突变发生的时间为20世纪90年代；降水量的突变点由M-K法定位在1975年、1986年、1994年，累积距平法定位在1982年、2003年，小波分析则定位在1966年、1986年、2000年、2011年，但由于河南省年降水量变化趋势较小，且波动剧烈，三种方法并没有得出一个准确的统一的发生突变的时间点或时间段。

(4) 由Morlet小波分析结果可见，河南省气温变化有着27 a左右的第一周期，除此之外，也有14 a左右的变化周期；降水量的变化则有着12 a左右的第一周期，与其他5 a和31 a的变化周期。

(5) 本文用ArcGIS克里格空间插值法对河南省气温、降水量空间特征进行了分析。河南省气温呈西北低东南高的分布，中部地区平均气温向较高方向倾斜，同时中部地区气温增速最快，豫西地区增速最慢；降水量则呈由南到北逐渐减少的空间分布，南北降水量相差较大，而空间变化趋势则与降水量分布相反，南部明显减少，中部、东部明显增多。

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VariationCharacteristicsofAirTemperatureandPrecipitationinHe′nanProvinceinRecent50Years

SHI Jialiang, WANG Xiuru, LI Shufang, LI Ning

(SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Under the background of global warming, the temporal and spatial variation of air temperature and precipitation in He′nan Province in recent 50 years were analyzed. Based on the daily average air temperature and daily precipitation data observed at 17 meteorological stations covering He′nan Province， the characteristics of climate changes from 1965 to 2014 were analyzed with the methods of climate tendency rate， cumulative anomaly method， Mann-Kendall test, Morlet wavelets analysis method and Kriging interpolation and so on. The results show that the average air temperature of He′nan Provincer showed the upward trend in recent 50 years， of which the climate tendency rate is 0.19℃/decade (p<0.01). As for the seasonal temperatures， the temperature in summer was the only one that showed a declining trend， the others showed increasing trends， and the tendency rate in spring was the highest. The decade change of temperature showed that the average temperature during 1980 to 1990 dropped a little， and then it started to go up；the annual precipitation showed an overall upward trend， but the trend was not significant, it increased by 2.8 mm/decade (p>0.05), the summer precipitation increased faster， the spring and autumn precipitation decreased a little. Over the past 50 years， the precipitation was rising from 1960s to 1980s， and then declining from 1980s to the middle 1990s， after that it went up again until the 21th century， and since 2003 the precipitation has continued to decrease. The result of Morlet wavelets analysis showed that the temperature of He′nan Province fluctuated significantly with the 27-year interval， and the other 15-year interval can also be seen；the precipitation fluctuated with the 12-year interval, accompanied by other 5-year and 30-year intervals. As for spatial distribution， the temperature of southeastern He′nan Provincer was higher than that of the northwestern area， and the central region has been warming faster； the precipitation in the south was richer than that in the north， but it also has a decreasing trend in the south， the precipitation in the central and eastern region showed an upward trend.

precipitation; air temperature; Kriging interpolation; He′nan Province

2016-06-22

：2016-06-29

水利部公益性行业科研专项(201401001)

史佳良(1990—),男,河南洛阳人,在读硕士,主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:376852612@qq.com

王秀茹(1957—),女,河北保定人,教授,博士生导师,主要从事流域管理、水资源及农田水利等研究。E-mail: wang-xr@163.com

P468

：A

：1005-3409(2017)03-0151-06