1963-2018年贵州修文县气温和降水变化特征

罗 梅,杨守禄,唐红祥,陈梦圆,袁仕锋,王建华,

杨媛雯1,奚 悦1,任广红1,王立琳1,齐大鹏3,高文明4

(1.修文县气象局,贵阳 550299;2.贵州省林业科学研究院,贵阳 550005;3.贵州省气象台,贵阳 550002;4.白云区气象局,贵阳 550014)

近年来，在温室效应和城市化进程快速发展的大背景下，全球变暖趋势日益显著[1]。IPCC第五次评估报告指出，1951—2012年全球平均地表温度升高了0.72℃[2]，1980—2012年为工业革命以来最暖的30年。同时，随着全球气候的变化，中国气候表现出独特的变化特征，年平均气温升高了(0.65±0.15)℃，且年际变化特征明显，年均降水量变化趋势不显著，1951—1989年，呈微弱的减少趋势，但存在明显的区域差异[3]。气温和降水作为气候变化的两大重要因素，对生态环境的影响巨大。研究气温和降水的变化规律具有重要的意义，因而很多学者对此进行了研究。如：侯凯等[4]研究指出，气温升高趋势将不再持续，未来可能降低，并且年降水量减少趋势也不再持续，未来可能开始增加；同时，赵路伟等[5]在研究中指出，河南省近54 a气温上升趋势显著，降水量在波动中略微有减少的趋势；苗正伟等[6]对京津冀地区近55 a气候演变特征进行分析，气候要素的突变主要发生在80年代前后。

西南喀斯特地区是我国4个主要酸雨沉降地区之一，十分脆弱，早在20世纪70年代有大量的学者对西南地区的降水进行了研究，但是对气温和降水变化特征的研究极少。李勇等[7]研究指出贵州区域年降水量存在减少的趋势，同时降水存在一定的突变；然而对贵州小区域降水和气温变化特征的研究目前尚不全面和深入。基于此，本文应用贵州省修文县1963—2018年气温和降水时间序列数据，采用线性趋势法、滑动平均、累积距平分析、信噪比检验、M-K检验法分析修文县年平均气温、降水量的趋势及突变，以期为贵州省小区域气候资源利用和农业生产指导提供参考。

1 研究区概况

修文位于贵州省贵阳市北部，贵州中部，地处26°45′—27°12′N，106°21′—106°53′E。修文县境内海拔940～1 610 m，平均海拔1 290 m，气候属亚热带季风湿润区。贵州省修文县是黔中经济区和贵阳北部新区的重要节点城市，除西部边缘河谷切割较深外，相对高度多在150 m以内，谷宽水浅，槽谷和洼地较多，属于较典型的喀斯特丘陵地形[8]。

2 数据资料及研究方法

2.1 数据资料

论文研究数据来源于贵州省修文县气象台1963—2018年近55 a的气温和降水观测资料，该数据资料完整，样本数n为55，对于贵州省小区域气候变化研究具有较好的代表性，同时利用orign，Matlab和Excel等软件进行数据的处理、分析和绘图。采用气象统计常用的四季划分：春季(3月、4月、5月)、夏季(6月、7月、8月)、秋季(9月、10月、11月)、冬季(12月、1月、2月)。

2.2 研究方法

2.2.1 线性趋势分析与其相关性检验 利用一元线性回归方程来拟合年平均气温和年降水量变化趋势[9]，分析修文1963—2018年55年平均气温和年降水量的变化趋势。一元线性方程可用来表示气象要素的气候倾向率，即：

y=b0+bx

式中：y为气象要素；b0为常数项；b为斜率；x为时间(1963—2018年)。b×10表示气象要素每10 a的气候倾向率。

检验方法如下：若|r|≥r0.05(n-2)，则线性回归是显著的，y与x之间呈线性关系。对一元回归方程相关系数作相关性检验，取显著水平为α=0.05，r0.05(n-2)=r0.05(55-2)=0.237。其中：r表示相关系数；n表示样本数；r0.05(n-2)表示样本为n、显著水平为0.05时的相关系数。

2.2.2 累积距平与信噪比 累积距平是一种由曲线直观判断气候变化趋势的方法[10]。对于气候要素序列，其某一时刻t的累积距平表示为：

天气过程的突变常用气候状态分布特征量随不同时段的变化来衡量，定义信噪比(S/N)作为相邻两气候阶段差异的统计量，信噪比的计算公式如下[11]：

式中：x1，x2和S1，S2分别为转折年份前后两阶段的平均值和标准差。若S/N大于1，则认为在这个年份存在气候突变，反之为突变不显著。

2.2.3 Mann-Kendall趋势分析及突变检验 M-K突变检验是一种常用的分析气象数据时间序列趋势的方法，其不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异样值的干扰，具有检验范围宽、定量化程度高、人为性小等优点[12-13]。

因此选择M-K突变检验法可用来分析气温和降水的变化趋势，并检测其是否显著，并分析其突变特点[11]。

3 结果与分析

3.1 气 温

图1 修文县1963-2018年年平均气温变化

1963年以来，修文气温变化趋势与中国[14]和全球[15]升温趋势基本一致，年平均气温整体呈波动上升。从表1看出，年均气温呈明显的年代波动上升趋势，自21世纪以来气温明显升高，近18 a来年平均气温达14.1℃，较20世纪70年代年平均气温(13.51℃)升高了0.59℃。对55 a的年平均气温计算标准差(0.46℃)，波动性整体较小，平均气温变化基本呈降—升的过程，总体呈震动上升趋势。

表1 修文县1963-2018年不同年代气温均值和距平值 ℃

3.1.2 年最高、最低气温变化 图2为修文县年极端最高温与极端最低温变化图。55 a来极端最高温呈上升趋势(图2A)，极端最高气温增速为0.18℃/10 a，年平均最高温为31.7℃，极端最高气温为33.8℃(2013年)，较年平均最高温偏高2.1℃，较年平均气温偏高20.0℃。

图2 修文县1963-2018年年极端最高、最低气温变化

3.1.3 气温累积距平分析 气候突变是指气候从一种稳定态跳跃式的转变为另一种稳定态的现象[16]。由图3所示，气温累积距平曲线的绝对值最大值为6.46(1997年)，这次转折是气温从偏低期转为偏高期，1997年之后的偏高期至今仍在持续。1997年的信噪比为0.61，不存在明显气候突变。

图3 修文县1963-2018年平均气温累积距平变化

观察年平均气温累积距平曲线，在2000年处曲线存在波动，且其累积距平曲线的绝对值(6.05)略小于1997年(6.46)，计算其信噪比，其信噪比为0.63，亦不存在明显气候突变，但2000年信噪比(0.63)大于1997年信噪比(0.61)，则表明气温气候突变的现象越来越明显。

3.1.4 气温M-K突变检验 利用M-K检验法对修文近年平均温度进行突变检测，给定显著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。由图4知，气温总体呈现上升趋势，1995年之前气温变化平缓，1995年之后气温显著增暖，持续上升，特别是2000年以来增暖的趋势十分显著(UF>0)，且UF曲线在2007—2008年与0.05显著置信曲线相交，这表明其以后气温上升趋势达到0.05显著性水平。UF和UB曲线相交于2000年，且位于±1.96之间，即表明气温在2000年前后存在突变；由累积距平分析、信噪比检测分析知，1997年以来，气温气候突变的现象越来越明显，综合M-K突变分析结果，表明修文气温在2000年发生气温上升的突变。

图4 修文县1963-2018年平均气温M-K突变判别

3.2 降 水

3.2.1 年降水量年纪变化特征 图5为修文县1963-2018年降水量变化曲线，对其进行五年滑动平均和线性拟合可见，1963—2018年，年平均降水量为1 144.8 mm，最低为779.9 mm(2011年)，最高为1 503.4 mm(1971年)。年降水变化倾向率<0，呈下降趋势，其下降幅度为31.8 mm/10 a。对一元线性方程进行相关性检验，r=0.279>r0.05(55-2)=0.237，则线性回归是显著的，即年降水量的减少趋势是显著的。

图5 修文县1963-2018年年降水量变化

3.2.2 降水量季节变化特征 由表2可知，20世纪60年代以来，四季多年平均降水量为304.7 mm(春季)，529.9 mm(夏季)，240.6 mm(秋季)，68.6 mm(冬季)。自20世纪始，春、夏、秋降水呈总体呈明显波动下降趋势，其中以夏秋季降水下降最为明显。

表2 修文县1963-2018年不同年代降水均值和距平值 ℃

图6是修文县1963—2018年不同年代各月平均降水量及距平变化。由图6A可以看出，冬季各月平均降水量变化总体波动不大，春季降水量逐月增多，夏季月降水量相对较多，秋季降水呈逐月降低趋势。降水量年内分配十分不均，主要集中在5—9月。各年代月降水量基本均在夏季6月达到最大值，其中70年代6月降水量达到275.5 mm。不同年代降水量的季节变化差异比较明显(6B、表2)，年际波动变化大，春、夏、秋季降水总体呈明显波动下降趋势，冬季降水减少趋势不明显；90年代夏季降水明显高于其他年代，其中7月份降水量异常偏多；21世纪初夏季降水明显低于其他年代，其中7月份降水量异常偏少。这表明，自80年代至21世纪，研究区域的降水量发生了由多至少的变化。各年代夏季降水总量基本均占全年降水量的50%左右，降水量的分布不均匀易导致旱涝灾害趋向频繁，暴雨发生频率增加。

图6 修文县不同年代各月降水量变化、月降水量距平变化

3.2.3 降水累积距平分析 由图7可知，降水量在1963—2018年有明显的升降变化。1963—1968年呈波动下降趋势，1968—1980年呈波动上升趋势，1980—1995年呈波动下降趋势，1995—2000年呈波动上升趋势，2000—2018年呈波动下降趋势。1968年和1995年为低值转折年、1980年和2000年为高值转折年。降水累积距平曲线的绝对值最大值为1 625.1(1980年)，这次转折是降水从偏高期转为偏低期，1980年之后的偏低期至今仍在持续。

图7 修文县1963-2018年降水量累积距平变化

3.2.4 降水M-K突变检验 由图8可知，1963—1969年、1981—2018年，UF值总体上呈现波动下降趋势，且基本在0线值以下，即UF<0，这表明1963—2018年研究区域降水量基本呈下降趋势，与线性回归分析研究结果一致；1970—1980年UF0，表明1970—1980年研究区域降水量呈上升趋势。UF与UB在置信区间主要有3个交点(1980—1984年)，在交点之后UF曲线下降并超过了临界值y=-1.96，表明修文降水量变换在1980—1984年有显著的突变特征。由3.2.3分析知，年降水量在1980年为降水的高值转折年，综合M-K突变检验分析结果，修文县降水在1980年存在由多到少的突变。

图8 修文县1963-2018年降水量M-K突变判别

4 结 论

(1) 贵州修文年均气温总体呈上升趋势，增速为0.11℃/10 a，年均气温的变化范围为12.8～14.6℃；通过相关性检验，线性回归是显著的，即年均气温的增长趋势是显著的。年均气温在2000年发生由低温到高温的突变。研究区域极端最高气温增速为0.18℃/10 a，年极端最低温增速为0.32℃/10 a，气候变暖在最低温上表现更为突出。

(2) 修文县降水量在波动中总体上呈下降趋势，下降幅度为31.8 mm/10 a；通过相关性检验，线性回归是显著的，即年降水量的下降趋势是显著的。各年代月降水量基本均在夏季6月达到最大值，且夏季降水总量基本均占全年降水量的50%左右。修文县降水在1980年存在由多到少的突变。

(3) 本研究结果表明，修文县气温升高，降水减少，这种现象可能会对小区域水循环产生影响，发生干旱的风险将会提高，在农业生产中要加强抵御和防御春秋两季的干旱；其次年降水量的年际波动变化大，因而需加强农业抗旱等设施的建设，降低农业生产的风险。

本文通过在小区域范围内对气温和降水量的变化特征分析，为小区域生态环境治理与改善以及其他学科的研究提供依据。然而，还应进一步研究气温的升高与降水的减少之间存在的联系及二者的变化对生态环境造成的影响。