關中地區降雨、氣溫動態演變特征分析

熊光紅

摘要 利用1961～2012年陜西關中地區年均降雨量和年均氣溫資料，對近52年來該地區的降雨和氣溫的動態演變特征進行分析，并探討了降雨和氣溫的相關性。結果表明，近半個世紀以來關中地區氣溫顯著升高，降雨量無明顯趨勢性，降雨量和氣溫的相關關系僅在20世紀末的20年達到典型負相關，其他時段并未達到顯著相關水平，無法得出研究時段內該地區降雨量隨氣溫升高發生相關變化的統一結論；降雨和氣溫的階段性變化形成氣候類型的階段性，20世紀60～80年代為關中氣候變化的穩定時段，80年代中期～20世紀末氣候類型為“暖干型”，進入21世紀氣候類型轉為“暖濕型”。

關鍵詞 關中地區；降雨；氣溫；相關性；氣候類型

中圖分類號 S161.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-192-03

自20世紀以來，全球氣溫升溫趨勢普遍，特別是進入80年代以來，氣溫普遍升高引起的氣候、水文、生態環境等一系列問題已成為全球關注熱點。全球及我國氣候變化研究已取得諸多全局性和區域性的研究成果，近半個世紀以來全球氣溫普遍升高，進而引起水汽循環過程的變化，降雨量也隨之發生區域性的變化[1]。氣溫和降雨量的變化，導致洪澇災害、干旱少雨等災害性事件全球頻發，未來氣溫的變化趨勢如何，對區域降雨量將會產生怎樣的影響，是當前研究的熱點問題[2-3]。

陜西關中地區地處內陸腹地，氣候具有東西過渡和南北分界的典型特點。氣候變化的影響因素復雜，受氣候變化的影響，氣象災害、生態環境、經濟發展、政治穩定等一系列問題不容忽視。筆者利用1961～2012年陜西關中地區氣溫和降水資料，研究關中地區降雨和氣溫的時空演變特征，探討該地區降雨和氣溫受全球氣候變化影響的程度、降雨和氣溫的相關影響關系以及氣象因素未來的發展趨勢等，為該地區氣象、水文、水利、生態、經濟、政治等諸多方面提供有指導意義的科學結論。

1 資料與方法

1.1 數據來源

所選數據中，1984～2012年關中地區年均降雨量及年均氣溫來源于陜西省統計年鑒；1983年以前年均降雨量及年均氣溫統計資料來源于陜西省氣象局資料室。統計資料中有個別年份資料缺失，為了保證數據的完整性，對于偶爾缺失的數據，采用標準平均值或趨勢預測方法進行了插補[4]。

1.2 分析方法

運用公認的統計學方法，采用數據處理軟件Excell進行年均降雨量和年均氣溫的動態特征分析。相關性分析主要采用相關系數法、回歸分析方法和灰色關聯分析等幾種方法完成。各種相關分析方法有其適用性和優缺點，分析結果也能夠從不同角度說明時間序列相關性特征。相關分析的計算過程采用統計軟件包SPSS17.0完成。

1.2.1

相關系數法。

相關是研究2個變量之間是否存在一致而有序關系的一種方法，通常用相關系數rxy來衡量2個變量之間線性相關關系強弱的程度[5]。相關系數rxy為正，兩變量正相關；反之則為負相關。相關系數rxy的取值范圍為[-1，1]，|rxy|越接近于1，相關程度越強，反之相關程度越弱。一般情況下，0.8≤|rxy|≤1，兩變量強相關；0.6≤|rxy|≤0.8，兩變量較強相關；0.4≤|rxy|<0.6，兩變量一般相關；0.2≤|rxy|<0.4，兩變量弱相關；|rxy|<0.2，兩變量極弱相關。

1.2.2

回歸分析。當2個變量之間不是簡單的線性相關關系，可采用回歸分析的方法研究兩變量之間相關程度和其相關具體形式[6]。將年均降雨量f（x）和年均氣溫f（y）同繪入平面坐標系中，形成各個時間點降雨和氣溫隨機變量f（x，y）的獨立散點，利用最小二乘法求散點的回歸方程（線性或函數），散點和回歸函數之間的關聯性大小稱為關聯度，散點與函數之間的關聯度愈大，說明兩變量之間愈符合該函數的相關性。

1.2.3

灰色關聯分析法。

灰色關聯分析方法主要用于確定2個變量之間隨時間變化過程中其變化趨勢是否具有一致性[7] ，也是進行相關分析的便利工具之一。灰色關聯度是衡量變量之間同步變化程度高低的物理量。在時間序列的變化過程中，2個變量的關聯程度或發展趨勢一致，則其灰色關聯系數大，反之則灰色關聯系數較小。用灰色關聯系數可以很好地描述降雨和氣溫時間序列發展趨勢的相似或相異程度。

2 關中地區降雨和氣溫動態變化特征

2.1 降雨變化特征

從關中地區年均降雨量變化曲線（圖1a）可以看出，近52年年均降雨量呈小幅減少趨勢，線性減少速率為3.16 mm/10a，與全國[8]及陜西省同時段降雨量平均線性減少率（19.6mm/10a）[9]相比，降雨的減少幅度并不顯著。降雨量動態變化呈較明顯的階段性，第1階段（1961～1983年）降雨量波動平穩、變化幅度不大；第2階段（1984～2012年）降雨量波動劇烈，前期降雨量大幅減少，后期有所增加，但增加幅度不及減少幅度，因此在第2個階段末平均降雨量數值較小，使得整個研究時段內降雨量整體呈現減小趨勢。由降雨量的動態變化曲線可知，年均降雨量的變化是周期性與隨機性的擬合，持續增減的趨勢并不顯著，20世紀80年代中期～90年代末期是關中地區降雨量持續大幅度減少的干旱少雨時期。

2.2 氣溫變化特征

1961～2012年關中地區年均氣溫上升趨勢顯著，年均氣溫線性變化率高達0.44 ℃/10a（圖1b），高于我國氣溫變化的平均水平[10]，并達到35°N以北年均氣溫線性變化率（0.25～0.50 ℃/10a）的高值[11]。用滑動平均曲線消除動態曲線的隨機因素影響，年均氣溫也表現出明顯的階段性變化特征。1984年以前氣溫小幅波動，變化速率絕對值較小；1984～1997年年均氣溫升溫速率快、幅度大，線性升溫率遠高于同期全國平均水平，是關中地區典型的高溫時段；2007年后年均氣溫還處于較高水平，但升溫速率減緩，升溫幅度減小。

2.3 降雨和氣溫的動態關系評價

將1961～2012年關中地區降雨量和年均氣溫繪制在同一坐標系下，研究二者的動態關系（圖2）。年降雨量與年均氣溫滑動平均曲線關系表明，1983年以前降雨量隨氣溫升高存在小幅增長趨勢；1983～1991年氣溫快速升高而降雨量無顯著變化；1991～2002年氣溫升高，降雨量大幅減少；2002年之后氣溫變動幅度不大或小幅下降，而降雨量快速又增長。研究時段內降雨量與氣溫的關系表現為溫度升雨量升、溫度升雨量穩定、溫度升雨量減小以及溫度穩定雨量升等幾種動態關系，各個分析階段罕見降雨與氣溫的一致相關特性。從年代均值曲線來看，20世紀60～70年代氣溫升高雨量減少，80年代氣溫升高雨量增加，90年代氣溫升高雨量減少，2001～2010年氣溫降低雨量增加，兩者在各年代間亦無穩定的相關特性，僅在90年代左右表現為逆勢增長。

3 降雨和氣溫的相關分析

3.1 相關系數分析法

利用Excel軟件計算得到1961～2012年關中降雨量和年均氣溫的相關系數為-0.291 4。從降雨和氣溫的分階段、分年代相關系數計算結果（表1）可知，

研究時段內年均降雨量與年均氣溫總體符合弱負相關特性，相關特征不明顯；1974～1997年兩者之間的負相關關系較為緊密，相關系數絕對值>0.6；按年代來分析，20世紀70～80年代降雨與氣溫相關系數也達到了較強相關的水平，其他時段降雨與氣溫的相關性不顯著。

3.2 灰色關聯分析

依據灰色關聯系數的計算步驟，筆者將年均降雨量和年均氣溫進行歸一化處理，采用統計軟件計算1961～2012年關中年降雨量和年均氣溫灰色相關系數為0.675 1，同時完成了分階段、分年代降雨量與氣溫灰色關聯系數計算，結果發現（表1），灰色關聯系數的計算結果與相關系數的計算結果基本一致。1974～1997年降雨與氣溫相關系數及灰色關聯系數絕對值為研究時段內最大值，表明這一時段為降雨與氣溫負相關特性顯著的典型時段，其他時段兩變量變化趨勢無明顯相關性。

3.3 回歸分析

剔除時間因素，單純從降雨量和氣溫數據來看，二者所形成的散點分布范圍廣，規律性不強。以線性函數擬合散點，相關系數僅為0.292，且僅達5%的顯著性水平；以二次函數擬合散點，相關系數為0.358，略高于線性函數的情況，達到1%的顯著性水平（圖3）。可見降雨和氣溫的關系更符合二次函數的回歸相關關系，即氣溫較低時，隨氣溫升高降雨量減少，當氣溫超過多年平均值后，隨氣溫的升高，降雨量有小幅增加。

圖3 1961～2012年關中地區降雨與氣溫回歸關系

上述3種相關性分析方法的計算結果表明，近52年來關中地區年均氣溫與年均降雨量表現為弱負相關的特性，二者相關程度僅達到5%的顯著相關水平，灰色關聯系數值也較小，兩者之間的動態關系不具備典型的負相關特征。由階段性分析結果可知，20世紀70年代中期～90年代末期兩者的相關特性顯著增強，負相關關系達到1%的顯著性水平，灰色相關系數也為研究各個時段中的最大值，在這段時期內，氣溫顯著升高而降雨量隨之有較大幅度減少，這與許多學者的研究結論[12-14]具有一致性；其他時段兩者或正或負的相關程度較弱，氣溫變化對降雨量并無一貫性的影響。

從降雨量和氣溫散點回歸計算結果可得到，隨氣溫升高降雨量的變化曲線存在拐點，氣溫較低區段，氣溫升高降雨量減少趨勢明顯，氣溫較高區段，氣溫升高降雨量有所增加，兩者的動態變化更符合二次函數曲線變化特征。

4 結論與討論

（1）近52年來關中地區年均氣溫有較大幅度升高，線性升溫率大于全國平均水平[10]。與之相較，年均降雨量并無顯著的減少，這與全國近50年降雨量無明顯趨勢性變化的特征[8]一致，但與我國西北地區中部降水量有明顯減小趨勢的研究結論[15]有出入。降雨量和氣溫的變化均表現為階段性和不穩定的周期特性。20世紀80年代中期～20世紀末是關中地區平均氣溫顯著攀升和降雨量大幅減少的時段，此后，進入21世紀氣溫的升高趨勢有所緩解，降雨量也有較大幅度的增加。

（2）在研究時間范圍內，年降雨量與年均氣溫之間并無顯著的線性負相關關系，在個別階段內（1983～1997年），兩者之間具有較為典型的負相關特性。

（3）關中地區降雨量和氣溫動態變化的階段特性各異。1981～2000年降雨量與氣溫之間的負相關關系，僅表明在該時段內氣溫升高的同時，降雨量會隨之減少，這一變化趨勢不具有典型性和一貫性。一定時間范圍內，影響區域降雨量和氣溫變化的因素諸多，因此單純的研究氣溫對降雨量的影響趨勢只能得到片面的結論，需綜合考慮多方因素進行研究。

（4）關中地區降雨和氣溫的階段性變化趨勢也表明，20世紀80年代之前，關中地區降雨和氣溫并未發生大的波動；80年代初～90年代末，平均氣溫顯著升高、降雨量減少，氣候在這一時段內呈“暖干型”變化；而進入21世紀，氣候的變化又朝向“暖濕化”甚至是“冷濕化”發展[12-13]。在研究時段的半個世紀內，關中的氣候經歷了穩定變化階段、“暖干型”變化階段和“暖濕化”變化階段。

（5）關中地區降雨和氣溫的影響因素諸多，隨機性較強，在短時期內不存在一貫的變化趨勢。對于關中地區降雨量而言，氣溫的變化并不是導致降雨量增減的主要原因，其他一些自然地理因素和社會經濟因素對之產生的影響不容忽視。在討論氣候變化的趨勢性是應綜合多方因素進行分析才能得到可靠的結論。

（6）該研究結論表明，氣候持續變暖、降雨量持續減少的氣候變化趨勢在關中地區缺少強有力的證據，氣候未來發展趨勢和影響因素還需多角度分析方能取得合理可靠的結論。該研究數據僅為50年，在氣候變化的漫長時間中僅為一個小的片段，因此還需長時間序列的數據進行補充，才能獲得氣候變化較為可靠的發展趨勢。

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責任編輯 陳玉敏 責任校對 李巖