忻州市近40年气温、降水变化的时空分布特征

秦小康，管丽晶，马子平，杨 丽，王 磊

（1.山西省五寨县气象局，山西 五寨 036200；2 山西省忻州市气象局，山西 忻州 034000）

0 引言

2021年8月9日政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》显示，2011～2020年间，全球地表平均温度比1850～1900年间高出1.09 ℃，为人类有史以来升温最快的10年，2016～2020年是人类有记录以来最热的5年，报告指出，随着大气、海洋和陆地的变暖，大气、海洋、冰冻圈及生物圈已经发生了广泛而深刻的变化［1-2］。我国的气候变暖趋势与全球相一致。在全球气候升温的大背景下，忻州市气温降水的变化有其自身特点，因此，有必要对忻州市的气候要素变化进行单独分析。杨勇等［3］对忻州市1963～2012年间的气温和降水的变化趋势进行了统计分析。马子平等［4］总结了五寨县近50年（1957～2003年）气候变化的规律，分析了五寨县气温、降水、风速、日照时数等的变化趋势。

山西历来是农耕与粮食种植大省，史载有远古尧舜禹耕作的足迹，农学界有世界杂粮在中国，中国杂粮在山西，山西杂粮在忻州之说。忻州小杂粮的种类很多，主要杂粮种植品种有“三麦、四米、五豆”，其中“三麦”指莜麦、荞麦、藜麦，主要分布于静乐、宁武、神池、岢岚、保德等地；“四米”即小米、糜米、甜糯玉米、黄米，谷子和糜黍在忻州市各县均有种植，甜糯玉米主要种植在东部忻定盆地和西部五寨县；“五豆”指红芸豆、蚕豆、绿豆、大豆、豌豆。小杂粮生育期短，耐旱、耐寒，贫瘠土地亦能生长。忻州下辖14个区、县、市，是山西省版图中最大的市，被大面积的丘陵山区占据，其优质的种植资源和适宜的气候因素成为适宜小杂粮生产的先天条件［5-7］。

本研究通过对忻州市近40年（1981～2020年）各县、区、市气温和降水变化的时空分布及干旱特征进行分析，以期为忻州市小杂粮产业和乡村振兴助力，并为忻州市防灾减灾建设和农业气候区划提供理论依据［8］。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

数据来自于忻州市14个县、区、市的国家气象观测站（图1），各站点数据序列完整可靠，能够反映当地气候变化特征。本文选取14个国家气象观测站40年（1981～2020年）的逐月平均气温、逐月降水量2个要素进行分析。

图1 忻州市14个县（区）国家气象观测站的空间分布图

1.2 研究方法

1.2.1 线性倾向估计 用SPSS软件对忻州市14个观测站的平均气温和降水量资料作线性倾向估计［9-10］，并用一元线性回归方程表征：

式（1）中，yt为资料序列中的变量值，t为yt所对应的时间，n为研究的区间长度，a为回归常数，b为回归系数，回归系数b表示气象要素变化的趋势倾向，当b＞0时，说明随着时间t的增加，yt呈上升/增加的趋势；当b＜0时，说明随着时间t的增加，yt呈下降/减少的趋势。

1.2.2 季节的划分 按照气象划分法将四季划分为：3月至5月为春季，6月至8月为夏季，9月至11月为秋季，12月至次年2月为冬季［11］。

1.2.3 ArcGIS 10.2空间分析 基于ArcGIS 10.2软件空间插值方法中的反距离权重法(IDW)［12］对忻州市气温、降水变化进行空间插值，分析要素变化的分布特征并进行区域制图。

1.2.4 降水量距平百分率（PA） 降水量距平百分率［13］能够反映某一时间段内降水量与同期平均状态的偏离程度，公式为：

式（2）中：PA为某时段降水量距平百分率（%）；P为某时段降水量（mm）；P为计算时段同期气候平均降水量（mm），按公式（3）计算。

2 结果与分析

2.1 忻州市气温变化特征

通过对忻州市1981～2020年各观测站的年平均气温进行统计分析（图2）可知，近40年来忻州市年平均气温整体呈波动上升的趋势，变化速率0.417 ℃/10 a；年平均最低气温6.4 ℃，出现在1984年；年平均最高气温9.0 ℃，出现在1999年。40年来年平均气温为7.9 ℃，在全球变暖的大趋势下，2016～2020年忻州市平均气温为8.6 ℃，为统计以来最热的5年。

图2 1981～2020年忻州市年平均温度年际变化

由表1可知，忻州市季节平均气温变化中春季升温最为明显，四季气温上升幅度的变化趋势排序为：春季＞冬季＞秋季＞夏季。

表1 1981～2020年忻州市四季平均气温特征

2.1.1 忻州市气温年变化特征与季节分布特征 由各观测站统计资料序列（表2）可知，忻州下辖各县、区、市年平均气温均呈现上升趋势，繁峙县、河曲县、神池县、五寨县、忻府区、原平市气温升幅高于全市平均水平。其中原平市气温升幅最大，为0.550 ℃/10 a；五台县气温升幅最小，为0.167 ℃/10 a。从四季气温的变化幅度来看，各县、区、市的四季气温均呈升高趋势，春季原平市气温增幅最大，为0.684 ℃/10 a；夏季繁峙县气温增幅最大，为0.398 ℃/10 a；秋季原平市气温增幅最大，为0.513 ℃/10 a；冬季忻府区气温增幅最大，为0.854 ℃/10 a。四季气温增幅最小区域均为五台，分别为春季0.301 ℃/10 a，夏季0.032 ℃/10 a，秋季0.109 ℃/10 a，冬季0.272 ℃/10 a。

表2 忻州各县、区、市观测站年度气温变化率 ℃/10 a

2.1.2 忻州市气温变化空间分布特征 通过ArcGIS 10.2软件对各季节气温变化率进行空间插值和区域制图（图3），从图中可以看出，忻州市气温变化存在明显的区域性特征。在全球变暖的背景下，忻州市全域气温升幅明显，从整体空间分布来看，忻州市中部气温升幅较为明显，东南部五台县四季气温升幅均为最小。就各县、区、市季节气温升幅情况来看，气温升幅最大的时间和区域为冬季的忻府区和河曲县，升幅分别达0.854 ℃/10 a和0.756 ℃/10 a。

图3 忻州市各季节气温变率

2.2 忻州市降水变化特征

忻州市年降水变化如图4所示，近40年来忻州市年平均降水量总体呈波动增加的趋势，上升速率为18.849 mm/10 a。最大年平均降水量为570.5 mm，出现在1988年；最小年平均降水量为299.8 mm，出现在1986年。40年来年平均降水量为443 mm。

图4 1981～2020年忻州市平均降水量年际变化

由表3可知，忻州市降水量的季节变化中秋季升幅最为明显，四季降水量上升幅度的变化趋势排序为：秋季＞夏季＞冬季＞春季。

表3 1981～2020年忻州市四季平均降水量特征

2.2.1 忻州市降水量的年变化特征与季节分布特征 根据降水年变化趋势（表4）可知，忻州市各县、区、市年降水量均呈增长趋势，全市各站点变化率差异较大，宁武、五台、忻府区降水量升幅高于全市平均水平，其中五台县降水量增幅最大，为28.806 mm/10 a，静乐县增幅最小，为11.827 mm/10 a。从四季降水量变化幅度来看，秋、冬季忻州市各县、区、市降水均为增多趋势，但各地差异较大，秋季河曲县降水增幅最大，为15.05 mm/10 a，静乐县降水增幅最小，为0.349 mm/10 a；冬季神池县降水增幅最大，为21.34 mm/10 a，定襄县降水增幅最小，为0.075 mm/10 a。春季忻州市总体降水为增多趋势，但岢岚、繁峙、静乐、五台、定襄、原平、忻府等7个县、区、市呈减少趋势，其中静乐县以2.936 mm/10 a的速率减少最为明显。夏季忻州市总体降水为增多趋势，仅有偏关县夏季降水呈减少趋势，减少速率为1.263 mm/10 a。

表4 忻州各县、区、市观测站年度降水变化率 mm/10 a

2.2.2 忻州市降水变化的空间分布特征 利用ArcGIS 10.2软件对各季节降水变化率进行空间插值和区域制图（图5），从图中可以看出，春季降水增多区域大部分位于忻州市西北部及中北部连片区域，其中偏关县增幅最明显，为3.525 mm/10 a；夏季除偏关外均为增长趋势，五台县增幅最为明显，为20.07 mm/10 a；秋季降水增幅最大区域集中在忻州西北部的河曲、保德、偏关及中北部的宁武、神池等区域；冬季降水增幅区域集中在忻州市西北部连片区域。

图5 忻州市各季节降水变化率

2.2.3 降水量年代际阶段变化规律 变异系数［14］是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，是标准差与平均数的比值。忻州市年代际阶段平均降水量及其变异系数如图6所示。由图可知，忻州市各年代平均降水量差距明显，1981～1990、1991～2000、2001～2010阶段平均降水量差距相对较小，到2011～2020年骤升至487.0 mm/a。年际平均降水量变异系数均在0.10～0.20之间，2011～2020年变异系数最小，说明21世纪10年代降水量数据最为稳定。

图6 忻州市年代际各阶段平均降水量及其变异系数

3 忻州市年平均气温和降水量的突变分析

根据Mann-Kenddall突变检验法，计算顺序时间序列的秩序列得出UF；计算逆序时间序列的秩序列得出UB；当显著性水平α=0.05时，显著性临界值U0.05=±1.96。分析绘制出的UF与UB曲线图，若UF或UB的值大于0时，则表明序列呈上升趋势；若UF或UB的值小于0时，则呈下降趋势。当它们超出临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。若UF与UB这2条曲线出现交叉点，且交叉点在临界线之间，交叉点对应的时刻便是突变开始的时间［15］。

由图7中气温UF曲线可见，20世纪90年代中后期以来，忻州市平均气温有明显增大趋势，自1998年以来增温趋势大大超过显著性水平0.05临界线(U0.05=1.96)，并超过0.001显著性水平（U0.001=2.56），表明忻州市增温趋势是显著的；根据UF和UB曲线交点位置，可知忻州市平均气温从1996年开始突变上升。同样由降水量UF、UB曲线可知，年降水量整体波动上升，突变发生在2010年，但UF值均在显著性水平0.05临界线内，可见年降水量突变并不显著。

图7 忻州市1981～2020年气温、降水量突变分析

4 忻州市干旱特征分析

4.1 忻州市气象干旱等级分析

根据GB/T 20481—2017《气象干旱等级》，降水距平百分率是用于表征某时段降水量较常年值偏多或偏少的指标，能够直观反映降水异常引起的干旱，适用于半干旱地区平均气温高于10 ℃的时间段对于干旱时间的监测和评估［13-16］。降水量距平百分率干旱等级划分如表5所示。

表5 降水量距平百分率干旱等级划分表

忻州市月平均气温高于10 ℃的5～9月正值作物生长最主要时期，通过分析平均气温高于10 ℃的时间段即每年5～9月的降水量距平百分率可以得出相应月份的气象干旱等级，进而反映作物主要生长发育阶段的干旱情况。

通过对忻州市14个县、区、市近40年5～9月共200个样本（月降水量距平百分率）进行统计分析（表6）可知，轻旱出现27次，占比13.5%；中旱出现8次，占比4%；重旱出现2次，占比1%；无特旱出现。从干旱发生的月份来看，9月发生次数最多，5、8月最少。从表6可以看出，5～9月忻州市出现严重气象干旱的月份较少，干旱的发生以轻旱为主，利于玉米等大宗作物及小杂粮作物的生长。随着地膜的广泛使用、灌溉基础设施的兴建和田间工程的配套，干旱将得到进一步的缓解和改善［17］。

表6 1981～2020年5～9月气象干旱等级年份数量分布

4.2 忻州市干旱化发生趋势分析

张红卫等［18］研究指出，当干旱发生的时候，降水偏少的同时往往伴随着温度的偏高，气温升高引起蒸发量增大，加快了田间土壤蒸发，进一步加重了干旱的危害，由此看来，温度和降水比可以较好地反映一个地区的干旱情况。本文利用温度和降水趋势比来计算分析忻州市各县区市的干旱发生趋势，数值越大的区域干旱化发生趋势就越明显，利用ArcGIS绘图得到图8，可知静乐县、原平市、繁峙县为温度和降水趋势比较大的区域，干旱化发生趋势相对较高。

图8 忻州市干旱化发生趋势

4.3 忻州市气温与降水量的关系分析

气温与降水量是导致气候变化的主要因子，其变化有一定的内在联系。除气温以外，降水量还受地理环境、下垫面、海拔高度、人类活动等因素的影响［7，19］。通过对忻州各县、区、市近40年平均气温和平均降水量进行统计（表7）并计算分析可知，气温与降水量呈明显负相关（-0.720**），即气温相对较高的县区降水量较少，气温相对较低的县区降水量较多，可见气温对降水量的影响非常明显。

表7 忻州各县、区、市1981～2020年平均气温和平均降水量统计

5 结论

（1）忻州市近40年平均气温为7.9 ℃，在全球变暖的大趋势下，忻州市气温上升明显，下辖原平市气温升幅最大，2016～2020年忻州市平均气温为8.6 ℃，为统计以来最热的5年；四季气温均呈升高趋势，春季气温升幅最大。

（2）忻州市近40年平均降水量为443.1 mm/a，年降水量整体呈波动上升趋势，秋季降水量升幅最大，下辖五台县降水升幅最大。根据变异系数可知21世纪10年代降水量最为稳定。

（3）根据突变分析，忻州市气温突变出现在1996年，降水量突变不显著。

（4）忻州市近40年作物生长主要月份中，9月干旱发生次数最多，5、8月最少。出现严重气象干旱的月份较少，干旱的发生以轻旱为主，无特旱出现，利于玉米等大宗作物及小杂粮作物的生长；根据干旱化发生趋势分析，静乐县、原平市、繁峙县为温度降水趋势比较大的区域，干旱化发生趋势相对较高。

（5）气温对降水量的影响非常明显，气温与降水量呈明显负相关，气温相对较高的县区降水量较少，气温相对较低的县区降水量较多。