安徽省近56年气候要素时空演变特征

任秀真,徐光来,刘永婷,杨先成

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院,安徽 芜湖 241002; 2.安徽自然灾害过程与防控研究省级实验室,安徽 芜湖 241002)

据IPCC第五次评估可知，全球地表平均气温在1880—2012年升高0.85℃[1]；近百年来，中国平均气温升高0.5～0.8℃[2-3]，气候变暖已成事实。同时中国极端降水事件呈增加趋势[4]，且降水量时空变化存在一定的地域性差异[5]。气温与降水不仅是主要的气候因子，也是旱涝的直接表征量[6]，因此研究气温与降水时空变化对于识别全球背景下的区域气候特征具有重要意义。

近年来，关于气候变化问题，国内很多学者在不同区域做了大量的研究工作。阿多等[7]、王文静等[8]、姜永见等[9]、李高伟等[10]以较大范围为研究区，利用因子分析、气候趋势分析、气候突变分析、气候周期分析等方法探索华北平原、华南地区、青藏高原、黄河三角洲等地区年及四季气候要素特征，揭示了中国北方地区平均气温的升高速率明显高于全国平均气温的升高水平，而自20世纪中期以来，降水量表现为东部减少，西部增加，中部变化不明显的特征。此外，也有不少学者以省级行政区为研究区探讨气候变化特征，如燕玉超等[11-12]研究得出1960—2013年河南省和山东省气温均呈上升趋势，降水量均呈微弱的减少趋势；杜华明等[13]得出四川省近52 a气候呈现暖干化趋势；龚强等[14]得出辽宁省年平均、最高和最低气温均升高，年降水量整体上呈现减少的态势。

然而，以上研究多是对气候要素年际变化或四季变化特征进行研究，对多个气候要素多时间尺度(年、季、月)研究相对较少。同时，中国地区气候变化受ENSO(El Nio/La Nia-Southern Oscillation)影响较大[15-16]，而针对安徽省气候要素与ENSO关系的研究还相对缺乏。由于气候多变、地形复杂，气候变化对安徽省农业生产影响日趋严峻[17]。因此，探讨安徽省气候变化时空特征，并进一步探讨气温和降水量的趋势变化与ENSO的关系十分必要。

本文选取安徽省1960—2015年17个气象站及周边9个气象站逐日平均气温和降水量数据及1960—2015年逐月ENSO数据，对其气温及降水量时空特征进行综合分析，并进一步探讨气温、降水量与ENSO的关系。本文研究成果以期为安徽省气候变暖、水资源管理、农业生产等社会生产实践提供参考。

1 研究区概况

安徽省位于我国东部，东经114°54′—119°37′，北纬29°41′—34°38′，跨新安江、淮河、长江三大流域。存在多种地貌类型，山地、丘陵和平原南北相间分布，各气象站点海拔高度具有差异，其中海拔最高的黄山站1 840.4 m，最低的安庆站仅19.8 m(图1)。安徽省具有淮北平原、江淮地区(江淮丘陵)和江南地区(皖南山区)三大自然区域。是亚热带与暖温带的过渡地带，冬夏两季分别盛行偏北风和偏南风，而夏季气温较高，天气变化剧烈，自然灾害发生频繁。年平均气温15.49℃，年平均降水量1 195.6 mm，降水量具有山区多于平原和丘陵、南多于北的特点。安徽省作为重要粮食产区，气温和降水对其影响较大[17]。

图1 研究区及气象站点分布

2 数据及方法

2.1 数据来源与处理

气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，主要包括1960—2015年安徽省17个气象站点和安徽省周边9个气象站点逐日平均气温及降水量数据。该数据在发布前就进行了时间序列一致性检验，在数据预处理过程中进行了一定的质量控制，对少数缺测年份数据采用相邻站点线性回归的方式进行插补，使所选取的气象站点数据均具有较好的时间序列连续性。本文探讨气候要素与多变量ENSO指数(MEI,Multivariate ENSO Index)的关系。逐月MEI指数数据来源于美国国家环境预报中心(NCPE)与美国国家大气研究中心(NCAR)，数据时段同气象数据相同(1960—2015年)，MEI包含丰富的信息及能很好的对海气耦合系统本质进行反映[18]。

文中年、季、月气温、降水为各站点的平均值，采用普通克里金插值法对年和四季平均气温、降水进行空间插值，并分析各气象站点气温、降水Mann-Kendall(M-K)变化趋势。文中四季时段为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)[19]。

2.2 研究方法

2.2.1 气候倾向率 利用一元线性回归法计算安徽省年、季、月平均气温与降水量的气候倾向率，分析安徽省气候要素时间演变特征。一元线性回归方程计算公式为：

y=kt+bt=1,2,3,…,n

(1)

式中：y表示样本量是n的某一气候要素(气温或降水量)；t表示与y对应的年序；k表示回归系数，用k的10倍(即10k)来表示气候要素的气候倾向率。

2.2.2 MK检验 采用Mann-Kendall(MK)趋势检验对安徽省及周边26个气象站点1960—2015年年及四季平均气温和降水量序列趋势变化进行检验。MK趋势检验是一种计算方法简单的非参数统计检验方法，是现阶段比较常用的变化趋势诊断方法，其计算方法详见参考文献[20]。选定0.001，0.01，0.05，0.1的显著性水平作为气候要素变化趋势判定标准，其MK统计量(Z)的绝对值分别对应3.29，2.58，1.96，1.645。

Mann-Kendall(MK)突变检验用于分析安徽省年及四季平均气温、降水量突变现象，并结合滑动T检验来确定气温和降水的突变点。MK是一种非参数突变检验方法，在检验过程中，正序列曲线UF超过95%的显著性检验值临界线的情况下，如果UF和反序列UB曲线仅存在一个明显的交点，同时该交点位于两临界线内，说明此交点为突变点，且在统计意义上显著，其计算步骤及原理详见参考文献[20]。若交点位于临界线之外，或者存在多个明显的交点，则不确定其是否为突变点，则依据滑动T检验，其计算步骤见参考文献[20]。

2.2.3 交叉小波变换 交叉小波变换是将传统小波作为基础，发展的一种能有效分析时间序列之间关系的时频分析技术，反映时、频域上的位相结构与细部特征[21]，并用红色噪音标准谱其进行显著性检验[22]。本文基于MATLAB R 2012软件，探究ENSO与安徽省气温和降水量在时间变化上的相关关系。

交叉小波变换图中各要素含义如下：能量密度的相对变化用颜色深浅表明，区内黑色粗实线区域为通过显著性水平0.05条件下的红噪声检验；黑色细实线所包括的区域为有效谱值区；相位差使用不同箭头表示，→表示两要素变化相位一致，←表示两要素变化位相相反，↑表示ENSO变化超前气温和降水3个月，↓表示ENSO变化落后气温和降水变化3个月[23]。

3 结果与分析

3.1 气候要素时间变化特征

近56 a安徽省年及春、秋、冬三季平均气温上升显著(表1)。年均气温为15.2℃，以0.2℃/10 a的幅度显著上升(p<0.001)，略低于全国变暖趋势0.25℃/10 a[24]，高于全球近50 a的变暖趋势0.13℃/10 a[25]，这与刘永婷等[26]研究结果基本一致。四季气温均呈上升趋势，其变化幅度顺序为春季>冬季>秋季>夏季，除夏季变化幅度不显著外，春、冬、秋季变化幅度都通过99.9%的置信度检验。逐月气温变化方面(表1)，趋势变化除8月份(-0.07℃/10 a)外，其余月份均呈增加趋势，最大增加幅度为2月份(0.47℃/10 a)，最小增加幅度为7月份(0.05℃/10 a)，且除夏季的3个月份、秋季的11月份和冬季的12月份没有通过显著性检验外，其余月份气温变化趋势均通过显著性检验，其中春季的5月份、秋季的10月份和冬季的2月份更是通过了0.001的显著性检验。

近56 a安徽省冬季降水量增加明显(表1)。安徽省多年平均降水量1 196.9 mm，年均降水量以9.95 mm/10 a的幅度上升，上升趋势未达到显著性水平，这与曾婷等[27]研究结果基本一致。冬季降水以7.5 mm/10 a的幅度增加，趋势明显(p<0.05)。春季、夏季和秋季降水量变化均不显著(p>0.05)。逐月降水变化方面(表1)，夏季的3个月份、秋季的11月份和冬季的3个月份呈增加趋势，最大增加幅度在6月份(8.75 mm/10 a)，最小在11月份(0.86 mm/10 a)；而在春季的3个月份、秋季的9月份和10月份呈减少趋势，最大减小幅度在4月份(-4.97 mm/10 a)，最小在3月份(0.36 mm/10 a)。且降水量变化除8月份通过0.05的显著性检验以外，其余月份均未通过显著性检验。

3.2 气候要素空间变化特征

1960—2015年安徽省年及四季气温区域性分异显著，总体上都呈现江淮地区气温要高于淮北平原和江南地区的特点(图2)。年、秋季和冬季除桐城站以外其余各地区气温均呈显著上升，通过0.001显著性检验的站点数量多少顺序为年>冬季>秋季。气温在年和春季的变化空间分布较为一致，春季各站点气温变化均呈上升趋势且均通过显著性检验，在砀山、霍山、巢湖、桐城等地区气温变化趋势春季均高于年，安徽省内其余地区年和春季均通过0.001的显著性检验。秋季气温空间分布基本上从西北至东南地区呈现出低—高—低的格局，而冬季江淮地区呈现西高东低的格局。夏季气温变化趋势复杂，除少部分安徽省北部地区站点及黄山地区通过显著性检验呈上升或下降趋势外，南部及中部大部分地区站点呈不显著上升趋势，沿淮地区呈不显著下降趋势。安徽省近56 a来各地区年温差为9.4℃，各地区四季平均温差为9.8℃，温差最大在夏季为10.9℃，最小在冬季为7.8℃。可见，在安徽省内，年及四季气温高值出现在江淮地区，最低气温除冬季出现在北部地区以外，其余季节最低气温均出现在南部的黄山地区。

表1 安徽省1960-2015年平均气温和降水量变化倾向率

安徽省年及四季降水量空间分布在纬度上均随纬度增加而减少，同时夏季安徽省北部地区降水量由西向东逐渐增加，年和四季降水量高值区都出现在南部山区(图3)。全年降水量变化在安徽省北部地区除寿县外其余站点均呈下降趋势，南部地区除黄山外其余地区均呈上升趋势；春季除北部地区的亳州和砀山外其余地区均呈下降趋势；夏季南部地区部分站点呈显著上升趋势，冬季南部地区全部站点和北部地区部分站点呈显著上升趋势；秋季各地区均呈下降趋势。总体而言，安徽省降水量空间分布在纬度上呈南高北低的格局，即山区降水量高于平原地区，而降水量变化在季节上存在差异，冬、夏季通过0.01显著性水平检验的站点数分别为50%和23%，年和春、秋季各地区变化趋势不显著。

图2安徽省全年和四季平均气温及MK趋势变化空间分布

图3安徽省全年和四季降水量及MK趋势变化空间分布

3.3 气候要素突变特征

为进一步分析年和四季气温及降水量的变化趋势，利用MK方法对安徽省近56 a年均气温及降水量进行突变检验并使用滑动T检验进行验证(图4)。近56 a安徽省气温突变点为1994年(图4A)，1994年后气温明显升高，且从2001年开始，UF曲线超过95%置信度临界线，气温在突变前(14.9℃)比突变后(15.7℃)升高0.8℃。春季气温于1999年发生突变，从2004年开始UF曲线超过95%置信度临界线，气温在1999年突变前(14.7℃)比突变后(15.8℃)升高1.1℃。夏季气温UF与UB序列存在多个交点，结合滑动T检验，夏季气温没有发生突变。秋季气温在1996年发生突变，从2004年开始UF曲线超过95%置信度临界线，气温显著上升；气温在1996年突变前(16℃)比突变后(16.8℃)显著升高0.8℃。冬季气温在1988年发生突变，从1993年开始UF曲线超过95%置信度临界线，气温在1993年突变前(3.1℃)比突变后(4.0℃)升高0.9℃。显然，安徽省近56 a在季节变化上，春季气温变化最明显。

近56 a安徽省降水量年、春季和秋季UF与UB序列存在多个交点，结合滑动T检验，其存在的可能突变点分别为1969年、1993年和1988年。夏冬两季UF与UB序列亦存在多个交点，结合滑动T检验，夏冬两季降水量均无突变。

3.4 气候要素与ENSO的关系特征

安徽省年均气温、降水量与ENSO指数(MEI)序列进行交叉小波变换，得到1960—2015年安徽省气温和降水与MEI的连续小波谱、交叉小波能量谱和交叉小波凝聚谱(图5)。在95%置信度下，安徽省气温和降水连续小波谱有如下特征(图5A—C)，年均气温存在两个显著周期，分别为4 a左右(1976—1981年)和3～5 a(1992—2001年)的显著周期。年降水量也具有两个显著周期，分别为6 a(1975—1978年)和4 a左右的周期(1993—2003年)。ENSO存在3个显著周期分别为3 a(1972—1976年)，4 a(1985年)和5 a左右的周期(1990—2000年)。结果显示，安徽省气温、降水和ENSO在时、频域上均具有显著的周期变化，同时时频结构存在一定的相似性，尤其是3～5 a的周期均在1992—2000年。

气温、降水和ENSO的交叉小波能量谱和小波凝聚谱显示：年均温和年降水量交叉小波能量谱(图5D)具有两个显著周期，分别为2～4 a(1975—1980年)和3～4 a的周期(1994—2003年)，两者高能量区分别集中在1976—1980年和1996—2000年，位相差都表明气温和降水为负相关。而小波凝聚谱(图5G)显示：气温和降水存在11～16 a(1978—1982年)和5 a(2002—2004年)左右的共振周期。位相差表明其为显著的负相关，且降水相对滞后于气温变化。

图4安徽省全年和四季平均气温、降水量的Mann-Kendall突变检验

降水量和MEI交叉小波能量谱(图5E)存在3 a(1981—1987年)，4 a(1998—2002年)和6 a(1991—1998年)左右的周期；高能量区主要集中于1982—1986年、1994—1998年和1998—2001年，其位相关系为前者表现为降水量和MEI呈正相关，后两者表现为负相关；小波凝聚谱(图5H)存在一个16 a(1984年)左右的共振周期，位相差表明其为显著的负相关。

气温和MEI交叉小波能量谱(图5F)存在2 a(1973—1978年)，2～4 a(1992—2001年)的周期；前者在高能量区表现气温和MEI存在负相关关系，后者在高能量区表现为正相关。气温和MEI小波凝聚谱(图5I)存在6 a(1968—1976年)和3～4 a(1994—2005年)的长周期，其位相关系均为正相关。

4 讨 论

通过对安徽省年均气温及降水量变化趋势的研究，发现安徽省年均气温呈现上升趋势(0.20℃/10 a)，与周边省份相比(表2)，气温上升幅度大于山东省和江西省，小于河南省和江苏省，与浙江省和湖北省趋近。降水量增加趋势不显著(9.95 mm/10 a)，与周边省份相比(表2)，变化趋势与河南省和山东省相反，与浙江省、江西省和湖北省相同，其变化幅度大于河南省和湖北省，小于山东省、浙江省和江西省。安徽省气温变化幅度与其他相邻地区相差不大，而降水变化幅度偏高(表2)，同时从本文使用的气象站点数据角度出发，说明安徽省年平均气温与周边地区平均气温变化存在一致性，而降水量变化在安徽省与周边地区存在差异性。降水量深受地形影响，安徽省地形相对复杂，文中在对降水量进行空间插值时未考虑各气象站点的高程对降水量的影响，但安徽省省内年降水量变化与纬度存在显著相关性达-0.483(p<0.05)。

表2 安徽省及周边省份气候倾向率

与以往研究不同的是，本研究增加了对安徽省每月平均气温及降水量变化趋势的研究，并探讨了四季平均气温及降水量变化最大贡献月份。春秋冬三季降水量变化最大月份均在平均气温变化最大月份前一个月，而平均气温和降水量周期变化存在显著相关(图5)，说明春、秋、冬季平均气温变化可能与降水量变化有关。

注：A—C连续小波谱；D—F交叉小波能量谱；G—I小波凝聚谱。

图5安徽省气温、降水与ENSO指数(MEI)交叉小波变换

5 结 论

(1) 时间变化上，年均气温呈现上升趋势，变化幅度(0.20℃/10 a，p<0.001)高于全球变化幅度而低于全国变化幅度。四季气温均呈上升趋势，其变化幅度依次为春季>冬季>秋季>夏季，除夏季变化幅度不显著外，春季、冬季和秋季变化幅度均通过99.9%的置信度检验；1月、2月、3月、4月、5月、9月、10月份气温增大达到显著性水平(p<0.05)，其余月份气温未达到显著性水平。多年平均降水量以9.95 mm/10 a的幅度上升，但未达到显著性水平(p>0.1),四季降水量变化趋势差异显著，春、秋季均呈不显著下降趋势，夏、冬季降水量呈上升趋势，冬季上升趋势显著(p<0.05)。除8月份降水量增加通过0.05的显著性检验外，其余月份降水量变化均未通过显著性检验。

(2) 空间变化上，安徽省年及四季气温均呈现江淮地区气温要高于淮北平原和江南地区的格局，在年和春季的变化空间分布较为一致，春季各站点气温变化均呈上升趋势且均通过显著性检验，秋季基本上从西北至东南地区呈现出低—高—低的格局，冬季江淮地区呈现西高东低的格局，而夏季变化复杂，各地区年温差为9.4℃，四季平均温差为9.8℃，温差最大在夏季为10.9℃，最小在冬季为7.8℃。年及四季降水量在纬度上均随纬度增加而减少，同时降水量高值区均出现在南部山区，冬、夏季各地区变化趋势明显，年和春、秋季各地区变化趋势不显著。

(3) 突变节点上，安徽省气温在1994年发生突变，气温显著升高0.8℃，春夏秋冬四季除夏季外其余季节分别在1999年、1996年和1988年发生突变，突变后与突变前相比，春季变化最明显显著升高1.1℃，秋冬两季分别显著上升0.8℃和0.9℃。年和春、秋季降水量均没有发生突变，夏、冬季分别在1979年和1983年发生突变，突变后与突变前相比，冬季降水量变化最为明显，显著增加23.9 mm。

(4) 周期波动上，安徽省气温、降水和ENSO(MEI)具有3～5 a的显著周期，其时频分布上具有一定程度的相似性，主要集中在20世纪60，80，90年代，年降水量周期相较年均温周期在时间上相对滞后。气温、降水和ENSO的关系表现为局部相关，这说明安徽省的气温和降水的变化不仅受全球气候变化大背景的影响，现阶段人类活动日益活跃，它也可能正在深刻影响气候因子的变化。