文水縣近43 a來氣候變化特征分析

常耀杰，馬明璐，范耀秀，王文忠

（太原師范學院地理科學學院，山西晉中030619）

文水縣近43 a來氣候變化特征分析

常耀杰，馬明璐，范耀秀，王文忠

（太原師范學院地理科學學院，山西晉中030619）

運用文水縣氣象站1972—2014年的氣溫、降水量數據，通過計算氣候傾向率和均方差，以及采用Cubic曲線擬合等方法對文水縣近43 a來的氣溫和降水變化特征進行分析。結果表明，從溫度總體變化來看，文水縣近43 a來年均溫以0.32℃/10 a的速度上升，尤其是20世紀90年代后增溫劇烈；從季節變化來看，全年各月氣溫都在上升，但冬春季升溫幅度劇烈，夏秋季升溫幅度較弱。從降水變化來看，整體上43 a來年降水量呈現明顯下降趨勢，尤其從20世紀90年代開始降水量急劇下降；從季節降水來看，秋季降水量略有增加，其他3個季節降水量都呈現減少趨勢。綜合氣溫和降水變化情況，文水縣氣候經歷了由暖濕到暖干的變化過程。

文水縣；氣候變化；氣溫；降水

2013年IPCC第五次評估報告（AR5）指出，1880—2012年，全球平均地表溫度升高了0.85℃，并預計21世紀末全球平均地表溫度在1986—2005年的基礎上將升高0.3～4.8℃[1]，氣候變化已經成為一個公認的事實，引起了國內外的普遍關注。在20世紀90年代就有學者研究發現，在過去100多年中，全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃[2]，雷Wen等[3]通過研究發現，在1951—1990年，中歐、美國、澳大利亞、俄羅斯等地的氣溫有明顯的上升趨勢，大量的冰雪消融，使得全球海平面在20世紀平均上升了0.1～0.2m。我國近百年氣溫變化與全球相似，也有明顯的升溫趨勢[4-6]，但是不同的區域氣候變化存在很大的差異。如李又雙等[7-9]研究發現，20世紀50—80年代末，我國東北、華北、西北的西部地區均出現了增溫趨勢，但增溫幅度不盡相同，而在青藏高原以東的地區氣溫卻有所下降[10]。已有的研究多為大尺度范圍的氣候變化分析，而對小尺度空間區域的研究較少。而針對某一小區域的氣候變化進行研究，能夠更加準確地把握在全球氣候變暖背景下的局部小氣候的變化特征，為該地區的生態安全和經濟發展提供科學依據。

文水縣位于山西省中部，汾河盆地西緣，呂梁山東麓，西高東低。總面積1 064.5 km2，是典型的黃土地貌區。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為457mm，降水主要集中在7，8月；光照充足，年平均日照時數為2 252 h，平均日照率為58%；年平均氣溫為10.1℃。夏季炎熱多雨，多洪澇災害，冬季寒冷干燥，多寒潮。據研究，氣候變化會對農作物產生一些影響[11-15]，文水縣農作物以冬小麥、玉米為主，經濟果木以梨、葡萄、蘋果為主，是典型的農業縣，顯然，氣候變化對該縣經濟發展有著決定性作用。

利用1972—2014年的氣溫和降水資料對文水縣氣候變化特征進行長時間序列的分析，旨在更好地指導該區的農業、工業生產活動，為文水縣的農業生產和經濟發展提供科學依據。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

數據來源于文水縣地面氣象站（地理坐標為：37°27′N，112°03′E），利用1972—2014年逐月的平均氣溫和降水量數據分別從年際、年代際、季節3個不同的時間尺度對文水縣43 a的氣溫和降水變化進行系統的分析，旨在分析文水縣這一縣域小氣候對全球氣候變化的響應。

季節劃分：春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月），冬季（12月至次年2月）。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率 氣候傾向率是分析長時間序列的某一氣候要素的變化速率，一般用一次方程來表示。

1.2.2 Cubic函數曲線擬合 用Cubic函數曲線，將氣候某要素寫成關于時間t的非線性函數。

式中，b0，b1，b2，b3為經驗系數，是針對實際資料利用最小二乘法求出的。通過三次函數（Cubic函數）曲線擬合，可以直觀地反映氣候某要素隨時間序列的階段性波動狀況和變化特征，適合于幾年到幾十年相對短期的氣候變化特征分析。根據Cubic圖像上的階段性極值可分析某一氣候要素變化的轉化特征。其中，極大值表示要素變化由上升趨勢轉化為下降，極小值則相反。

1.2.3 氣候標準差和方差 標準差（均方差）和方差是分析某一氣候要素偏離平均狀態的重要指標，對于序列xi，其標準差表示如下。

2 結果與分析

2.1 溫度變化分析

2.1.1 氣溫的年際變化特征 根據文水縣1972—2014年逐年的月平均氣溫數據，計算出這43 a來逐年年均溫，用每年年均溫值減去這43 a的年均溫作為對應年份的年均溫距平值。繪制年均溫及距平值的變化趨勢如圖1所示。

由圖1可知，文水縣近43 a來的年平均氣溫呈現波動上升趨勢，尤其是1996年以來升溫趨勢非常明顯。從圖1線性趨勢變化曲線可以看出，文水縣43 a來的年平均氣溫的氣候傾向率為0.32℃/10 a。

擬合Cubic曲線方程為：y＝-0.001x3＋0.01x2－0.169x＋10.62，其線性化后的復相關系數R＝0.718，通過檢驗，說明文水縣的年平均氣溫呈現先下降后上升的趨勢十分顯著。從逐年的距平值變化圖可以看出，在1996年以前主要為負距平，氣溫明顯低于年均氣溫，且在1984年年均溫出現43 a來的最低值（9.01℃）；在1996年以后則以正距平為主（1996年累積距平達到最小，為-10.5℃），氣候變化顯著，具有跳躍上升的特點，在2006年達到近43 a來的最高值，為11.7℃。總之，43 a來文水縣的年平均氣溫與全國變暖趨勢一致[16]。

由表1可知，文水縣1972—2014年各月、年平均氣溫的傾向率、均方差以及Cubic函數R值變化均呈上升趨勢，其中，氣溫傾向率由公式（1）求得，均方差由公式（3）求得，Cubic函數R值由公式（2）擬合而來，采用自由度為n-2、信度為0.05的t檢驗，當時顯著相關，認為氣候的波動變化不是隨機發生的，而是具有明顯的趨勢。從表1可以看出，各月和年平均溫度的氣溫傾向率均為正數，說明這43 a來每月氣溫均呈現上升趨勢，但其上升幅度有所不同，上升幅度最大的是2月，上升幅度最小的是8月，冬季升溫幅度高于夏季；年較差的氣溫傾向率為負值，說明氣溫年較差有減小趨勢。Cubic函數R值除1，11月外，其余月份和年均溫的可靠性均通過信度為0.05的檢驗，達到了顯著水平，且為正相關，可以認為，43 a來，各月平均氣溫和年均溫均出現了顯著波動上升趨勢；但1，11月的波動趨勢顯著較小；另外，年較差的Cubic函數R值為-0.377，達到顯著負相關水平，表明年較差呈顯著的波動性下降趨勢。從各月氣溫的均方差看，2月的均方差最大，為1.946；7月的均方差最小，為0.841，由此可見，43 a來2月的平均氣溫波動變化范圍較大，7月的平均氣溫波動變化范圍較小。雖然各月和年均溫都有上升趨勢，但年均溫的氣溫傾向率較大（0.32℃/10 a）、均方差較小（0.650），表明年均溫與時間序列聯系最為密切，43 a中同期波動幅度小，上升趨勢明顯。

表1 文水縣1972—2014年各月平均氣溫傾向率及均方差

2.1.2 氣溫的年代際變化特征 為了具體反映氣溫的階段性變化特征，本研究分為20世紀70年代（1972—1979年）、80年代（1980—1989年）、90年代（1990—1999年），21世紀初（2000—2009年）、2010—2014年5個階段，計算了不同年代各月的平均氣溫（表2）。在計算1972—2014年各年代際的氣溫傾向率時，由于1970，1971年數據的短缺，用20世紀70年代的均溫進行補充（表3）；將2000—2014年這15 a看成進入21世紀后的一個年代。由表2，3可知，與我國整體從70—80年代氣溫上升趨勢相反[17]，文水縣氣溫在20世紀70年代呈下降趨勢，到80年代氣溫達到近40年來的最低水平，年均溫為9.85℃，但仍有微弱的上升趨勢；90年代以后氣溫上升幅度明顯，年均溫比80年代高0.55℃，氣溫傾向率達到1.72℃/10 a，各月氣候傾向率也均為正值，說明在20世紀90年代各月的氣溫都出現了上升趨勢；進入21世紀以后氣溫持續升高，但升高幅度有所減緩。總體來說，20世紀80年代，文水縣處于相對寒冷期，而70年代和90年代以后處于相對溫暖期。

表2 文水縣1972—2014年各年代際平均氣溫 ℃

表3 文水縣1972—2014年各年代際氣溫傾向率 ℃/10 a

氣溫年較差是最熱月平均溫度和最冷月平均溫度之差。從表3可以看出，在20世紀80年代和21世紀以來氣溫年較差變化趨勢和年均溫變化趨勢相反，都呈現出氣溫升高、年較差減小的趨勢；而在20世紀70年代和90年代，二者的變化趨勢一致。說明年內各月氣溫變化并不一致，存在季節性差異。20世紀70年代冬季（12，1，2月）氣溫是上升的，但春季、夏季、秋季氣溫呈下降趨勢；80年代平均氣溫變化不明顯，但冬季各月氣溫上升幅度很大，夏季氣溫卻是下降的，這也是80年代氣溫年較差最小的原因；90年代各月氣溫都是升高的，其中春季和夏季升溫趨勢明顯，秋冬升溫趨勢較小，這是導致90年代氣溫年較差增大的主要原因；進入21世紀后氣溫在20世紀90年代的基礎上略有升高，但變化幅度不大。總體來說，文水縣43 a來的年均溫是上升的，但并不是持續上升，20世紀70年代氣溫下降，從80年代起氣溫開始上升，90年代上升幅度達到最大，其中冬季增溫幅度要大于夏季。

2.1.3 氣溫的季節變化特征 采用1972—2014年文水縣逐月氣溫觀測數據，依據季節劃分方法計算出逐年的春、夏、秋、冬四季的月均溫，繪制這四季的氣溫變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，文水縣近43 a來的春、夏、秋、冬四季的均溫都呈上升趨勢；其中，春季增溫最為劇烈，其線性傾向率為0.48℃/10 a，高于全國春季氣溫傾向率0.272℃/10 a[18]，這種情況與全國冬季升溫最為劇烈的狀況有所差異[19]；其次，冬季的增溫也非常明顯，增溫幅度為0.45℃/10 a，小于全國的0.532℃/10 a；再次是夏季，其氣溫傾向率為0.20℃/10 a，與全國夏季增溫幅度一致；增溫幅度最小的季節為秋季，氣溫傾向率為0.19℃/10 a。

從圖2的四季Cubic曲線擬合來看，文水縣春季均溫從20世紀70年代到80年代中期呈下降趨勢，在1984年達到了一個低谷，之后處于一直上升階段；夏季均溫分3個變化階段，即1972—1982年呈下降趨勢，在1982年到達極小值，1982—2008年為上升階段，到2008年到達一個小高峰，2008年以后又有所下降；秋季均溫在20世紀70年代是下降的，在1979年時為小低谷，之后一直緩慢上升，直至2009年達到一個小高峰，之后緩慢下降。總之，秋季均溫的升高趨勢不明顯；冬季均溫的變化與夏季一樣也經歷的3個階段，第1階段（1972—1978年）緩慢下降，在1978年達到低谷；第2階段（1979—2008年）處于增溫狀態，尤其是1996年后增溫十分迅速，在2008年達到高峰；第3階段（2008—2014年）均溫有所下降。總體來說，這4個季節的均溫都呈現了先下降后上升的趨勢，且低谷除秋季外，均出現在20世紀80年代，高峰出現在21世紀的前10 a，之后氣溫除春季外都有回落的趨勢。

2.2 降水變化分析

2.2.1 降水量的年際變化特征 降水量距平百分率是降水量距平值與多年同期平均降水量的百分比，通過計算降水量的距平百分率可以直觀地看出降水量的變化趨勢（圖3）。

從圖3可以看出，文水縣43 a來的降水量年際波動變化非常明顯，降水量最大的年份是1973年，為646.4 mm；降水量最小的年份為1999年，為249.5 mm，其最大值是最小值的2.59倍，最大值是多年平均值的1.45倍，通過線性趨勢線可得遞減速率為18.32 mm/10 a。年降水量Cubic曲線函數為：y＝-0.024x3－1.531x2＋23.74x＋396.1，其線性化后的復相關系數R＝0.402，通過了a＝0.01檢驗，說明文水縣的年降水量的波動下降趨勢十分明顯；1996年之前距平百分率以正值為主，均值為7%，降水量較多，氣候偏濕潤；1996—2010年距平百分率多為負，均值為-16.22%，降水量較少，氣候偏干燥；2011—2014年距平百分率為正值，降水量有所增加。

2.2.2 降水量的年代際變化特征 從表4可看出，20世紀70年代的年均降水量最大，為490.5 mm；21世紀前10 a的年均降水量最小，為413.7 mm，二者相差76.8mm。年代際降水量變化以20世紀90年代為轉折點，20世紀70，80年代年降水量均以正距平為主，年降水量高于多年平均降水量，降水較多，其中70年代的年均降水量比43 a平均降水量多10.3%，80年代的年均降水量比43 a的平均降水量多5.73%；20世紀90年代至2014年的降水量距平值為負，降水量低于多年平均水平，說明這段時期比較干旱，尤其是21世紀的前10 a降水量比多年均值少7%。從各月降水量來看，最冷月（1月）降水波動較大，2010—2014年1月年均降水量最小，為1.1 mm，2000—2009年1月年平均降水量最大，為4.8 mm，前者比后者少77.1%；最熱月（7月）降水波動較小，2000—2009年7月年均降水量最小，為76.4mm，2010—2014年7月年平均降水量最大，為136.5mm，前者比后者少44.0%。

表4 文水縣1972—2014年各年代際平均降水量 mm

2.2.3 降水量的季節變化特征 采用文水縣1972—2014年逐月降水量觀測數據，依據季節劃分標準，計算文水縣近43 a來每年的四季降水量，并分別繪制文水縣1972—2014年春、夏、秋、冬四季的降水量分布圖（圖4）。

從圖4可以看出，文水縣43 a來的春、夏、冬季降水量呈減小趨勢，但是減少幅度有所不同，從各季的降水趨勢線來看，夏季減少程度最大，大約每年減少2.379 mm，春季每年減少0.04 mm，冬季減少速度最緩慢，每年大約減少0.034 mm；而秋季降水量卻有所增加，大約每年增加0.623mm。

另外，從圖4中Cubic擬合曲線還可以看出，春季降水量在20世紀70—80年代中期有所增加，到1985年達到一個峰值，之后減少，在2005年達到最低，2005年后緩慢增加；夏季降水量在1977年達到最高峰，之后呈現出減少趨勢，到2003年達到最低；秋季降水量，1972—1978年呈增加趨勢，到1978年達到一個小高峰，之后緩慢下降，在1998年達到了低谷，之后又出現了上升趨勢；冬季降水量從1972年到80年代中期呈現下降趨勢，在1983年達到低谷，之后上升，但上升趨勢緩慢。

四季的降水變化幅度和時間不一致，有的季節降水減少，有的季節降水增加，但年均降水量總體呈現減少趨勢。

3 結論

本研究結果表明，文水縣近43 a來氣溫總體上呈上升趨勢，年均溫以0.32℃/10 a的幅度升高，氣溫變化可分為2個暖期（20世紀70年代和90年代后）和一個冷期（20世紀80年代）；90年代后升溫顯著，尤其是在21世紀前10 a年均溫達到了最高，但氣溫的上升仍有季節差異，冬、春季升溫劇烈，夏、秋季升溫較弱，這是導致氣溫年較差減小的原因。

文水縣近43 a來降水量呈總體下降趨勢，降水傾向率為-18.32mm/10 a。尤其在20世紀90年代以后年降水量下降幅度明顯，在21世紀前10 a降水量達到了最小；從降水量的季節變化來看，春、夏、冬季的降水量都有減少趨勢，減少速率大小為：夏季>春季>冬季；而秋季的降水量卻有所增加。

文水縣氣侯呈現出暖濕-冷濕-暖干的變化趨勢。文水縣氣溫在20世紀70年代處于相對偏暖期，80年代氣溫急劇下降，達到了多年來的最低值，為相對偏冷期；在90年代氣溫明顯上升直到21世紀前10 a達到了最高，為相對偏暖期。降水量以20世紀90年代為轉折，90年代以前年均降水量高于43 a平均值，距平百分率以正值為主，雨水較豐富；從90年代開始年均降水量低于43 a平均值，距平百分率以負值為主，降水較少。綜合氣溫和降水變化趨勢來看，文水縣43 a的氣候經歷了由20世紀70年代的暖濕到80年代的冷濕再到90年代后暖干的態勢，但值得注意的是，2011—2014年這5 a來的年均溫有所下降，降水量也有所增加，暖干化趨勢減緩。

氣候變化對自然生態系統和社會經濟系統均會產生深刻的影響[20]，文水縣是以農業為主的區域，氣溫和降水的變化對農作物的生長、產量等產生重要的影響。因此，在開展各項經濟活動時，還必須注意氣候環境的分析評價，保證該區生態安全和經濟的可持續發展。

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Analysis on Climatic Change Characteristics of Wenshui County in Recent 43 Years

CHANG Yaojie，MA Minglu，FANYaoxiu，WANG Wenzhong
（College ofGeographical Sciences，Taiyuan Normal University，Jinzhong030619，China）

According to the dataof temperature and precipitation in 1972-2014 from Wenshui Weather Station,thispapergives the analysis of the characteristics of temperature and precipitation change in the recent 43 years by measuring climatic tendency rate and mean square deviation and adopting other methods like cubic curve fitting.The results shows that from the general temperature change, the annual temperature of Wenshui county in the recent 43 years goes up at a rate of 0.32℃/10 a,especially fiercely in the late 1990s. Form the seasonal change,the monthly temperatures are all rising throughout the year,but sharply in spring and winter and weakly in summerand autumn.As for the precipitation change,the annual precipitation in the past43 yearsgenerally declined obviously,especially sharply from the1990s.From the seasonal change,precipitation hasa slightincreasewhilea decrease in other three seasons.Considering the conditions of both temperature and precipitation,it has been a process form being warm and wet to being warm and dry in Wenshui County.

Wenshui county;climatic change;temperature;precipitation

467

A

1002-2481（2016）07-0995-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.07.24

2016-03-07

常耀杰（1990-），女，山西文水人，在讀碩士，研究方向：自然資源評價與開發。王文忠為通信作者。