赣江流域气象因子时空变化特征与成因分析

刘明霞 ，刘友存 ，刘燕 ，许燕颖 ，刘正芳 ，乔丽潘古丽·吐尔洪，邹杰平

（江西理工大学，a. 建筑与测绘工程学院；b. 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

20 世纪50 年代以来，全球气候发生急剧变化，气温升高，气候变暖十分明显[1-2]。 IPCC 第5 次评估报告指出：1880—2012 年全球平均地表温度升高0.85 ℃[3]，1998—2008 年出现了全球变暖趋缓现象[4]，但近几年全球气温呈明显上升趋势。 气候变暖增加极端天气与气候事件的发生频率、强度和持续时间[5-6]。如2003 年和2010 年夏季的欧洲热浪，2008 年中国南方雪灾，以及 2010 年中国西南大旱等，给人类活动带来极大的影响[7]。 世界银行研究表明，如果人类不采取措施来应对气候变化，到 2030 年将有 1 亿气候难民，而到2050 年主要作物的产量将比现在减少25%，发展中国家将可能遭受每年1.7 万亿美元的经济损失[8-10]。

国家气候变化评估报告指出，近100 年来中国年平均温度上升了0.5~0.8 ℃，尤其是近50 年来的增温速率高于全球平均值，降水变化趋势不明显，但年际波动较大[11]。 Song 等[12]研究发现中国大部分地区的地表相对湿度呈减小趋势。作为鄱阳湖流域最大的支流，赣江从南到北贯穿整个江西省，为省内最大的河流。目前，已有一些学者对赣江流域进行了研究，张余庆等[13]指出赣江流域1966—2005 年发生了6 次中旱和7 次中涝事件。 刘卫林等[14]基于CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 模式和 SDSM (Statistical Down Scaling Model )对赣江流域的天气过程和极端降水进行了预测。 刘璇等[15]认为在不同温室气体排放情况下，赣江流域年降水量和年蒸发量及年径流量将呈显著增加趋势。 总之，对赣江流域的水文过程已开展了一系列的研究工作[16-18]，并取得了较好的研究成果。 然而针对赣江流域气候特征的分析研究，尤其是对气象因子变化特征及其驱动机制的研究还不多见。本文基于赣江流域逐日气象资料和气候指数数据，分析研究了在全球气候变化背景下，赣江流域气象因子的时空变化特征及其驱动因素，从而为流域气象灾害防治和水资源评价提供数据支撑和科学依据。

1 研究区概况

赣江干流长766.0 km，并有13 条主要的支流汇入[16]。 赣江是长江的主干支流之一，位于长江中下游南岸，发源于赣闽交界的武夷山西麓，自南向北纵贯江西省。 地理位置 113°30′~116°40′E，24°29′~29°11′N，流域集水面积 80,948 km2，如图 1 所示。 整个赣江流域呈现山地丘陵为主体的地貌格局，山地丘陵占流域面积的64.7%，岗地占31.5%，平原和水域等仅占3.9%[16]。 属于亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量丰沛[15]。 多年平均气温 17.8 ℃，南部高北部低；多年平均降水量1600.0 mm，春、夏之交降水多，秋、冬季节降水少[13]。 上半年降水多易洪涝，下半年降水少易干旱。

图1 赣江流域位置及气象站点分布

2 资料与研究方法

2.1 资料来源

选取赣江流域1959—2017 年11 个主要国家气象站点（宜春、吉安、井冈山、遂川、赣州、南昌、樟树、广昌、长汀、南雄和寻乌）的逐日气象资料，包括气温(TEM)、降水（PRE）、蒸发（EVP）和相对湿度（RHU）等。 资料来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。 AO、NAO 、Niño 3.4、PDO、SOI、WP 和 NOI气候指数数据来自美国国家海洋与大气管理局（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。EASMI、SASMI 气候指数数据来自李建平教授的个人主页http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/65540 及其已发表的研究论文[19]，四季划分参照气候学的划分方法，春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）和冬季（12 月—翌年 2 月）。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall 检验

Mann-Kendall(M-K)检验是非参数统计检验，采用该方法对不符合一定分布规律的样本数据进行检验，可减少异常值和定量分析时间变化趋势。 因此，运用M-K 检验方法对赣江流域气象因子进行时间序列的趋势分析和突变检验。 M-K 检验公式[20]：

其中，xk和xt为样本数据值；n 为数据集合长度；t为时间序列。

2.2.2 小波分析

小波分析是用一簇小波函数来逼近某一信号或函数，从而得到原始信号在不同尺度上的周期性变化特征。交叉小波变换是将小波变换与交叉谱分析相结合，从多时间尺度研究两个时间序列在时频域中的相互关系，它是一种新的信号分析技术。 运用交叉小波变换能较好地分析气象要素对大尺度气候指数的响应机制及原因[20]。 对于任意两个时间序列X 和Y 之间的交叉小波功率谱（XWT）定义为[21]：

3 结果与分析

3.1 赣江流域气象因子变化趋势

赣江流域1959—2017 年各气象因子的年变化趋势如图2。近60 年来年平均气温为18.3 ℃，气温呈微弱上升趋势，倾向率为 0.17 ℃·（10 a）-1。1998 年以前气温多为负距平，嗣后多为正距平，说明近20年来气候变暖加快。 1959—1970 年气温呈下降趋势，1971—2017 年呈波动上升趋势。 年平均降水量为1625.18 mm，降水量呈上升趋势，倾向率为17.48 mm·（10a）-1。其正负距平相间分布，表明降水量年际波动较大，整体上呈波动上升趋势。 年平均蒸发量为 1186.86 mm，倾向率为-127.63 mm·（10 a）-1，整体上呈显著下降趋势，只有在1965—1978 年呈上升趋势。而在1988 年以前蒸发量多为正距平，嗣后为负距平，表明1988 年以后蒸发量下降趋势更加显著。年平均相对湿度为78.82%，相对湿度呈微弱下降趋势，倾向率为-0.27%·（10 a）-1。在 2003 年以前相对湿度正负距平相间分布，而在2003—2015 年为负距平，2015 年以后为正距平。

3.2 赣江流域气象因子突变分析

应用M-K 检验方法对赣江流域1959—2017 年各气象因子的时间变化特征进行了突变检验，UF为各气象因子的顺序统计曲线 （实线），UB 为各气象因子的逆序统计曲线（虚线），并给定显著性水平α＝0.05，临界线 U=±1.96，如图 3 所示。

图3 1959—2017 年赣江流域各气象因子M-K 突变检验

图3（a）为气温的M-K 检验，可以看出气温的突变年份为2004 年。 1959—1976 年呈现下降趋势，其余年份呈现上升趋势。 图3（b）为降水量的M-K 检验，可以看出降水量在 1962—1967 年、1984—1991 年和 2002—2014 年 3 个时间段呈下降趋势，其余年份呈现上升趋势。突变年份为1991 年、2001 年和 2014 年。 1991 年后呈现上升趋势，2001 年后呈现下降趋势，2014 年后再次呈现上升趋势。图3（c）为蒸发量的M-K 检验，可以看出蒸发量在1963—1967 年和 1983—2017 年 2 个时间段呈下降趋势，其余年份呈现波动上升趋势，突变年份为1990 年。 图 3（d）为相对湿度的 M-K 检验，可以看出相对湿度在1961—1963 年和2002—2014 年2个时间段呈现下降趋势，其余年份呈现波动的上升趋势。 突变年份为 1964 年和 2002 年，1964 年后呈现波动的上升趋势，而在2002 年后呈现显著下降趋势。

3.3 赣江流域气象因子空间分布特征

赣江流域1959—2017 年各气象因子空间分布如图4 所示。 从图4 中可以看出，流域内东部和南部年平均气温较高，西北部较低。 其中井冈山地区最低为14.52 ℃，井冈山气象站海拔843 m，远高于其他气象站海拔，海拔每升高100 m，气温下降0.6 ℃，因此年平均气温最低。 流域内东部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 而赣江中游地区为全流域降水量低值区，近60 年来吉泰盆地和赣南几乎没有发生过大暴雨和洪涝灾害。流域降水量山区大于中部丘陵盆地，东部大于西部。流域内东部和南部年平均蒸发量较大，西北部较小。 而鄱阳湖湖滨地区蒸发最强，吉泰盆地和赣南腹地次之，山区最弱。 流域内东部和西北部年平均相对湿度较大，西南部和东北部较小。 山区的相对湿度高于丘陵盆地。

3.4 赣江流域气象因子与气候指数的关系

3.4.1 赣江流域气象因子与气候指数的相关性分析

气温和降水作为反映一个地区气候变化的重要因素，又直接受到区域性的大气环流影响。 因此，选取 AO、NAO、ENSO（Niño 3.4）、NP、PDO、SOI、WP、NOI、EASMI （The East Asian Summer Monsoon Index）和SASMI（The South Asian Summer Monsoon Index）气候指数，分析赣江流域四季及全年的气温和降水量与各个气候指数的相关性。表1 为气温与各气候指数的相关系数，赣江流域春季气温与AO 指数呈现显著的正相关，当AO 处于正相位时，北极的冷空气很难向南扩展，因而流域内春季气温偏高[22]。夏季气温与Niño 3.4 指数呈现显著的负相关，而与NOI 和SOI 指数分别呈现显著和极显著的正相关。厄尔尼诺现象影响我国春、夏季节的气候形势，使我国南方地区多降水，气温偏低。因此，夏季气温与Niño 3.4 指数呈现显著的负相关[23]。 由于 Niño 3.4与SOI 呈现负相关，所以SOI 指数与夏季气温呈现正相关。 而NOI 指数越高，拉尼娜现象越活跃，使我国易出现热夏和冷冬，亦使赣江流域夏季气温偏高。秋季气温与PDO 指数呈现显著的负相关。冬季气温与Niño 3.4 呈现显著的正相关，而与WP 指数呈现极显著的正相关。 当厄尔尼诺发生时，亚洲季风偏弱，而气温冬高夏低。 因此，Niño 3.4 指数与冬季气温呈现正相关。 在WP 指数高值年，我国的冬季风变弱，使冬季气温偏高。 因此，WP 指数与冬季气温呈现正相关[24]。 全年平均气温与各气候指数无显著的相关性。

图4 1959—2017 年赣江流域各气象因子空间分布

表1 气温与各气候指数的相关系数

表2 为降水量与各气候指数的相关系数。 从表2 可以看出，赣江流域春季降水量与NAO 和SOI 指数呈现显著负相关，与AO 指数呈现极显著负相关，与Niño 3.4 和 PDO 指数呈现极显著正相关。当厄尔尼诺发生时，我国南方地区多降水，因而Niño 3.4 指数与流域内春季降水量呈现正相关。 由于Niño 3.4 与PDO 和 SOI 分别呈现正相关和负相关，所以PDO 和SOI 指数与春季降水量分别呈现正相关和负相关。夏季降水量与各气候指数的相关性不显著。秋季降水量与Niño 3.4 指数呈现显著正相关。 冬季降水量与 NAO 和 Niño 3.4 指数呈现显著正相关，而与SOI 指数呈现极显著负相关。 冬季NAO 指数偏高，可导致西伯利亚高压和东亚冬季风减弱，使赣江流域冬季降水量增加[25]。 因此，冬季降水量与NAO 指数呈现正相关。 当厄尔尼诺发生时，我国南方地区多降水。 由于 Niño 3.4 指数和SOI 指数呈现负相关，冬季降水量与SOI 指数也呈现负相关[26]。 全年平均降水量与各气候指数无显著的相关性。

3.4.2 气温和降水与气候指数的交叉小波分析

选择表1 和表2 中与气温和降水量呈现极显著相关的气候指数 AO、SOI、PDO 和 Niño 3.4，采用交叉小波分析了赣江流域气温和降水量与同期大尺度气候指数的关系。 图5 为气温和降水量与气候指数的交叉小波功率谱，气温与AO 在1964—1968 年存在1.0～2.0 a 的负位相显著共振关系，即负相关。气温与 AO 在 1978—2002 年存在 2.0～5.0 a 的显著共振周期，平均位相角右上接近45°，气温略滞后于AO，表现出一定的正位相共振关系，即正相关。 气温与 AO 在 2009—2012 年存在 2.5～4.0 a 的显著共振周期，平均位相角左下接近45°，气温略提前于AO，表现出一定的负位相共振关系，即负相关。 气温与 SOI 在 1975—2002 年存在 2.0～5.5 a的显著共振周期，平均位相角右下接近45°，气温略提前于SOI，表现出一定的负位相共振关系，即负相关。 气温与 SOI 在 2009—2013 年存在 2.0～3.0 a 的显著共振关系，平均位相角垂直向下90°，气温提前于SOI。气温与PDO 在1981—2001年存在2.0~6.0 a 的负位相的显著共振关系，即负相关。 气温与PDO 在2008—2011 年存在2.5~3.5 a 的正位相显著共振关系，即正相关。 气温与 Niño 3.4 在1976—2002 年存在2.0~6.0 a 的正位相显著共振关系，即正相关。气温与 Niño 3.4 在 2009—2013 年存在2.0~3.0 a 的显著共振关系，平均位相角垂直向上 90°，说明气温滞后于 Niño 3.4。

表2 降水量与各气候指数的相关系数

图5 气温和降水量与气候指数的交叉小波功率谱

降水量与AO 在2004—2009 年存在3.5~5.0 a显著的共振周期，平均位相角垂直向下，说明降水量提前于 AO。 降水量与 AO 在 2009—2014 年存在0.5~1.5 a 的显著共振周期，平均位相角左下接近45°，说明降水量略超前于AO，表现出一定的负位相共振关系，即负相关。降水量与SOI 在1969—1974 年存在0.5~3.5 a 的显著共振周期，平均位相角垂直向下，说明降水量提前于SOI。 降水量与SOI 在 1998—2002 年存在 3.5~5.0 a 的负位相显著共振关系，即负相关。 降水量与SOI 在2010—2013 年存在0.5~2.5 a 的显著共振周期，平均位相角左下接近45°，降水量略超前于SOI，表现出一定的负位相共振关系，即负相关。 降水量与PDO在1992—2001 年存在3.5~5.0 a 的显著共振周期，平均位相角右上接近45°，降水量略滞后于PDO，表现出一定的正位相共振关系，即正相关。 降水量与 Niño 3.4 在 1969—1974 年存在 0.5~4.0 a 的显著共振周期，平均位相角垂直向上，降水量滞后于Niño 3.4。 降水量与 Niño 3.4 在 1997—2003 年存在3.5~5.0 a 的正位相显著共振关系，即正相关。

4 结 论

1）近60 年来赣江流域气温、降水量、蒸发量和相对湿度分别呈现微弱上升、显著上升、显著下降和微弱下降的变化趋势。 气温突变点为2004 年，降水量突变点为 1991 年、2001 年和 2014 年，蒸发突变点为1990 年，相对湿度突变点为1964 年和2002 年。

2）赣江流域东部和南部年平均气温较高，西北部较低。 东部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 东部和南部年平均蒸量发较大，西北部较小。 东部和西北部年平均相对湿度较高，西南部和东北部较低。赣江流域降水量山区大于中部丘陵盆地，蒸发量鄱阳湖湖滨地区、吉泰盆地和赣南腹地最大，山区蒸发量最小，而相对湿度山区高于丘陵盆地。

3）AO、SOI、PDO、Niño 3.4 与赣江流域的气温和降水量呈现极显著相关。 交叉小波分析表明，气温与 AO、SOI、PDO 和 Niño 3.4 指数在 1981—2001 年和2009—2011 年间分别存在2.0~5.0 a 和2.0~3.0 a的主共振周期，而降水量与4 个气候指数不存在明显的主共振周期。