陜西省1961年～2011年氣溫和降水變化趨勢及突變分析

易 浪， 任志遠， 崔 宇， 任 云，3

(1.湖南萬源評估咨詢有限公司， 長沙 410011; 2.陜西師范大學 旅游與環境學院， 西安 710062;3.湖南農業大學 資源環境學院， 長沙 410128)

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陜西省1961年～2011年氣溫和降水變化趨勢及突變分析

易 浪1，2， 任志遠2*， 崔 宇1， 任 云1，3

(1.湖南萬源評估咨詢有限公司， 長沙 410011; 2.陜西師范大學 旅游與環境學院， 西安 710062;3.湖南農業大學 資源環境學院， 長沙 410128)

利用陜西省20個氣象站臺1961年～2011年的月降水量和月平均氣溫數據，采用線性趨勢法、Mann-Kendall法、累積距平法和Morlet小波分析等研究方法，對陜西省近51年來的氣候變化趨勢和突變現象進行研究分析.結果顯示：近51 a來，陜西省年均溫呈現出顯著上升的趨勢，其氣候傾向率為0.203℃/10a，在1988年～1989年左右發生了由低溫到高溫的氣溫突變；其年均溫的增長率呈現出南北高、中間低的趨勢，增溫幅度表現為南北強、中間弱的特點.陜西省年降水量呈現出波動下降的趨勢，其變化速率為-13.491 mm/10a，在1985年年降水量發生了由多到少的突變；年降水量的下降速率呈現出由南往北逐漸增加的趨勢.Morlet小波分析表明，陜西省年均溫存在24a左右的強顯著周期，此外還有9 a和4 a的小尺度變化周期；年降水量存在24 a左右的強顯著周期，還有8 a和3 a的小尺度的變化周期.通過以上分析，近51 a陜西省總體氣候呈現明顯的暖干化趨勢.

氣候變化; 突變檢測; 小波分析; 陜西省

氣候變化是近年來全球普遍關注的話題.IPCC第四次評估報告指出[1]，全球平均地表溫度持續上升，溫度呈現出增暖的趨勢.大量研究結果表明，中國地區氣候的變化與全球氣候變化的總體趨勢相似[2-4].在氣候變化的問題上，國內大量的學者對中國近百年來各地區氣候的變化進行了深入的探討研究，取得了大量的研究成果[5-9].很多研究者采用了不同的研究方法，如姜逢清等采用非參數統計檢驗法研究分析新疆北部地區13個氣象站臺近40年降水序列的趨勢[10]；徐宗學等運用Mann-Kendall法對黃河流域內77個氣象站臺近50年的降水數據，進行年、月降水序列趨勢檢驗分析，同時運用線性回歸的方法對其進行驗證比較[11]；閆敏華等采用累積距平法、Jy參數法和Mann-Kendall法聯合檢測1955年～2000年三江平原氣候變化過程中的突變現象， 討論了引發三江平原氣候突變的可能原因[12]；劉玲等運用小波分析方法，檢驗三江源地區近50年的氣候突變情況[13].

陜西省南北狹長，縱跨3個氣候帶，南北氣候差異十分顯著，干濕分明，是中國氣候高度敏感區域和旱澇災害頻發的地區.本文研究分析陜西省降水和氣溫的變化趨勢以及突變和周期變化，探討近51年來陜西省氣候變化對全球變暖的區域響應.對陜西省氣候變化的深入研究，不僅有利于深入了解陜西省氣候的變化特征，而且能夠為該地區生態環境建設和防治農業氣象災害提供科學的依據.

1研究區概況

陜西省位于中國內陸的腹地，地處黃河與長江中游，介于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N之間，屬于內陸省份.全省地域東西窄、南北長，東西寬約160～490 km，南北長約880 km.地勢南北高、中間低，從南到北可分為秦巴山地、關中平原和陜北高原3種地貌類型.陜西省境內南北氣候差異很大，年均溫度呈現出由南向北逐漸降低，各地的年均溫在7～16 ℃之間.由南向北年降水量分布逐漸遞減.陜北多年年平均降水量約為450～600 mm，關中年平均降水量為600～700 mm，陜南年平均降水量為700～900 mm，受山地影響顯著，其中大巴山、米倉山和秦巴山地的中、西部高山區，年降水量可達900～1 200 mm.近年來，陜西省平均氣溫呈現明顯上升的趨勢，年降水量呈逐漸減少的趨勢.

2研究資料與方法

2.1研究資料

本文選用的數據來源于中國氣象局科學數據共享服務網.為了建立穩定的氣候時間序列，且保證數據的連貫性.選取1961年～2011年陜西省分布均勻的20個氣象站點的月降水量和月均氣溫數據，其分布情況見圖1.根據陜西省的自然地理特征，將全省分為陜南、關中和陜北3個研究區域.同時對20個氣象站點的氣溫和降水資料按年、月進行預處理.

圖1 陜西省氣象站點圖Fig.1 Distribution of the meteorological stations in Shaanxi

2.2研究方法

本文對陜西省降水量和氣溫的季節和年際變化進行研究，將四季劃分為:春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)和冬季(12月～翌年2月).

2.2.1一元線性趨勢法 利用氣象要素的時間序列，以氣候要素為因變量，時間為自變量，建立一元線性回歸方程[14]：

xi=a+bti，t=1，2，…，n，

式中，xi為氣候要素序列，ti為時間序列(本文為1961～2011年)，a為回歸常數，b為回歸系數.10b表示為每10 a氣候要素的傾向率，定量的來分析氣候要素的線性變化趨勢.

2.2.2累積距平分析 累積距平是一種常用的直觀判斷趨勢變化的方法.對于氣候要素序列x，其某一時刻的累積距平表示為[14]：

2.2.3突變檢測 本文采用Mann-Kendall非參數檢驗法來進行突變分析[15]，令氣候序列為x(x1，x2，…，xn)，mi表示第i個樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累積數，統計量定義為:

在假定的原序列的隨機獨立情況下，dk的均值和方差分別是:

將dk標準化：

U(Fk)為標準分布，給定一顯著性水平a0(取a0=0.05，u0.05=1.96)，當a1>a0時，接受原假設H0，當a10，則呈現出上升趨勢，反之則呈現出下降趨勢，當超過臨界直線時，表明上升或者下降趨勢顯著.如果UF和UB兩條曲線在臨界線之內出現交點，則該交點對應的時刻為突變開始的時刻.

2.2.4小波分析 小波分析能夠反映時間序列的局部變化特征， 作為研究氣象要素長期變化的工具在氣象領域得到了廣泛的應用.本文采用Morlet小波分析方法研究陜西省年降水量和年平均氣溫的周期變化規律.

對于時間序列函數f(t)，將小波變換定義為：

小波方差為：

式中，wf(a，b)為小波系數.不同尺度的擾動特性通過小波方差來認識，并借此來判斷序列存在的顯著周期[16-20].

3結果分析

3.1氣溫和降水量的年際變化

由圖2可知，1961年～2011年陜西省年平均氣溫在10.5～12.5 ℃之間變化，年平均氣溫呈現出波動上升的趨勢，其增溫速率為0.203 ℃/10a，明顯高于全球近百年來氣溫的平均增長速率(0.05 ℃/10a).其中，年平均氣溫增長速率最大是陜北地區，為0.279 ℃/10a；其次是陜南地區的0.199 ℃/10a；而關中地區年平均氣溫增長率最小，為0.133 ℃/10a.由此可見，陜西省年平均氣溫的增長率呈現出南北高、中間低的趨勢，增溫幅度表現為南北強、中間弱的分布特征.

圖2 陜西省及各地區年均氣溫的年際變化趨勢Fig.2 Interannual change trend of the annual average temperature of the different areas in Shaanxi Province

就四季而言，陜西省四季平均氣溫均呈現上升的趨勢(表1)，冬季的增溫幅度最大，達到0.328 ℃/10a；其次為春季，其增溫幅度為0.257 ℃/10a；而夏季增溫幅度最小，增溫幅度僅為0.034 ℃/10a，是年平均氣溫增長幅度最弱的季節.通過研究陜南、關中、陜北3個地區，發現這3個地區季節平均氣溫的變化趨勢與全省的變化趨勢相似，其氣溫上升幅度表現為：冬季>春季>秋季>夏季.同時研究發現陜北地區各季的增溫幅度為全省最大，其次是陜南地區，而關中地區夏季氣溫呈現相反的降溫趨勢，其下降速率為0.102 ℃/10a，是全省及各地區和各季節中氣溫下降的唯一區域.

表1 陜西省及各地區氣溫季節變化趨勢及平均氣溫Tab.1 The average temperature and change rate of different seasons in different areas in Shaanxi Province ℃

如圖3所示，1961年～2011年陜西省年平均降水量在432～940 mm之間變化，年平均降水量呈現出波動下降的趨勢，以13.491 mm/10a的速率下降.其中，陜北地區的年平均降水量下降速率最大，為-20.376 mm/10a；其次為關中地區的-10.492 mm/10a；陜南地區年平均降水量減少速率最小，為-9.605 mm/10a.結果表明，陜西省年平均降水量的下降速率呈現出由南往北逐漸增加的趨勢，這將導致陜西省降水量空間分布格局更趨明顯，加劇了水資源南多北少的分布趨勢.

圖3 陜西省及各地區年均降水量的年際變化趨勢Fig.3 Interannual change trend of the annual average precipitation of different areas in Shaanxi Province

陜南、關中、陜北地區的年平均降水量分別為825 mm、641 mm、462 mm，全省年平均降水量的分布特征呈現出南多北少的趨勢.就四季而言，陜西省的季節降水量呈現出不同的強度和不同的趨勢變化.春季降水量和秋季降水量呈現出減少的趨勢，秋季降水量減少幅度最大，為-9.673 mm/10a，春季為-8.555 mm/10a；而夏季和冬季降水量呈現相反增加的趨勢，其中夏季降水量增長幅度最大，為4.884 mm/10a，而冬季僅為1.011 mm/10a.對陜北、關中、陜南的研究發現，除了陜北地區夏季降水量呈現減少的趨勢之外(-5.794 mm/10a)，這3個地區的季節降水量變化趨勢與全省的變化趨勢總體一致.

表2 陜西省及各地區降水量季節變化趨勢及平均降水量Tab.2 The average precipitation of different seasons in different areas of Shaanxi Province mm

3.2氣溫和降水量的突變檢測

對陜西省1961年～2011年平均氣溫的Mann-Kendall曲線進行突變分析.由UF曲線可知，自1961年以來，陜西省年均溫有明顯的增暖趨勢.特別是1998年這種增暖趨勢大大超過了顯著性水平0.05臨界線.UF曲線與UB曲線在置信區間內存在一個交點(1989年～1990年間).通過累積距平分析結果顯示，1961年～2011年陜西省年平均氣溫的累積距平曲線呈現出“V”字形的趨勢，即先下降后上升，這說明陜西省年均溫度經歷了一次從下降到上升的過程，且其氣溫的上升趨勢一直在持續，氣溫突變的時間可能發生在1993年左右(圖4).通過以上結果分析，可以判斷出陜西省年平均氣溫發生了由低溫到高溫的突變，其突變時間大致在1988年～1989年左右.

圖4 陜西省年平均氣溫Mann-Kendall突變判別曲線和累積距平值Fig.4 Mann-Kendall curve and accumulate anormaly of the annual average temperature in Shannxi Province

陜西省年降水量的Mann-Kendall檢驗結果顯示，UF曲線經歷了一次上升→下降→上升→下降→上升的連續波動，特別是1997年～2009年間波動趨勢均超過了顯著性水平0.05的臨界線，這表明在這段時間內陜西省氣溫變化的趨勢十分顯著.在置信區間內UF曲線與UB曲線有6個交點(1971年，1974年，1976年，1980年，1983年和1985年).從累積距平分析可以看出，1961年～2011年陜西省年降水量有一個明顯的連續升降過程.1961年～1968年間年降水量呈現出明顯的增加趨勢，1968年～1979年降水量呈現緩慢的波動下降趨勢，其下降趨勢不明顯，而1979年～1985年降水量上升趨勢十分明顯，1985年達到最大值，1985年～2008年降水量顯著減少，特別是1999年后低于多年平均降水量，而2003年又有一個明顯的上升趨勢，2008年下降到了最低值，自2008年后降水量又開始逐漸上升，由此判斷降水量發生突變的年份可能是1967年、1978年、1985年、2003年和2008年.通過以上兩種方法分析，從而推斷出陜西省在1985年間年降水量發生了由多到少的突變.

3.3年均溫和年降水量周期變化分析

圖6a是陜西省年均溫的Morlet小波系數的實部時頻變化，正值的區域代表氣溫相對偏高，負值的區域代表氣溫相對偏低，小波系數為零則對應著突變點.從圖6a可見，不同時間尺度所對應的氣溫結構是不相同的，小時間尺度的多少變化表現為嵌套在較大時間尺度下較為復雜的結構，而年均溫小波系數的等值線在3～4 a，8～9 a，23～24 a和42～43 a左右的時間尺度上相對比較密集，并且小波系數發生了高、低值的中心變化.年均溫的小波方差圖(圖6b)顯示年均溫小波方差在43 a、24 a、4 a和9 a存在極值，由于資料年限限制，所以43 a時間尺度的周期不予以考慮.因此，可以知道陜西省年均溫在51 a的時間尺度內，在24 a左右的振蕩最強烈為強顯著周期，期間氣溫經歷了冷→暖→冷→暖→冷的5個循環交替，1972年以前，1985年～1995年、2005年～2010年氣溫偏冷，1973年～1984年和1996年～2004年氣溫偏暖，此外還存在4 a和9 a的小尺度變化周期.

圖5 陜西省年平均降水量Mann-Kendall突變判別曲線和累積距平值Fig.5 Mann-Kendall curve and accumulate anomaly of the annual average precipitation in Shannxi Province

在24 a左右的時間尺度上，氣溫分為偏冷和偏暖相間的冷暖交替變化的周期，這種冷暖交替的變化在一定的程度上是由于北極濤動和西伯利亞高壓的影響[19].由圖6a可以推測出陜西省未來的氣溫演變趨勢，在小尺度趨勢內陜西省處于冷期，在24 a的周期上，陜西省的冷期仍將持續一段時間.

圖6 陜西省年均溫小波變換系數實部等值線圖和小波方差圖Fig.6 The contor map of the real part of Morlet Wavelet coefficients and the variogram of the wavelet of the annual average temperature in Shannxi Province

圖7a是陜西省年降水量的Morlet小波系數的實部時頻變化，正值的區域降水量相對偏多，負值的區域降水量相對偏少.從圖7(a)可以看出年降水量小波系數等值線在2～3 a，7～8 a和23～24 a左右的時間尺度上較為密集，且小波系數發生了高、低值的中心變化.由年均溫小波方差圖(圖7(b))可知年均溫小波方差在24 a、8 a和3 a存在極值，因此可以得知陜西省年均溫在51 a的時間尺度內，在24 a左右存在強顯著周期，在24 a左右的尺度上，年降水量變化可分為3個偏多和2個偏少的時段，3個偏多中心分別為1964年、1985年和2010年；2個偏少中心分別為1974年和1997年，并且偏多時期和偏少時期循環交替出現，年降水量的突變點在1968年、1978年、1988年和2003年左右，此外還存在8 a和3 a的小尺度變化周期.

圖7 陜西省年降水量小波變換系數實部等值線圖和小波方差圖Fig.7 The contor map of the real part of Morlet Wavelet coefficients and wavelet variogram of the annual average precipitition in Shannxi Province

4討論與結論

4.1結論

通過對陜西省1961年～2011年氣溫和降水量的變化趨勢分析，陜西省氣溫呈現顯著的上升趨勢，降水量呈現出下降的趨勢，總體氣候變化呈現出暖干化的趨勢，對全球氣候變暖的響應顯著.

1)陜西省年均溫呈現顯著的上升趨勢，年均溫上升速率為0.203 ℃/10a，并且增溫幅度表現為北強南弱的特點.年均溫累積距平經歷了下降→上升的變化過程，年均溫在1988年～1989年左右發生了由低溫到高溫的氣溫突變.陜西省的年降水量普遍呈現減少趨勢，平均減少幅度為13.491 mm/10a，從東南→西北的方向上呈現出兩端年降水量增加、中間年降水量減少的空間格局.年降水量累積距平經歷了上升→下降→上升→降→上升的連續波動趨勢，且年降水量在1985年左右發生了由多到少的突變.

2)從各季節來看，陜南、關中、陜北地區的氣溫與全省的變化趨勢相似，其氣溫上升幅度表現為：冬季>春季>秋季>夏季.同時研究發現陜北地區各季的增溫幅度為全省最大，其次是陜南地區，而關中地區夏季氣溫呈現相反的降溫趨勢，其下降速率為0.102 ℃/10a，是全省及各地區和各季節中氣溫下降的唯一區域. 陜西省各地區季節降水量呈現不同的變化強度和變化趨勢.春季降水量和秋季降水量呈現減少的趨勢，秋季降水量減少幅度最大；而夏季和冬季降水量呈現相對增加的趨勢，其中夏季降水量增長幅度最大.對陜北、關中、陜南地區的研究發現，除了陜北地區夏季降水量呈現相反的減少趨勢外，這3個地區的季節降水量變化趨勢與全省的變化趨勢相似.

3)通過Morlet小波分析結果可知，陜西省年均溫存在24 a的強顯著周期，此外還有4 a和9 a尺度的變化周期，同時陜西省目前處在冷期，在24a的周期上，陜西省的冷期仍將持續一段時間.陜西省年降水量存在24a的存在強顯著周期，在24 a左右尺度上，年降水變化可分為3個偏多時段和2個偏少時段，并且偏多時期和偏少時期交替出現，此外還有8 a和3 a的小尺度變化周期.

4)小波分析的時頻局部變化特性展現出了氣溫和降水時間序列上的精細結構，不僅將隱含在時間序列中的隨時間變化的周期性振蕩凸顯出來，還能夠大致判斷出氣溫和降水突變點的位置，同時可以對時間序列的演變趨勢進行定性的預測，為分析氣候在多時間尺度上的變化特征及短期內的氣候預測提供了一定的借鑒意義.

4.2討論

由氣溫和降水量的Mann-Kendall突變曲線可以分析得出，氣溫和降水量的突變在時間上存在一定的一致性，即突變的時間大致都在發生在九十年代中后期，氣溫發生了由低溫到高溫的突變，而降水量發生了有多到少的突變，氣候類型即由濕冷型氣候向暖干型氣候轉變，由M-K曲線可知，這種突變1990s中后期開始持續性發生，即陜西省氣候整體處在暖干化的趨勢當中，并且這種趨勢仍將持續一段時間，這對全球氣候變暖響應顯著.由此可知，在氣候變化的過程中，氣溫變化的同時伴隨著降水量的變化且存在一定的相互滯后的效應，二者的變化也存在極高的相關性，其相互影響相互作用.

從氣溫和降水量的小波分析圖可知，二者的變化周期也極其相似，都存在24 a左右的大尺度變化周期，小尺度上存在4 a和9 a左右的變化周期.在24 a的時間尺度上，氣溫存在低溫→高溫交替變化的周期，對應的降水量存在多→少交替的變化周期，也就是說氣溫的降低伴隨著降水量的增多，而氣溫的升高相應的伴隨著降水量的減少，即陜西省氣溫和降水量存在高度的負相關，同時氣候類型在24 a左右的時間尺度上表現出濕冷型→暖干型的對應變化關系.由兩者的小波分析圖可以知道，在24 a的時間尺度上，目前陜西省氣溫上處于冷期，而降水量也處在偏少期，因此短期內氣候類型處于濕冷型氣候，但從長期的發展趨勢來看，陜西省總體氣候變化是呈現出暖干化趨勢.

陜西省的氣候變化與中國氣候存在一定的聯系但又不完全相同.氣溫的總體趨勢處于上升階段，這一點二者是一樣的.另外中國氣候變暖的原因之一是冬季的增溫幅度較大，這一點與陜西省的變化情況一致.有研究表明，東北、華北和西北的大部分地區增溫顯著.降水方面，陜西省降水的變化并非直線遞減，而是呈現出明顯的階段性.陜西省大部分地區位于黃土丘陵溝壑區，森林覆蓋率不高，氣溫日較差較大，蒸發快.且陜西省屬于干旱半干旱區，降水的年際變化大，年內的降水主要集中在夏秋兩季，且多對流性的降水，局地強，歷時短.這些因素對陜西省的氣候變化都起著重要的作用.

降水量的減少和氣溫的顯著升高加劇了陜西省氣候的暖干化趨勢，這將影響到陜西省的經濟發展、生態與環境等諸多方面[21-22].首先，氣候變化將影響農業的生產，一方面氣候的變暖有利于地區作物的生長，但另一方面氣候變化所引起的高溫和干旱將導致農作物減產，使得該地區干旱、病蟲害和突發性的氣象災害頻率增加，威脅糧食的生產，使糧食安全受到嚴重威脅[23].其次，氣候的變化將會造成水資源空間分布的不均衡，加速了陜西省降水向不均衡、極端化發展的趨勢，加劇區域水資源的供需矛盾，同時干旱少雨導致地表土壤進一步持續性缺水，不利于地表植被的生長.

氣候的變化同樣使陜西省的自然環境發生變化，植被覆蓋存在明顯的空間差異，氣溫升高使蒸騰蒸發量顯著增大，降水變率也相應增大，極端氣溫和極端降水事件發生的頻率和強度逐漸增加，這都會加劇陜西省生態環境的生態脆弱性，不利于區域生態環境的發展和建設.氣候的變化同樣也加劇了陜西省氣溫和降水的空間分布的不合理，加劇了人口得區域流動和集聚化，加重了中心地區、中心城市的人口承載壓力，城市負擔加重，同時也會惡化地區和城市的生態環境，過重的城市人口、資源和環境壓力不利于城市的可持續發展.氣候的變化及其影響是全方位、多尺度、多層次的，正面和負面影響同時并存，因此應當深入的了解陜西省氣候的變化規律，為該地區生態環境的保護、經濟的健康發展和防治農業氣象災害提供科學的依據.

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Analysis on the change trends and catastrophe of temperature and percipitation in Shannxi Province from 1961 to 2011

YI Lang1，2， REN Zhiyuan2， CUI Yu1， REN Yun1，3

(1.Wanyuan Valuation & Consultation CO.， LTD.， Changsha 410011;2.College of Tourism and Environmental Sciences， Shanxi Normal University， Xi’an 710062；3.Resource and Environment College， Hunan Agricultural University， Changsha 410128)

Based on the data of the monthly average temperature and precipitation observed by 20 meteorological stations in Shannxi Province from 1961 to 2011， this study analyzes the pattern and characteristics of the climate changes in recent 51years in Shannxi Province by using the methods of linear regression， Mann-Kendall test， accumulative anomaly method and Morlet wavelets analysis. The results show that: 1) the annual average temperature in Shaanxi Province have increased significantly at an increase rate of 0.203℃/10a in recent 51 year， and in 1988—1989， an abrupt change occurred in the annual average temperature from low to high; 2) both the growth rate and amount of the annual average temperature are higher in the north and south of Shansi Province while lower in the middle; 3) the annual average percipitation in Shaanxi Province have decreased undulately at a decrease rate of 13.491mm/10a in recent 51 years， and in 1985， an abrupt change occurred in the annual average percipitation from more to less; 4) the decline rate of the annual average precipitation have increased gradually from the south to the north of Shanxi Province. Furthermore， the Morlet wavelet analysis shows that: 1) the annual average temperature in Shannxi Province has fluctuated at a significant interval of about 24 years accompanied with two small-scale intervals of nine years and four years; 2) the annual average percipitation has fluctuated at a significant interval of about 24 years accompanied with two small-scale intervals of eight years and three years. Therefore， it can be concluded that the climate of Shaanxi Province has presented an obvious trend of becoming warmer and dryer in recent 51 years．

climate change; abrupt change test method; wavelet analysis; Shannxi Province

2014-03-13.

國家自然科學基金項目(41071057)；陜西師范大學中央高校基本科研專項基金(GK201101002).

1000-1190(2014)04-0592-09

S161.2; F426.6

A

*通訊聯系人. E-mail: renzhy@snnu.edu.cn.