三峡库首典型山区县气温及降水特征分析

张丽 叶丹 张翠 李芳 陈章 谭思阳

摘要：为了掌握三峡库首典型山区县气温和降水气候要素变化特征和规律，选取湖北省兴山县作为代表县，利用1958～2022年国家地面气象观测站、2012～2022年区域气象观测站逐日温度和降水气象数据，采用混合插值法、线性倾向评估法、5 a滑动平均法、累计距平法、Mann-Kendall突变检验法对平均气温、平均最高（最低）气温、高温（低温）日数、降水量、降水（暴雨）日数等气候要素进行时空特征分析。结果表明：① 兴山县具有春秋气温舒适、河谷暖冬低温少、高山趋于暖湿化、雨量四季丰沛、夏季降水集中、雨热同季、立体气候特征显著的特点。② 气温呈现“河谷高山地低”的空间分布特征，气温高值区主要出现在午后14：00～16：00；但低温日数趋于减少，冬季平均气温逐步上升，且年平均最低温度的增幅快于年平均最高温度，一定程度上表明寒冷程度趋于减弱。③ 降水呈现“西多东少、高山多于峡谷”的空间分布特征，随着海拔高度的升高，降水呈增加趋势，夏季增加幅度最大;6～8月为暴雨多发期，降水的时间跨度变小，出现短时强降水的概率增加。研究成果可为当地开展气象防灾工作减灾提供科学依据，以发挥三峡库首区生态系统调节功能。

关 键 词：气候变化； 降水特征； 趋势分析； 突变检验； 兴山县

中图法分类号： P426.6；P423

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.003

0 引 言

气候作为自然环境的重要组成部分，它的变化直接影响人类生产生活、经济社会发展和生态系统的稳定［1-2］。20世纪80年代以来，温度、降水等要素的气候变化成为全球性热点话题［3-4］。目前，国内外学者运用滑动平均、线性倾向估计和回归分析等多种方法开展相关研究，研究发现，不同区域的降水分布情况趋于复杂［5］：霍山县温度和降水均表现为增加趋势［6］；庆阳市气候由寒旱向暖湿转化［7］；吕梁山区气候趋向暖干［8］；南水北调中线总干渠沿线地区冬季气温具有显著升温趋势［9］，气候变暖的贡献主要来自最低气温的升高［10］。综上所述，不同地形地貌使得水热分布存在显著的地域差异。此外，在全球气候变化的大背景下，极端天气气候事件趋多趋强［7，11］，山区是气象灾害高发区和灾害防御薄弱区［12］，表现尤为明显，暴雨洪涝［13］、低温霜冻［14］、高温干旱［15］、降水异常事件［16-17］等严重影响当地经济社会发展稳定。目前针对气候变化的研究主要集中在全国［18-19］和区域［2-4］等大中型尺度，对山区精细气候变化特征研究相对较少。因此，研究山区温度、降水等气候要素变化特征，可以为当地开展气象防灾减灾工作提供科学依据。

三峡水库库首区是因长江三峡工程兴建而形成的一个特殊区域，位于鄂西山地。作为三峡库首山区县之一的兴山县，属秦岭大巴山体系，山区占全县总面积的90%以上，建有34座全国绿色小水电示范站，香溪河、良斗河、南阳河和高岚河等大小溪河156条贯穿全境，在三峡库首生态系统调节功能中发挥了重大作用。当前针对兴山县气象要素变化特征的研究成果较少，仅何晓旭等［20］基于兴山国家地面气象观测站开展了1960～2009年气候资源分析，研究区域仅到单点，研究方法较为单一，研究年份较为久远，且关于气象灾害特征的研究还处于空白阶段。因此，选取兴山县作为三峡库首的典型山区县，开展相关研究。

为了深入了解和掌握三峡库首典型山区县兴山县的气温和降水气候要素变化特征和规律，本文运用混合插值法、线性倾向评估法、5 a滑动平均法、累计距平法、Mann-Kendall突变检验法，开展基于栅格的兴山县气温、降水量时空变化特征研究，为提升产业结构优化布局、城市建设发展、应对气候变化能力和科学防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

兴山县位于宜昌市西北部，地跨东经110°25′～111°06′、北纬31°04′～31°34′之间，东西长66 km，南北宽54 km。兴山县山脉走向从东向西伸展，总地势为东西北三面高，南面低，垂直高差达2 317.4 m。全县地貌可划为3种类型（图1）：海拔500 m以下的低山河谷区，该区面积355.09 km2，占总面积的15%，分布在古夫镇、昭君镇、南阳镇、峡口镇等河谷区；海拔500～1 200 m的中山区，该区面积575.85 km2，占总面积的25%，分布在高桥乡东北部、西南部，黄粮镇大部，水月寺镇中南部、东部等地区；海拔1 200 m以上的缓坡、平淌高山区，该区面积1 397.06 km2，占总面积的60%，主要分布在榛子乡、黄粮镇北部、水月寺镇东北部、高桥乡、南阳镇西北部等地区，区内山峰复峦，山脊众多。

1.2 数据来源

选取1958～2022年兴山国家地面气象观测站、2012～2022年16个区域气象观测站逐日温度和降水气象数据，以及经度、纬度、海拔高度等地理数据，资料来自湖北省气象信息与技术保障中心，数据经过严格质量控制。兴山县DEM分布数据通过地理空间数据云平台下载，空间分辨率为90 m。本文插图所涉及的矢量边界基于审图号为宜昌市S（2020）006号标准地图制作，底图无修改。

1.3 研究方法

1.3.1 空间分布特征

针对空间插值，目前常见方法有普通克里金法、反距离加权法、样条插值法等［21］。张丽等［22］采用克里金插值法开展了宜昌市气候要素空间插值模拟，气温和降水模拟的平均相对误差均在2.1%以下，表明此研究方法在地形复杂的宜昌市具有可行性。因此，基于GIS平台，使用混合插值法（多元线性回归+残差克里金）开展温度与降水空间分布特征分析。建立1958～2022年兴山县逐年平均温度和年降水量与宏观地理因子的推算模型［23］：

Y=Fλ，ψ，h

（1）

式中：Y为温度或降水量的变量值；F为宏观地理因子（经度、纬度、海拔高度）影响的温度或降水量的栅格点变量值;λ表示经度，（°）;ψ表示纬度，（°）；h表示海拔高度，m。

1.3.2 时间分布特征

按照季节划分法［24］，12月至次年2月为冬季、3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季。

运用线性倾向评估法［8］、5 a滑动平均法［2］、累计距平法［7］对1958～2022年兴山县平均气温、平均最高（最低）气温、高温（低温）日数、降水量、降水（暴雨）日数等气象要素从不同时间尺度进行特征分析。

利用Mann-Kendall突变检验法对兴山县温度和降水量气象要素突变情况进行分析［5，8］。对于多年平均气温和降水量的时间序列，将满足Xi＞Xj（1≤j≤i）的样本累计数定义为序列ri，方法如下：

Sk=ki=1ri （k=2，3，…，n）

（2）

E（Sk）=k（k-1）4

（3）

Var（Sk）=k（k-1）（2k+5）72 （2≤k≤4）

（4）

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k=1，2，…，n）

（5）

UBk=-UFk（k=n，n-1，…，1）

（6）

式中：Sk为第i个时刻数值大于j个时刻数值时，数值个数ri的累加；

n为样本量；E（Sk）和Var（Sk）分别是Sk的均值和方差；

UFk和UBk为统计量。在显著性水平为0.05的条件下，临界值为±1.96。

UFk＞0表明序列呈上升趋势，反之序列呈下降趋势；

UFk超过临界线表明上升或下降趋势显著，

UFk和UBk在临界线之间交点对应的时刻是突变开始时间。

2 结果与分析

2.1 兴山县气温变化特征

2.1.1 气温年度变化特征

从空间分布来看（图2），兴山县年平均气温、年平均最高（低）气温均呈现“河谷高山地低”的空间分布特征，与其特殊地形密切相关，体现了立体气候特征明显的特点。兴山县区域气象站年平均气温监测数据结果显示，各乡镇年平均气温为9.6 ℃（榛子）～18.0 ℃（峡口），不同海拔高度气温差异悬殊（表1）：500 m以下香溪河谷地区年平均气温为15.4～18.0 ℃，500～1 200 m中山区年平均气温为13.2～14.6 ℃，海拔1 200 m以上高山区年平均气温为9.6～12.5 ℃。各乡镇年平均最高气温为15.1 ℃（榛子）～23.6 ℃（南阳），其中500 m以下年平均最高气温为22.4～236 ℃，500～1 200 m年平均最高气温为19.0～21.6 ℃，1 200 m以上年平均最高气温为15.1～16.8 ℃。各乡镇年平均最低气温为6.0℃（榛子）～14.3℃（峡口），其中500 m以下年平均最低气温为11.2～15.3 ℃，500～1 200 m年平均最低气温9.0～10.8 ℃，1 200 m以上年平均最低气温为6.0～9.1 ℃。

从时间变化来看（图3），1958～2022年兴山县（兴山国家基本气象站，下同）年平均气温为17.1 ℃，以0043 ℃/10 a的速率逐步升高，但增温速率远低于全国平均气温增温速率（0.23 ℃/10 a）［25］，一定程度上表明，受高植被覆盖影响，增暖变化不显著。年平均气温最大值出现在2022、2013年和1966年（17.9 ℃），年平均气温最小值出现在1989年（16.0 ℃）。年平均最高气温23.0 ℃，年平均最低气温12.8 ℃，分别以0.091 ℃/10 a和0.097 ℃/10 a的速率升高，最低气温的增速快于最高气温，一定程度上表明寒冷程度趋于减弱。从平均气温年代际特征来看（表2），20世纪80～90年代气温累计距平为负值，气温明显偏低，21世纪后气温上升明显。利用M-K法对1958～2022年兴山县年平均气温、最高气温和最低气温序列进行突变检验，研究发现，仅最低气温通过P＜0.05的显著性检验，故仅对最低气温开展M-K突变检验。结果表明，最低气温20世纪80年代以后呈现上升趋势，1980年发生突变。

2.1.2 气温季节变化特征

兴山县四季平均气温与全年平均气温的空间分布特征相同，呈现“河谷高山地低”的分布特征，山脉阻挡河谷冬暖特征显著。夏季平均气温最高，春秋季次之，冬季最低。从兴山县不同海拔高度四季平均气温变化特征来看（表1），低山河谷、半高山和高山四季平均温差达2.9～3.5 ℃，立体气候特征显著，其中 500 m以下春季、夏季、秋季和冬季平均气温分别为17.0，26.2，17.6 ℃和7.2 ℃；500～1 200 m分别为14.0，23.1，14.2 ℃和3.7 ℃；1 200 m以上分别为110，202，11.3 ℃和0.7 ℃。

从时间变化来看，1958～2022年兴山县四季平均气温变化趋势差异较大，夏季呈现下降趋势，其余季节呈现上升趋势。具体而言，春季平均气温为10.0～17.9 ℃，以0.121 ℃/10 a的速率上升，20世纪90年代中期以后上升态势显著（图4）。夏季平均气温为18.9～27.4 ℃，以0.072 ℃/10 a的速率下降，尤其20世纪80～90年代下降趋势明显。秋季平均气温为10.3～18.6 ℃，冬季平均气温为-0.6～8.0 ℃，分别以0.052 ℃/10 a和0.092 ℃/10 a的速率缓慢上升。利用M-K法对1958～2022年兴山县四季平均气温进行突变检验，研究发现，仅春季平均气温通过P＜005的显著性检验，因此对春季平均气温开展M-K突变检验。结果表明：春季平均气温在20世纪80年代以前整体较为平稳，20世纪90年代突破0.05显著水平，下降显著，21世纪进入上升态势，并于2006年发生突变。

2.1.3 气温月（日）变化特征

从兴山县平均气温、平均最高（低）气温月度变化特征来看（图5），气温变化趋势一致，呈现“单峰”分布特征。其中，平均气温极大值出现在7月（27.7 ℃），极小值出现在1月（5.5 ℃）；平均最高气温的极大值出现在7月和8月（34.2 ℃），极小值出现在1月（10.5 ℃）；平均最低气温的极大值出现在7月（23.2 ℃），极小值出现在1月（1.9 ℃）。从兴山县平均气温日变化特征来看，气温变化存在明显的峰值和谷值，其中气温的高值区一般出现在午后的14：00～16：00，低值区一般出现在清晨05：00～07：00。

2.1.4 高温（低温）变化特征

从日最高气温≥35 ℃的天数来看（图6），兴山县平均高温日数43.3 d，主要出现在夏季，占高温总数的87.0%，以7月（14.4 d）和8月（15.6 d）最多。高温过程累积日数最大值为74 d（2022年），高温过程累积日数最小值为19 d（1983年）。1958～2022年高温日数整体虽以0.272 d/10 a的速率逐步下降，但20世纪90年代以后呈现明显的上升趋势，与全国年平均气温自1993年开始明显变暖的结论基本一致［21］。从日最低气温≤0 ℃的天数来看，兴山县平均低温日数16.5 d，主要出现在冬季，占低温总数的97.2%，以1月最多（8.6 d），其次为2月（3.8 d）和12月（3.4 d）。1958～2022年低温日数以0.906 d/10 a的速率逐步下降，主要有2个下降时段，分别出现在20世纪80年代以前和21世纪10年代以后。

2.2 兴山县降水变化特征

2.2.1 降水年度变化特征

受季风气候和地形影响，兴山县年降水变化空间差异大，整体呈现“西多东少、高山多于峡谷”的空间分布特征（图7）。各乡镇年降水量为812.1 mm（高阳）～1 333.8 mm（榛子）。从兴山县不同海拔高度降水分布特征来看（表1），随着海拔高度的升高，降水呈现增加趋势，夏季增加幅度最大。其中500 m以下年降水量为812.1～1 208.7 mm，500～1 200 m年降水量为1 003.1～1 189.8 mm，1 200 m以上年降水量为1 070.5～1 333.8 mm。从时间变化来看，1958～2022年兴山县年降水量为982.6 mm，以3364 mm/10 a的速率下降，其中年降水量最大值出现在1963年（1 356.9 mm），年降水量最小值出现在1966年（615.4 mm）。

2.2.2 降水季节变化特征

从空间分布来看（图8），四季略有差异，整体空间分布特征表现为春夏秋三季“西多东少、高山多于峡谷”，冬季“南多北少”。夏季平均降水量最大，春秋季其次，冬季最少。其中春季、夏季、秋季和冬季平均降水量分别为213.2～349.4 mm、351.6～593.7 mm、187.5～306.0 mm和42.2～88.4 mm。从时间变化来看，1958～2022年兴山县四季降水量变化趋势差异较大，除夏季降水量以7.677 mm /10 a的速率呈现增长趋势外，其余季节均呈现下降态势，以秋季降水量下降趋势最为明显（7.643 mm/10 a），一定程度上说明降水期趋于集中。因四季降水量均未通过0.05的显著性检验，故未对其开展M-K突变检验。

2.2.3 降水月变化特征

兴山县气温和降水分配同位相变化，雨热同季，呈现“单峰”分布特征（图9）。具体而言，7月降水量最多（154.7 mm），8月降水量次之（144.8 mm）；12月降水量最少（7.3 mm），1月降水量次之（14.4 mm）。月降水日数和年降水日数类似，呈现“单峰”分布特征（图10），月降水日数从7.2（1月）～14.7（7月）d不等，从冬季到夏季逐步增多，后期又缓慢下降，与雨带位置关系显著。

2.2.4 暴雨变化特征

暴雨与洪涝灾害是对宜昌市危害严重的气象灾害。暴雨易导致山洪暴发、河水泛滥、崩山滑坡和泥石流等自然灾害。从多年日最大降水量的年变化特征来看（图10），1958～2022年兴山县暴雨日数达132 d，并以0.119 d/10 a的速率逐步上升，过程持续1～2 d，主要发生在夏季。日最大平均降水量74.9 mm，介于暴雨（日降水量≥50.0 mm）和大暴雨（日降水量≥100.0 mm）之间。其中最大日降水量超过150.0 mm的有两次，分别是160.8 mm（1982年7月20日）和153.8 mm（2003年7月4日）。从时间变化来看，日最大降水量以1.52 mm/10 a的速率上升，其中20世纪80年上升明显并出现降水极端峰值。从多年日最大降水量的月变化特征来看，1958～2022年兴山县日最大降雨量呈现“单峰”分布特征。6～8月为暴雨多发期，日最大降水量7月为160.8 mm，8月为144.3 mm。整体而言，兴山县年降水量变化幅度不大，但降水日数和日最大降水量均呈现上升趋势，一定程度上表明随着全球气候变化，降水时间跨度变小，集中在短期强降雨。

3 结论与讨论

气温变化是气候变化的重要影响因素［10］，全球气候变暖又影响地球水循环，进而导致中国各地降水时空分布规律发生显著变化，严重影响区域社会经济发展［5］。为提高全球气候变化大背景下三峡库首典型山区县的气候应对能力，以兴山县为代表县，基于1958～2022年气温和降水量数据对气候变化时空分布特征进行分析。兴山县各乡镇年平均气温为9.6～18.0 ℃，平均降雨量为812.1～1 333.8 mm，有春秋气温舒适、河谷暖冬低温少、四季润泽、夏季降水集中、雨热同季资源配置好的气候特点。低山河谷、半高山和高山四季平均温差29～3.5 ℃，降水量随海拔高度增加而增加，立体气候特征显著。

兴山县年平均气温呈现“河谷高山地低”的空间分布特征，香溪河流域（古夫镇、昭君镇、峡口镇、南阳镇）年平均气温为17.1 ℃，并以0.043 ℃/10 a的速率升高。平均高温日数为43.3 d，以7月和8月最多，气温高值区出现在午后14：00～16：00。平均低温日数为16.5 d，以1月最多。年平均最低温度的增幅（0097 ℃/10 a）快于年平均最高温度（0.091 ℃/10 a），年低温日数以0.906 d/10 a的速率下降，且冬季平均气温以0.092 ℃/10 a的速率上升，一定程度上表明兴山县冬季寒冷程度趋于减弱。植被指数受温度影响高于降水，同时春季气温的显著增加对植被生长有很大的促进作用［26］，兴山县春季气温以0.121 ℃/10 a的速率上升，在一定程度上表明植被指数趋于转好，利于发挥其在三峡库首区的生态屏障作用。

兴山县年降水量整体呈现“西多东少、高山多于峡谷”的空间分布特征，各季节略有差异。随着海拔高度的升高，降水呈增加趋势，夏季增加幅度最大，且21世纪10年代以来，年降水量增加趋势明显。平均日最大降水量为74.9 mm，平均暴雨日数为2.0 d，6～8月为暴雨多发期。整体表现出降水量变化幅度不大，但降水的时间跨度变小，集中在短期内降雨，出现短时强降水的概率增加。各气候要素中对河流径流存在极显著相关关系的为降水［27］，近60 a以来，兴山县降水量以3.364 mm/10 a的速率下降，长此以往可能导致香溪河流域水位下降、流速减缓、富营养化加强等，此外短时强降水概率增加，可能导致水库防洪风险加大，并导致水土流失、土壤侵蚀等［28］，这也是后续需要关注的重点。

本文通过长时间序列、网格化的手段精细地分析了60余年来兴山县气温和降水的气候变化特征，有利于结合风险普查成果开展典型山区精细气象防灾减灾工作。但没有考虑日照、湿度、风等其他气候要素特征，且气候变化成因及对社会经济的影响有待进一步探明。

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（编辑：谢玲娴）