1961-2016年江西省气候时空变化特征

陆 晴, 闫 冰, 赵东升

(1.东华理工大学 测绘工程学院, 南昌 330013; 2.流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室, 南昌 330013; 3.江西省科学院能源研究所, 南昌 330096;4.中国科学院 地理科学与资源研究所， 中国科学院 陆地表层格局与模拟重点实验室, 北京100101)

气候变化对自然生态系统、社会和经济具有重大影响，也是众多研究者乃至政治家关注的焦点问题之一。全球气候变化特征以变暖为主，1880—2012年，全球平均地表温度升高了0.85℃，特别是近半个世纪以来，增温速率更为显著，几乎是1880年以来升温速率的两倍[1-2]。在全球持续变暖的背景下，中国气候变化与全球变化基本一致，但有一定差别。近100年来我国平均地表温度升高了0.5～0.8℃，增温幅度明显，略高于全球升温幅度均值(0.6℃ ±0.2℃)；降水量变化趋势不明显，但年代际之间存在较大波动，自1956年以来有微弱上升趋势[3]。近50 a来我国增暖现象更为明显，年平均气温增温速率达0.27℃/10 a，升温近1.35℃，主要开始于20世纪80年代中期[4]。

区域气候及其变化对人类生产、生活影响更为直接，因此对区域气候变化及其影响的研究更受关注[5-6]。青藏高原作为地球的“第三极”，其升温速率更为显著，近50 a来升温幅度达0.37℃/10 a[7]，明显高于全球平均水平；青藏高原气温整体呈波动上升趋势，但是存在突变特征，自1995年来升温幅度略有降低，增长速率为0.29℃/10 a[8]。此外，北方地方增温现象更甚于南方[9]，而西南地区从20世纪50年代至70 a呈现降温现象[10]，近30 a来转变为增温特征，增温幅度仅为0.18℃/10 a，2008年后才出现显著增温现象[11]。在我国降水波动变化趋势背景下，我国区域降水表现为以长江为界的南涝北旱分布特征，西北部地区降水总体呈增加趋势[12]，特别是自20世纪80年代至今[6,10]。与其他地区相比，我国干旱半干旱地区在未来表现为气温上升和降水增多最为明显的地区之一[13]。

在全球变暖趋势下，我国各地区气温和降水变化趋势在地理区域上呈现出一定的差异性，因此，观察各地气候变化情况具有一定的必要性。已有研究表明，对江西省的气候特征分析多为对气象站点的分析[14-15]，空间动态变化研究相对缺乏。为了分析江西省降水和气温在近期的时空变化规律，本文采用ANUSPLIN插值软件获得江西省气候因子在空间上的差异特征，应用中国气象科学数据共享服务网提供的近56 a来江西省及周边部分站点的降水、气温数据分析江西省降水量、平均气温、最高气温和最低气温的年、季节时空分布特征，以期为江西省气候变化状况提供数据基础，为生态环境、植被变化研究提供科学依据及数据支撑。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

江西省地处长江中下游南岸，东临浙江、福建，西接湖南，北毗湖北、安徽，南连广东，范围为24°29′14″—30°04′41″N，113°34′36″—118°28′58″E，总面积约16.70万km2。根据图1中高程分布情况可以看出，江西省地形呈东、南、西三面环山态势，形成以北部鄱阳湖为中心的盆地。该省地处亚热带季风气候区，雨水充沛，气候温和，日照充足，属于温暖带多雨气候。气温从北到南呈逐渐增加趋势，平原高于山区，冬冷、春寒、夏热、秋干。该地区雨、热资源丰富，是我国粮食的主产区。

图1 研究区位置和气象站点分布

1.2 数据来源

本文的基础气象数据为中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/site/index.html)提供的气象数据。本文选取了江西省内及周边的30个气象站点，剔除掉了江西省内3个数据缺失时段较长的站点数据(具体站点分布见图1)。气象数据为月值数据，时间序列为1961—2016年，包括降水量、平均气温、平均最高气温和平均最低气温。

1.3 研究方法

1.3.1 ANUSPLIN插值 本研究应用ANUSPLIN 4.3插值软件进行空间插值，得到分辨率为0.083 33°×0.083 33°的江西省空间气象数据。ANUSPLIN是由澳大利亚科学家Hutchinson基于薄盘样条理论开发的插值软件[16]，是针对气候要素数据曲面拟合的专用软件并得到了广泛应用[17-20]。ANUSPLIN系统编程使用FORTRAN语言，包括8个程序模块，本研究主要应用了SPLINA和LAPGRD两个模块。在进行降水和温度插值的过程中，均以经度、纬度作为自变量，而温度插值过程中以海拔作为协变量，降水插值未使用协变量。在降水插值过程中进行了开平方转换，以保证降水不为负值。

1.3.2 分析方法 采用一元线性回归方法分析各气象要素的时空变化速率及不同季节变化趋势。通过分析每个格点的各气象要素变化趋势可以获得其变化速率的空间分布，从而得知研究区内各气象要素在不同区域的变化情况。计算公式如下：

(1)

式中：n为年数；VARi为某年的栅格气象要素值或某一区域均值；Slope为栅格气象要素或某一区域气象要素均值多年变化速率。Slope>0说明气象要素在该时间段内呈增加趋势，反之则是减少。

2 结果与分析

2.1 江西省多年月均值气候要素特征

根据ANUSPLIN软件插值获得的月气候要素数据，获得近56 a来江西省区域内多年气候要素月均值(图2)。从降水量多年月均值可以看出，江西省降水主要分布在春季(3—5月)和夏季(6—8月)，占全年降水量的72.9%，最大降水量出现在6月，达280.8 mm。江西省气温在7月、8月最高，平均气温分别为28.2℃和27.6℃，最低在1月，为5.7℃；最高气温在7月最高，达33.1℃，1月最低为10.1℃；最低气温在7月和1月分别为24.5℃和2.7℃。

图2 1961-2016年江西省多年气候要素月均值

2.2 近56 a江西省气候要素时间变化特征

2.2.1 年变化特征 江西省1961—2016年降水量、平均气温、最高气温、最低气温年际变化如图3所示，江西省气温呈增加趋势，而降水则为波动态势。近56 a来，降水量变化速率为3.15 mm/a，但增加幅度不显著(p>0.05)；降水量年际变化幅度较大，最小值出现在1963年，为1 126.7 mm，最大值在1975年，达2 160.9 mm；20世纪90年代降水量处于较大值阶段，进入21世纪后减少，近几年有增加现象。

近56 a来，江西省气温呈显著增加趋势，特别是1998年后，气温距平值几乎均大于0。多年年均温增温幅度为0.196℃/10 a (p<0.001)，最高气温增温幅度为0.169℃/10 a (p<0.001)，最低气温增温幅度更甚，达0.25℃/10 a (p<0.001)；进入21世纪后，江西省气温增温幅度显著，仅2000年和2012年年均温和最高气温低于多年均值，而最低气温则均高于多年均值。分析近56 a来江西省多年年均温、最高气温和最低气温可以发现，最低气温增大是江西省气温上升的主要贡献者。

图3 1961-2016年江西省气候要素年际变化

2.2.2 季节变化特征 近56 a来，江西省季节降水量、平均气温、最高气温和最低气温的多年均值和变化情况见表1。根据表1得知，江西省季节降雨量最大值出现在春季，值为632.66 mm，秋季和冬季较少，均仅约220 mm；根据1961—2016年来江西省季节降水量变化速率发现，夏季呈显著增加趋势，增加速率为2.001 mm/a (p<0.05)。季节多年平均气温在夏季为26.6℃，变化不显著；春季、夏季、冬季多年平均气温均呈极显著增加趋势(p<0.01)，冬季多年平均气温最低(7.05℃)，但增加速率最大，为0.026℃/a。多年最高气温在较低温季节增温显著，春季增温幅度为0.027℃/a (p<0.01)，冬季为0.018℃/a (p<0.01)。多年最低气温在4个季节均呈显著增温趋势，在春、夏、秋季增温幅度均约0.02℃/a，而冬季达0.034℃/a。

表1 1961-2016年江西省气候要素季节均值、变化速率

注：下划线数据为通过95%置信度检验；*为95%置信度；**为99%置信度。

2.3 近56 a江西省气候要素空间变化特征

2.3.1 年变化特征 图4为江西省近56 a来降水量、平均气温、最高气温、最低气温多年均值空间分布特征。江西省降水量分布特征为由西向东呈逐渐增加趋势，最低值出现在赣西南地区，不超过1 500 mm，最高值在赣东北地区，近1 840 mm；江西省大部分地区降水量多集中在1 500～1 700 mm，约占江西省总面积的60%。平均气温、最高气温和最低气温空间分布特征较一致，表现为较高温分布在南部地区，而较低温则主要零星散布在江西省域内的周边地区。多年平均气温的最高值约为20℃，最低值不超过11℃，大部分地区平均气温集中在16～19℃，约占江西省总面积的83.1%；多年平均最高气温主要集中在20～24℃，该地区面积约占江西总面积的88%；江西省约92%地区的多年平均最低气温分布在12～16℃，主要分布在江西省的中部地区。

1961—2016年江西省降水量和气温年均值均呈上升趋势，但是变化程度在区域分布上具有一定差异(图5)。近56 a来，江西省各地区年降水量显示为增加趋势，但是增加趋势不显著；年降水量增加幅度较大区域主要分布江西省的东北部和中部地区，最大增加幅度为5.43 mm/a，江西省南部年降水量增加幅度较小，最小仅为0.79 mm/a。年平均气温、年均最高气温和最低气温变化趋势均呈极显著增加趋势(p<0.01)，在空间分布上略有差异。年平均气温较大增温幅度主要分布在江西省的东北部和中部地区，最大增温幅度为0.028℃/a；年均最高温较大增温幅度主要分布在中部以及东北部、西南部的零星地区，最大增温幅度为0.025℃/a；年均最低温则主要分布在江西省东北部，最大值达0.039℃/a，中部次之，约为0.030℃/a。

图4 1961-2016年江西省年气候要素均值空间分布

图5 1961-2016年江西省气候要素年均值变化趋势空间分布

2.3.2季节变化特征近56 a来，江西省降水、平均气温、最高气温和最低气温各季节多年均值如图6所示。不同季节降水量在空间分布上差异较大，春季，最大降水量达723 mm，较大降水量主要分布在东部地区，空间上表现为由东到西呈逐渐减小趋势；夏季降水量略低于春季，最大值不足700 mm，主要分布在东北部，由东北向西南逐渐减小；秋、冬季降水量较少，最大值不超过270 mm，秋季全省地区降水量较低，较大值出现在北部和西部小部分地区，而冬季较大值则在东北部、中部地区。

从江西省季节气温空间分布来看，平均气温、最高气温和最低气温在同一季节空间分布特征较一致，夏季最高，其次为秋季和春季，冬季最低。春季，不同类型气温均表现为江西省南部较高，中北部周边零星地区较低；夏季，平均气温和最高气温除江西省边界零星地区表现为较低值外，其余地区均较高，而最低气温的较高值则出现在中北部地区；秋季，南部地区气温较高，但是西北部平均气温较低；冬季，南部地区气温明显高于中北部。

从降水量多年季节变化特征来看，除夏季外，其余季节降水量变化幅度不显著。夏季降水量在江西省东北部变化最为显著，最大增加速率达4.67 mm/a (p<0.05)，变化显著区域占江西省总面积的26.8%。平均气温在春季和冬季增温速率更为显著，春季最大增温幅度达0.036℃/a (p<0.05)，较大增温幅度地区主要分布在中部和北部地区，南部地区变化较为微弱；冬季在全省区域表现为显著增温趋势，较大增温区域主要分布在东北部和中部小部分地区；夏季增温幅度最小，呈显著增温区域仅占江西省总面积的45.9%，主要分布在东北部和西南部、南部地区。最高气温呈显著增温趋势的区域明显小于平均气温和最低气温，春季和秋季增温较为显著，呈显著增温趋势的区域分别占全省总面积的85.8%和78.8%，春季主要分布在中北部，秋季分布在除东部和西部之外的地区；夏季在南部增温最为显著，而冬季则主要在东部偏上地区和中部。最低气温在各季节增温最为显著，特别是冬季，最大增温幅度达0.051℃/a (p<0.01)，分布在江西省北部地区；春季除在南部部分地区增温较微弱外，其他区域增温较为显著；夏季较大增温幅度主要分布在北部和中部地区，秋季则主要分布在北部地区。

3 讨 论

在全球变暖背景下，江西省近56 a来的气候变化特征主要以增温为主，降水变化趋势不显著。江西省的变暖特征主要以最低气温上升为主要贡献源，年最低气温上升幅度为0.25℃/10 a，低于全国的变化速率0.37℃/10 a[4]。鲁向晖等[15]研究表明，1961—2012年多年平均气温、最高气温、最低气温的增温速率分别为0.16，0.12，0.22℃/10 a，各气温因子增温速率均低于本研究结果的0.196，0.169，0.250℃/10 a，结果之间的差异主要是因为研究时段的不同，本研究的时段更长，到2016年，从图3气温变化趋势可知，自2013年来气温较高，特别是最低气温。丁一汇等[3]研究指出，20世纪主要出现了两个增暖时期，分别为20—40年代和80年代中后期，本研究结果与这一研究结论相符，据图3可发现，80年代开始江西省气温呈逐渐增加趋势。对比全国各区域气温变化特征，江西省气温上升速率较低，明显低于东北、华北、西北地区[9]。过去56 a间，江西省增温现象主要发生在冬季和春季，秋季较弱，夏季气温呈不显著降温趋势，这一研究结果与中国乃至全球的季节变化趋势较为一致[3,21]。

自1961年来，江西省年降水量增加速率为31.5 mm/10 a，呈波动变化上升趋势，虽然增加幅度未达显著水平，但是其波动增加量处于全国较大增幅区域，明显高于中部及西部地区[9]。其中20世纪90年代出现了降水大幅增加现象，这一结果与王遵娅等[10]的研究成果较一致。江西省降水量的增加主要发生在夏季，增加速率为20.01 mm/10 a (p<0.01)，冬季次之，秋季较弱，春季表现为弱微减小趋势。在全球气候变暖背景下，我国极端气候事件的发生频率和强度具有一定变化。近年来，全国平均暴雨和极端强降水事件发生频率和强度都有所增加，特别是长江中下游和东南地区[22]，江西省夏季降水量的显著增加与该地区的洪涝灾害频率和强度增大相一致。冬季降水增加趋势为9.78 mm/10 a，增加幅度大于秋季和春季，可能归因于冬季降水强度的增强[23-24]。冬季降水增加可能会导致极端气候灾害事件的发生，比如2008年的南方冰冻雨雪天气，对人们的交通、人身安全、农业以及经济造成了一定的损失。

鄱阳湖是我国最大的淡水湖，位于江西省的北部地区，属于亚热带季风气候区，湖边地区多为平原，鄱阳湖作为以野生白鹤为主的国家级自然保护区以及江西省的重要农业生产基地[25-26]，厘清该地区的气候变化特征能够为生态保护和农业发展起到重要支撑作用。从空间分布特征来看，江西省南部地区气温较高，鄱阳湖地区的气温高于周边海拔较高地区，但是降水量较大值主要分布在江西省东北部地区。鄱阳湖地区降水、气温的多年变化速率均呈增加趋势，且增加速率较周边地区大，降水增加速率约为50 mm/10 a，平均气温、最高气温、最低气温增温速率分别约为2.75，2.48，3.87℃/10 a，均高于丁明军等[27]的研究结果，主要原因是本研究的研究时段较长，而且是通过整个江西省及周边的国家气象站点进行ANUSPLIN插值的结果。从季节空间分布特征可知，鄱阳湖地区秋季多年降水均值及增加速率均高于其他地区，而在夏季则表现为较低温及较小增温速率。

本研究虽然采用ANUSPLIN软件插值方法获得了近56 a来江西省的时空变化特征，但是未分析在该时段内不同年代际降水、气温的变化规律，忽略了江西省气候变化的波动情况，这将在接下来的研究进一步进行阐明。除此之外，本文仅分析了气候变化的区域规律，并未考虑气候变化特征的成因机制，特别是江西省处于季风气候区，水系发达，在某种程度上对气候变化起到一定调节作用。在全球气候变化背景下，极端事件频发[28]，极端气温、降水在多年均值中被忽略，且江西省属于干旱洪涝灾害高发区[29]，为了深刻体现气候在年度尺度上的变化趋势，则应考虑各类极端气候对其贡献大小，以揭示气象灾害与环境风险之间的关系，为极端事件的预防及处理提供理论依据。

4 结 论

(1) 江西省多年年降水量均值呈波动增加趋势，增加速率为31.5 mm/10 a，20世纪60年代为枯水期，而90时代为丰水期；全年降水量约72.9%集中在春季和夏季，夏季降水量增加最为显著，增加速率达20.0 mm/10 a，冬季次之，春季变化较为微弱。

(2) 江西省气温呈显著增加趋势，特别是最低气温，年最低气温均值增温速率为0.250℃/10 a，年平均气温、最高气温分别为0.196，0.169℃/10 a；20世纪70年代处于气温较低值区域，80时代之后转为以增温为主导；最低气温在四季均呈显著增温趋势，特别是冬季，达0.34℃/10 a；最高气温仅在春季和冬季增温趋势显著，春季增温幅度较大，高于最低气温，而冬季则幅度较小，仅为0.18℃/10 a；平均气温除夏季变化较小外，其余3个季节均为显著增温趋势。

(3) 年降水量在空间上表现为由西向东呈增加趋势，变化区间范围为1 463～1 840 mm，约60%区域的年降水量集中在1 500～1 700 mm；降水量在季节上具有一定的空间差异，特别是秋季；年降水量变化趋势不显著，增加速率较大区域主要分布在江西省的东北部和中部地区，最大值为54.3 mm/10 a，最小值仅为7.9 mm/10 a，在江西省南部地区；夏季降水量在江西省东北部变化最为显著，最大增大速率达4.67 mm/a (p<0.05)，其他季节变化趋势不明显。

(4) 气温的较高值主要分布在江西省的南部，较低值则分散在鄱阳湖周边；年平均气温、年均最高气温、年均最低气温的较大增温趋势区域主要分布在江西省的北部和中部地区，最大增温速率分别为0.28，0.25，0.39℃/10 a；平均气温、最高气温和最低气温在同一季节空间分布特征较一致，夏季气温在鄱阳湖地区较高，其他季节则在江西省南部地区呈现出较高温；平均气温在各季节的较大增温区域均分布在江西省的北部和中部地区；最高气温在不同季节的空间分布差异较大，春季较大增温区域主要分布在中北部地区，夏季在南部地区，秋季在西北地区，而冬季则主要在东部偏上和中部地区；最低气温在不同季节空间分布特征与平均气温较为一致，最低气温在各季节增温最为显著，特别是冬季，最大增温幅度达0.051℃/a (p<0.01)，分布在江西省北部地区。