基于长时间序列的北方生态脆弱区气候演变分析

李春燕，邓伟,2，齐静,2，唐燕秋，丁佳佳，孙荣，宋丹

(1.重庆市环境科学研究院，重庆 400020；2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3.华侨大学化工学院，福建厦门 361021)

基于长时间序列的北方生态脆弱区气候演变分析

李春燕1，邓伟1,2，齐静1,2，唐燕秋1，丁佳佳1，孙荣3，宋丹1

(1.重庆市环境科学研究院，重庆 400020；2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3.华侨大学化工学院，福建厦门 361021)

以北方典型生态脆弱区榆林市为例，利用1951—2012年地面气象观测站统计的气象资料，结合趋势分析和距平累积分析方法，对过去60年间该地区的气温和降水变化趋势进行了定量分析。研究结果显示：(1)过去60年间，研究区气温变暖趋势明显，年平均气温增加倾向率为0.20 ℃/a。(2)研究区降水在剧烈波动变化中趋于减少，研究时段内年降水量减少倾向率为-8.4 mm/a。(3)榆林市经历了由冷湿气候向暖干气候的转变。(4)气温的升高对榆林市风沙天气和旱灾等气象灾害的发生有一定加剧作用，而降水的减少进一步增加了榆林市生态系统脆弱性程度。

生态脆弱区；榆林市；趋势分析；距平累积；气候演变

气候变化是生态脆弱区重要的自然制约因子，影响着生态系统结构和功能的稳定性[1]。近年来国内开展了大量关于榆林市气候变化的研究；刘晓琼等[2]对榆林市近30年来年际、季节及个年代的气候变化进行了定量分析，认为榆林从20世纪70年代到21世纪由偏冷湿时期逐渐演变为暖干时期；杨强等[3]基于1970—2010年气象资料对榆林地区气温、降水和太阳辐射的年际和季节性变化进行了定量分析，得出时段内榆林地区气温呈现上升趋势，降水先减少后逐渐回升，太阳辐射呈现下降趋势的结论；刘海英[4]分析认为榆林地区经历了暖—冷—暖三个时期，其中20世纪60年代最冷，90年代最暖，并预测1999—2000年温度仍有偏高的趋势。大量研究结论显示，榆林市在过去几十年内均呈气候变暖趋势。本文基于榆林市1951—2012年地面气象观测站统计的气象资料，利用趋势分析和距平累积分析方法，对榆林市气温和降水在过去60年间的变化趋势进行定量分析，以揭示该区域气候变化特征，有利于进一步理解气候变化对北方生态脆弱区生态环境产生的影响，也对榆林市制定有效的农业生产战略提供科学依据。

1 研究方法与材料

1.1数据来源

地面气象观测数据集由中国气象数据共享网(China Meteorological Data Sharing Service System，http://cdc.cma.gov.cn/)提供。数据集为榆林市及其周边省市14个基准地面气象月值数据，包括月均气温(℃)和月降水量(mm)；空间范围涵盖榆林市及周边各省市，以便后期空间插值时能覆盖整个研究区(表1，图2)，时间序列为1951年1月—2012年12月。气象数据中个别月份存在缺失数据现象，利用多年同期月值平均值进行替代。

1.2研究方法

1.2.1一元线性回归模型

本文用y表示样本量n的某一气候变量，用x表示y所对应的时间，建立y和x之间的一元线性回归。采用一元线性回归模型描述气候要素的变化趋势，即：

表1 气象台站信息

yi=a+bxi

(1)

式中，a为回归常数；b为回归系数。用最小二乘法进行估计：

(2)

(3)

线性回归结果主要是回归系数b，即气候变量的倾向趋势。当b>0时，说明y随时间x的增加呈上升趋势；当b>0时，说明y随时间增加呈下降趋势。b值的大小直接反映上升或下降的速率，即倾向斜率[5]。

1.2.2距平累积法

距平累积法是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。对于序列X，其某一时刻t的累积距平可以表示为[6]：

(4)

将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势则表示距平值减小。从曲线明显的上下起伏，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。从曲线的小波动变化可以考察其短期的距平值变化。根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内距平持续为正；当距平累积持续不变，表明该时段距平持续为零即保持平均；当距平累积持续减少时，表明该时段距平持续为负。据此，可以比较直观而准确地确定数据序列的年序变化阶段。

1.2.3信号与噪声比检验方法

突变检验采用Yamamot[7]气候突变的定义和检测方法定义的信号(S)与噪声(N)比检验方法确认阶段性划分。基本思想为：如果两个阶段均值的平均值之差超过正常波动范围，用标准差表达，那么可以认为发生了突变。当信号(S)与噪声(N)的比值>1.0时，即存在突变。用公式表达为：

(5)

式中，x为阶段平均值；s为阶段标准差。如果S/N>1.0，表明突变存在，即阶段性明显。

2 结果与分析

2.1气温演变特征分析

2.1.1总体特征

从表2来看，榆林市1951—2012年年平均气温为9.0 ℃，春、夏、秋、冬四季的平均气温分别为10.7 ℃、22.5 ℃、9.0 ℃、-6.1 ℃。其中，冬季平均气温最低值为-9.4 ℃，出现在1967年，夏季平均气温最高值为24.0 ℃，出现在1999年夏季。从季节性特征来看，榆林市气温季节性差异显著，冬冷夏热，夏季与冬季平均气温温差达28.6 ℃；冬季标准差最大，夏季最小，说明历年冬季冷空气活动频繁、波动较大，夏季冷空气活动较弱、相对稳定。历史极端月平均最低气温为-13.7 ℃，出现在1955年1月；历史极端月平均最高气温26.0℃，出现在2001年7月。

表2 榆林市1951—2012年气温统计量

2.1.2演变规律分析

根据图1(a)可以看出，1951—2012年，榆林市年均气温从1951年的8.5 ℃增加到了2012年的8.7 ℃，呈明显上升趋势，年平均气温倾向率为0.20 ℃/a，通过ɑ趋势系数极显著水平检验。其中最高年均气温为10.6 ℃，出现在1998年；最低年均气温8.0 ℃，出现在1956年。

从各个年代来看，20世纪90年代和21世纪初平均气温明显高于前期，分别达到了9.4 ℃和9.8 ℃，比历年年均气温高出0.4～0.8 ℃；而20世纪50—80年代平均气温均低于历年平均温度，尤其是50年代，平均气温仅有8.6℃。总体来看，榆林市气候变暖现象显著；90年代前平均气温均低于历年平均温度，90年代后，气温上升速率增加，年均气温最高值出现在1998年(图1(b))。

根据图2榆林市四季平均气温逐年变化趋势可以看出，1951—2012年，春季和冬季平均气温增加明显，平均气温倾向率分别为0.25 ℃/a和0.36 ℃/a，其中冬季气温升幅最为显著。夏季气温升幅最小，平均气温倾向率仅为0.08 ℃/a。

2.1.3气温变化阶段性演变特征

根据榆林市年均气温距平累积变化特征，可以划分为1951—1989、1990—1999、2000—2012三个阶段(图3)。1951—1989年，平均气温为8.7 ℃，年均气温较为稳定、起伏较小，距平累积大多以负距平为主；1990—1999年，平均气温为9.1 ℃，年均气温波动较大、增长趋势显著，显著增加主要发生在1996—1999年，倾向率为1.50 ℃/a，距平累积主要以正距平为主；2000—2012年，年均气温出现明显的下降，2000—2010年年均气温下降了0.9 ℃。

图1 榆林市年均气温逐年变化趋势(a)及年代平均气温变化特征(b)Fig.1 Average annual temperature change trend year by year(a), and decadal average temperature variation characteristics(b) of Yulin City

图2 榆林市1951—2012年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均气温逐年变化特征Fig.2 The average temperature changes year by year in Yulin City from 1951 to 2012

图3 基于距平累积的年均气温变化阶段划分Fig.3 Steps dividing of annual average temperature variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

总的来说，榆林市平均气温经历了由冷变暖的演变过程，气温的变化趋势具有明显的阶段性，冷暖交替变化出现。即1951—1989年属于偏冷期；1989—1999年持续偏暖，特别是在1996—1999年年平均气温增加显著；1999年以后年均气温又略有下降，但相比1951—1989年仍略有增加。榆林市气温变化三个阶段信号与噪声比S/N均>1.0，全部通过突变检验(表3)。

表3 气温变化阶段划分突变检验

2.2降水变化特征分析

2.2.1总体特征

根据表4，榆林市1951—2012年多年平均年降水量为409.8 mm，总体偏少。其中春、夏、秋、冬四季的多年平均降水量分别为65.1 mm、237.6 mm、97.7 mm、9.0 mm，降水主要集中在夏季，尤其是在1959年夏季，降水量达到了406.6 mm，其次是秋季和春季，冬季降水量极少，尤其是1967年冬季，仅降水0.3 mm。从各个月份来看，榆林市历史极端最高降水出现在1959年8月，月降水量达到246.2 mm。

2.2.2降雨量历史变化规律

根据图4可以看出，1951—2012年，榆林市年际间降水量变化显著，总体呈微弱减少趋势，年降水量倾向率为-8.4 mm/a，通过ɑ趋势系数通过极显著水平检验。从各个年代来看，20世纪70—90年代，榆林市降水量出现较大的下降趋势，尤其是80和90两个年代，平均降水量均低于400 mm。各季节中，降水量降幅最大的是夏季，倾向率为-7.0 mm/a；其次是春季，倾向率为-2.4 mm/a；降幅最低的是冬季，倾向率仅为-0.1 mm/a(图5)。

2.2.3降水变化阶段性划分

根据榆林市年降水量距平累积变化特征，可以划分为1951—1970年、1971—1989年、1990—2012三个阶段(图6)。1951—1970年，年降水量呈明显上升趋势，倾向率为19.1 mm/a，距平累积基本上以正距平为主，此阶段平均年降水量为450 mm，显著增加主要发生在1957年以后；1971—1989年，年降水量呈缓慢下降趋势，波动幅度较小，此阶段平均年降水量为398.5 mm；1990—2012年，榆林市年降水量出现较大幅度下滑，尤其表现在1991—2000年，此阶段平均年降水量为385.0 mm。

表4 榆林市1951—2012年降水统计量

图4 榆林市1951—2012年间年均降水量逐年变化趋势(a)及年代平均降水量变化特征(b)Fig.4 Average annual precipitation change trend year by year(a), and decadal average rainfall variation characteristics of Yulin City from 1951 to 2012

图5 榆林市1951—2012年春季a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)间降水量逐年变化特征Fig.5 Rainfall annual variation characteristics of Yulin city from 1951 to 2012

图6 基于距平累积的年降水量变化阶段划分Fig.6 Steps dividing of annual precipitation variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

总的来说，榆林市在1951—2012年年降水量呈现微弱的减少趋势，但降水量逐年分配不均，波动幅度较大。全市降水变化三个阶段信号与噪声比S/N均>1.0，全部通过突变检验(表5)。

表5 降水变化阶段划分的突变检验

3 讨论与结论

榆林市过去60年的气温变化趋势表明，全市气候变暖趋势明显，年均气温增加倾向率为0.2 ℃/a，气温升高主要发生在20世纪90年代以后；四季气温变化中，冬季升温趋势较为明显，其次为春季和秋季，夏季升温趋势最为微弱；冬季和春季气温的升高是榆林市气候变暖的主要贡献因子。降水变化表明，全市降水在剧烈波动变化中趋于减少，年降水量减少倾向率为-8.4 mm/a。四季降水变化中，夏季降水量减少趋势最为明显，其次为春季，冬季降水减少趋势最为微弱，夏季降水减少是榆林市气候变干旱的主要贡献因子。总的来说，榆林市在1951—2012年间经历了由冷湿气候向暖干气候的转变，其中20世纪50和60年代为冷湿气候期，70和80年代为转型过渡期，1990年和2000年以后为暖干气候期。

榆林市地处大陆内部，属暖温带和温带半干早大陆性季风气候。冬季为西伯利亚反气旋控制，天气睛燥，多北风。春季天气很不稳定且有突变，空气干燥，风沙大，成为最干旱的季节。夏季为东南季风最盛、空中水汽最多的季节，但降水量逐年变化大，且多暴雨。秋季地面逐渐冷却，常有暖高压脊驻留，天气晴朗而且稳定。本区气候特点是冬寒夏凉，降水量少且分配不均，春季多风沙，霜冻时间长。气温升高对榆林市生态环境带来了较大的影响。直接影响为气温升高加剧了风沙天气和旱灾等气象灾害的发生，间接性影响为对植被生长条件的影响，延长植物生长周期，降低植被生产力。而降水减少，对于干旱半干旱地区来说，影响无疑是较大的，容易引起干旱灾害的发生，农作物产量降低，影响地区经济的发展，进一步增加榆林市生态系统脆弱性程度。

[1] 李克让, 曹明奎, 於琍, 等. 中国自然生态系统对气候变化的脆弱性评估[J]. 地理研宄, 2005, 24(5): 653- 663.

[2] 刘晓琼, 刘彦随, 延军平, 等. 生态脆弱区多年气候变化特征分析——以陕西榆林市为例[J]. 干旱区资源与环境, 2008, 22(1): 54- 59．

[3] 杨强, 覃志豪, 王涛, 等. 榆林地区1970—2010年气候因子变化特征分析[J]. 干旱区地理, 2012, (5): 695- 707.

[4] 刘海英, 贺文彬. 榆林近50年气温变化的气候特征及趋势预测[J]. 陕西气象, 1999(5): 7- 11.

[5] 何毅. 近60年来渭河流域气候变化研究[D]. 咸阳: 西北农林科技大学, 2012.

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Characteristics of Climate Factor Change in Ecological Fragile Area of North China During1951-2012

LI Chun-yan1, DENG Wei1,2, QI Jing1,2, TANG Yan-qiu1, DING Jia-jia1, SUN Rong3, SONG Dan1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 400020, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3.Institute of Chemical Industry, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The temperature and precipitation changes in Yulin city from 1951 to 2012 are studied based on the meteorological data using trend and accumulated variance analysis. The results indicate that: (1) The change of temperature shows that the warming trend of Yulin city is obvious, the annual average temperature increase tendency rate is 0.20 ℃/a. (2) The change of precipitation display that the precipitation in the strong changes tend to be less, the annual precipitation reduce tendency rate is 8.4 mm/a. (3) Yulin city experienced the moist-cold climate transformed into the dry-warm during 1951-2012. (4) The rise of temperatures contributed to the sandstorm weather and drought in Yulin city, and the occurrence of meteorological disasters. With reduced precipitation, to further enhance the degree of ecosystem vulnerability of Yulin city.

ecological fragile area; Yulin City; trend analysis; accumulated variance analysis; climatic change

10.14068/j.ceia.2017.05.017

X21

： A

： 2095-6444(2017)05-0078-06

2017-06-28

国家重大科技专项(2013ZX07104-004-05)；国家社科基金(16XJY017)

李春燕(1972—)，女，重庆人，主要从事环境规划与政策研究，E-mail：309223899@qq.com

邓伟(1983—)，男，博士，高级工程师，主要从事生态遥感研究，E-mail：20112001027@cqu.edu.cn