1961-2019年皖西大别山区的气候变化特征

徐建鹏, 王 晖, 伍 琼, 王 杰, 徐 祥

(安徽省农业气象中心/安徽省农村综合经济信息中心， 安徽 合肥 230031)

0 引言

【研究意义】近百年来，受人类活动和自然因素的共同影响，全球气候变暖特征显著，2013年IPCC报告指出，2006-2015年全球平均气温比工业化前的平均值高0.87℃，且变暖趋势仍在持续。气候变化对全球生态系统和经济社会都产生了广泛影响，极端天气气候事件发生频率和强度增加，水资源分布失衡，海平面持续上升，给人类社会可持续发展带来的风险增大。中国作为气候变化的敏感区，增温幅度明显高于同期全球平均水平，但区域间差异明显[1]，北方增温速率明显大于南方，西部地区大于东部地区，日照时数呈下降趋势，极端强降水事件和极端高温事件增多[2]。因此，探明区域气候变化特征，对其生态环境保护和气候资源的合理利用具有重要意义。【前人研究进展】黄润等[3]研究表明，山地生态系统稳定性较差，对环境变化敏感，气候变化存在明显的地形差异。高翔等[4-5]报道，近50年来秦岭地区年均气温显著上升，北坡气候暖湿化趋势明显，高海拔地区的植被生态系统更易受气候变化的影响，但山区良好的植被覆盖对极端气候变化具有一定的缓冲作用。皖西大别山区位于我国亚热带和暖温带的过渡带，区域气候变化也是研究的重点。李远平等[6]分析了大别山区近55年来最高气温和最低气温的突变和概率分布。倪婷等[7]利用2012-2014年地面自动站与中国区域CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)多卫星降水数据相融合的逐时降水量数据集，分析大别山区的降水时空分布特征。【研究切入点】目前关于皖西大别山区气候变化的已有研究多集中于最高和最低气温，而降水的研究资料年限相对较短，不能反映大别山区降水的年际和年代际变化。在前人研究的基础上，选取皖西大别山区8个气象观测站1961-2019年逐日平均气温和降水气象资料，采用气候倾向率及M-K突变检验等方法，分析近60年来皖西大别山区的热量、辐射和降水资源变化的时空差。【拟解决的关键问题】探明1961-2019年皖西大别山区的热量、辐射和降水资源变化的时空差异，分析皖西大别山区气候资源时空变化特征，为其生态环境保护及农业生产上合理利用气候资源提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

皖西大别山区位于东经115°21′～117°01′，北纬30°15′～31°48′，总面积为13.1万km2，主要包括金寨县、霍山县、舒城县、岳西县、桐城市、潜山县、太湖县和宿松县等8个县市(图1)，其海拔分别为96.5 m、68.1 m、24.8 m、435.4 m、86.0 m、65.6 m、106.3 m和55.9 m。安徽省大别山中山面积约占全部山区面积的15%，其余多为低山丘陵。该区属于北亚热带温暖湿润季风性气候，年均气温14～16℃，年均降雨量1 100～1 450 mm，年均日照时数2 000～2 200 h，海拔29～1 745 m，是安徽省内长江和淮河流域的分水岭[8-9]。

图1 皖西大别山区气象站点的分布

1.2 数据来源

皖西大别山区金寨、霍山和舒城等8个县市1961-2019年逐日气象资料，来源于安徽省气象信息中心，主要包括日平均气温(℃)、日照时数(h)和日降水量(mm)。

1.3 方法

1.3.1 气候资源 以年均气温作为热量资源，以降水量累计值作为降水资源，降雨日数为日降水量≥0.1 mm累计值。太阳总辐射计算公式：

Rs=R0(0.172+0.521n/N)

N=24ωs/π

式中，Rs为太阳总辐射(MJ/m2)，R0为天文辐射(MJ/m2)，n为实际日照时数(h)，N为可照时数(h)，ωs是日落时的时角，π取3.141 592 6[10]。

降水量(mm)等级划分标准[11]：小雨，≥0.1～≤9.9；中雨，≥10.0～≤24.9；大雨，≥25.0～≤49.9；暴雨，≥50.0～≤99.9；大暴雨，≥100～≤249.9；特大暴雨，≥250.0。

1.3.2 气候倾向率 气候要素的趋势变化采用一次线性方程表示，利用最小二乘法拟合一元线性方程。

X=a+bt

式中，X为气象要素，t为时间，a为回归常数，b为回归系数。其斜率(b)表示气象要素变化倾向率，b值的正或负反映趋势上升或下降，b×10为气候要素倾向率，表示气象要素每10年的变化率[12]。

1.3.3 M-K突变检验 采用Mann-Kendall(M-K)非参数统计方法对气象要素时间序列进行突变检验[13]，该方法可检验序列的变化趋势、突变点和突变时间区域等，不需样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。显著水平为P<0.05，UF和UB统计量对应的临界值为μ0.05=±1.96。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013计算气象数据，用DPS 7.05对数据进行M-K突变检验，用ArcGIS10.0进行地理分布绘图。

2 结果与分析

2.1 热量资源的变化

从图2看出，1961-2019年，皖西大别山区年均气温为16.1℃，最大为17.0℃，出现在2007年；最小为15.2℃，出现在1980年。年均气温呈极显著(P<0.01)增加，为0.16℃/10a。其中，东北部的舒城和西北部的金寨增温较明显，均大于0.2℃/10a，东部的桐城增温相对较小，小于0.1℃/10a。从空间分布看，近60年皖西大别山区由北向南年均气温呈逐渐升高趋势，南部的太湖、潜山和宿松等地年均气温大于16.5℃，中部的岳西为14.6℃。从年代际变化看，年均气温呈“V”字形，1970s开始下降，1980s降至最低，之后逐渐上升，2010s升至最高。经M-K检验，1961-2019年年均气温UF和UB曲线相交于2000-2001年，表明年均气温在2001年发生由少到多的突变，突变后较突变前上升0.7℃，且UF曲线在2004年超过μ0.05=±1.96的临界线，增加趋势显著。

图2 1961-2019年皖西大别山区年均气温的变化、分布及M-K突变检验

2.2 辐射资源的变化

从图3可知，1961-2019年皖西大别山区年均太阳总辐射呈极显著(P<0.01)减少趋势，平均减幅为101.3 MJ/(m2·10a)，但不同区域差别较大。其中，以西北部的霍山减幅最大，为143.1 MJ/(m2·10a)，以南部的太湖减幅最小，为53.6 MJ/(m2·10a)。近60年来，皖西大别山区年均太阳年均总辐射为5 672.7 MJ/m2，最大为5 919.3 MJ/m2，出现在1978年；最小为4 769.7 MJ/m2，出现在2014年。从空间分布看，近60年皖西大别山区年均太阳总辐射以中部的岳西最大，大于5 400 MJ/m2，北部的霍山和舒城相对较小，小于5 200 MJ/m2。从年代际变化看，1960s太阳总辐射超过5 500 MJ/m2，之后逐渐下降，2010s不足5 100 MJ/m2。经M-K检验，1961-2019年年均太阳总辐射UF和UB曲线相交于1990-1991年，表明年均太阳总辐射在1989年发生由多到少的突变，突变后较突变前减少316.0 MJ/m2，且UF曲线在1993年超过μ0.05=±1.96的临界线，减少趋势显著。

图3 1961-2019年皖西大别山区年均太阳总辐射的变化、分布及M-K突变检验

2.3 降水资源的变化

2.3.1 降水量 从图4看出，1961-2019年皖西大别山区年降水量呈不明显增加趋势，平均增幅为19.6 mm/10a，不同区域差异明显。其中，以南部的宿松增幅最大，为50.9 mm/10a；东北部的舒城增幅最小，为2.8 mm/10a。年均降水量为1 359.2 mm，年际间差异较大，年降水量最小为806.7 mm，出现在1978年；最大为1 941.2 mm，出现在2016年。从空间分布看，近60年皖西大别山区由东北向西南年均降水量呈增加趋势，其中降水丰富区域的年均降水量超过1 400 mm，分布于中南部的岳西、太湖和潜山等地；低值区年均降水量不足1 120 mm，分布于东北部的舒城。从年代际变化看，年均降水量以上下波动为主，呈“N”字型，1960s-1980s呈逐渐增加趋势，1980s-2000s呈逐渐减少趋势，2000s-2010s呈逐渐增加趋势。经M-K检验，1961-2019年年均降水量UF和UB曲线有多个叉交点，且交点均位于μ0.05=±1.96临界线内，表明1961-2019年皖西大别山区年均降水量未发生突变。

图4 1961-2019年皖西大别山区年降水量的变化、分布及M-K突变检验

2.3.2 降水日数 从图5看出，1961-2019年皖西大别山区降水日数呈不明显减少趋势，减幅为0.19 mm/10a，其中小雨日数呈减少趋势，为0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日数呈增加趋势，增幅分别为0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。近60年皖西大别山区年均降水日数为135.3 d，最大为156.4 d，出现在1989年，最小为109.7 d，出现在2011年。从空间分布看，降水日数区域间差别不大，高值区年均降水日数分别为146 d和140 d，分布于大别山区中部的岳西、霍山；低值区年均降水日数分别为128 d和127 d，分布于大别山东部的舒城、桐城。降水日数年代际呈“N”字型变化，从1960s开始增加，至1980s增至最大，之后减少，至2000s减至最低，2010s略增加。经M-K检验，1961-2019年皖西大别山区年均降水日数的UF和UB曲线存在多个交叉点，且交叉点均位于μ0.05=±1.96临界线内，表明1961-2019年大别山区年降水日数未发生突变。

图5 1961-2019年皖西大别山区降水日数的变化、分布及M-K突变检验

3 讨论

全球气候变暖背景下，1961-2019年皖西大别山区年均气温呈显著(P<0.01)增加趋势，增幅为0.16℃/10a。张红等[14-15]对安徽省不同时间尺度平均气温变化趋势的研究也得出相同结论，说明皖西大别山区平均气温变化趋势与全省变化趋势具有一致性。陈梦春等[16]报道，安徽省年均气温的升高主要受冬季升温影响最大，春秋季次之，夏季最小。皖西大别山区年均气温在2001年发生由少到多的突变，突变后较突变前上升0.7℃。在8个气象观测站中，以岳西站年均气温最低，这主要与岳西气象观测站海拔高度有关，通常随海拔高度增加温度逐渐降低。

近60年皖西大别山区太阳总辐射呈极显著(P<0.01)减少趋势，减幅为101.3 MJ/m2，与卢燕宇等[17]对近50年安徽周年太阳总辐射时空变化特征的研究结论基本一致。卢燕宇等[17]报道，太阳总辐射与日照密切相关，所以太阳总辐射的减少主要是由于日照减少所致。何彬方等[18]研究认为，安徽省日照的减少与能见度的下降、大气水汽压的增加、年降水量及年雨日数的增加关系密切。张浩等[19]研究表明，安徽省近50年来能见度下降是导致日照时数下降的原因之一。空间分布上，岳西站太阳辐射明显高于周边站点，主要是因为太阳辐射与大气厚度和大气密度有关，通常海拔越高阳光通过大气路程越短，空气越稀薄，大气对太阳辐射削弱越小，所以岳西气象观测站太阳辐射相对较大。

近60年皖西大别山区降水量呈不明显增加趋势，增幅为19.6 mm/10a，与唐宝琪等[15-16,20-21]关于安徽省降水量变化的研究结论较一致。皖西大别山区降水日数以波动变化为主，变化趋势不明显，其中小雨日数呈减少趋势，减幅为0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日数呈增加趋势，增幅分别为0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。马晓群等[22]研究表明，1953-2006年淮河流域安徽境内年总降水日数减少，大雨以上级别雨日呈微弱增加趋势；江俊杰等[21]研究发现，1959-2007年安徽省总雨日呈极显著减少趋势，其中小雨日数显著减少，大雨日数波动减少，暴雨日数增加趋势明显。前述研究结论与本研究结果存在一定的差异，可能与研究范围和时段不同有关。大别山区降水量和降水日数与观测站海拔高度关系密切，即随着海拔高度增加降水量和降水日数呈增加趋势，玄海燕等[22]研究表明，长江中下游地区年降水量随海拔高度的升高而增加。研究仅分析了大别山区年均气温、太阳总辐射、降水量和降水日数等气候要素年均值的年际变化和空间分布特征，未考虑季节变化特征，也未对最高气温、最低气温、日较差、风速和蒸发等气候要素进行分析，下一步应重点研究分析大别山区气候多要素和不同时间尺度变化特征。

4 结论

1961-2019年皖西大别山区年均气温呈极显著(P<0.01)增加趋势，太阳总辐射呈极显著(P<0.01)减少趋势，降水量和降水日数以波动变化为主，变化趋势不明显；年均气温在2001年发生由少到多的突变，升高0.7℃；太阳总辐射在1989年发生由多到少的突变，减少316.0 MJ/m2；降水量和降水日数无明显突变点。气候资源的分布和变化与海拔高度关系密切，年均气温随着海拔高度的增加而降低，太阳总辐射、降水量和降水日数随着海拔高度的增加而增加。