基于長時間序列的北方生態脆弱區氣候演變分析

李春燕，鄧偉,2，齊靜,2，唐燕秋，丁佳佳，孫榮，宋丹

(1.重慶市環境科學研究院，重慶 400020；2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；3.華僑大學化工學院，福建廈門 361021)

基于長時間序列的北方生態脆弱區氣候演變分析

李春燕1，鄧偉1,2，齊靜1,2，唐燕秋1，丁佳佳1，孫榮3，宋丹1

(1.重慶市環境科學研究院，重慶 400020；2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；3.華僑大學化工學院，福建廈門 361021)

以北方典型生態脆弱區榆林市為例，利用1951—2012年地面氣象觀測站統計的氣象資料，結合趨勢分析和距平累積分析方法，對過去60年間該地區的氣溫和降水變化趨勢進行了定量分析。研究結果顯示：(1)過去60年間，研究區氣溫變暖趨勢明顯，年平均氣溫增加傾向率為0.20 ℃/a。(2)研究區降水在劇烈波動變化中趨于減少，研究時段內年降水量減少傾向率為-8.4 mm/a。(3)榆林市經歷了由冷濕氣候向暖干氣候的轉變。(4)氣溫的升高對榆林市風沙天氣和旱災等氣象災害的發生有一定加劇作用，而降水的減少進一步增加了榆林市生態系統脆弱性程度。

生態脆弱區；榆林市；趨勢分析；距平累積；氣候演變

氣候變化是生態脆弱區重要的自然制約因子，影響著生態系統結構和功能的穩定性[1]。近年來國內開展了大量關于榆林市氣候變化的研究；劉曉瓊等[2]對榆林市近30年來年際、季節及個年代的氣候變化進行了定量分析，認為榆林從20世紀70年代到21世紀由偏冷濕時期逐漸演變為暖干時期；楊強等[3]基于1970—2010年氣象資料對榆林地區氣溫、降水和太陽輻射的年際和季節性變化進行了定量分析，得出時段內榆林地區氣溫呈現上升趨勢，降水先減少后逐漸回升，太陽輻射呈現下降趨勢的結論；劉海英[4]分析認為榆林地區經歷了暖—冷—暖三個時期，其中20世紀60年代最冷，90年代最暖，并預測1999—2000年溫度仍有偏高的趨勢。大量研究結論顯示，榆林市在過去幾十年內均呈氣候變暖趨勢。本文基于榆林市1951—2012年地面氣象觀測站統計的氣象資料，利用趨勢分析和距平累積分析方法，對榆林市氣溫和降水在過去60年間的變化趨勢進行定量分析，以揭示該區域氣候變化特征，有利于進一步理解氣候變化對北方生態脆弱區生態環境產生的影響，也對榆林市制定有效的農業生產戰略提供科學依據。

1 研究方法與材料

1.1數據來源

地面氣象觀測數據集由中國氣象數據共享網(China Meteorological Data Sharing Service System，http://cdc.cma.gov.cn/)提供。數據集為榆林市及其周邊省市14個基準地面氣象月值數據，包括月均氣溫(℃)和月降水量(mm)；空間范圍涵蓋榆林市及周邊各省市，以便后期空間插值時能覆蓋整個研究區(表1，圖2)，時間序列為1951年1月—2012年12月。氣象數據中個別月份存在缺失數據現象，利用多年同期月值平均值進行替代。

1.2研究方法

1.2.1一元線性回歸模型

本文用y表示樣本量n的某一氣候變量，用x表示y所對應的時間，建立y和x之間的一元線性回歸。采用一元線性回歸模型描述氣候要素的變化趨勢，即：

表1 氣象臺站信息

yi=a+bxi

(1)

式中，a為回歸常數；b為回歸系數。用最小二乘法進行估計：

(2)

(3)

線性回歸結果主要是回歸系數b，即氣候變量的傾向趨勢。當b>0時，說明y隨時間x的增加呈上升趨勢；當b>0時，說明y隨時間增加呈下降趨勢。b值的大小直接反映上升或下降的速率，即傾向斜率[5]。

1.2.2距平累積法

距平累積法是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列X，其某一時刻t的累積距平可以表示為[6]：

(4)

將n個時刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進行趨勢分析。累積距平曲線呈上升趨勢，表示距平值增加，呈下降趨勢則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續性變化，甚至還可以診斷出發生突變的大致時間。從曲線的小波動變化可以考察其短期的距平值變化。根據距平有正有負的特點，當距平累積持續增大時，表明該時段內距平持續為正；當距平累積持續不變，表明該時段距平持續為零即保持平均；當距平累積持續減少時，表明該時段距平持續為負。據此，可以比較直觀而準確地確定數據序列的年序變化階段。

1.2.3信號與噪聲比檢驗方法

突變檢驗采用Yamamot[7]氣候突變的定義和檢測方法定義的信號(S)與噪聲(N)比檢驗方法確認階段性劃分。基本思想為：如果兩個階段均值的平均值之差超過正常波動范圍，用標準差表達，那么可以認為發生了突變。當信號(S)與噪聲(N)的比值>1.0時，即存在突變。用公式表達為：

(5)

式中，x為階段平均值；s為階段標準差。如果S/N>1.0，表明突變存在，即階段性明顯。

2 結果與分析

2.1氣溫演變特征分析

2.1.1總體特征

從表2來看，榆林市1951—2012年年平均氣溫為9.0 ℃，春、夏、秋、冬四季的平均氣溫分別為10.7 ℃、22.5 ℃、9.0 ℃、-6.1 ℃。其中，冬季平均氣溫最低值為-9.4 ℃，出現在1967年，夏季平均氣溫最高值為24.0 ℃，出現在1999年夏季。從季節性特征來看，榆林市氣溫季節性差異顯著，冬冷夏熱，夏季與冬季平均氣溫溫差達28.6 ℃；冬季標準差最大，夏季最小，說明歷年冬季冷空氣活動頻繁、波動較大，夏季冷空氣活動較弱、相對穩定。歷史極端月平均最低氣溫為-13.7 ℃，出現在1955年1月；歷史極端月平均最高氣溫26.0℃，出現在2001年7月。

表2 榆林市1951—2012年氣溫統計量

2.1.2演變規律分析

根據圖1(a)可以看出，1951—2012年，榆林市年均氣溫從1951年的8.5 ℃增加到了2012年的8.7 ℃，呈明顯上升趨勢，年平均氣溫傾向率為0.20 ℃/a，通過ɑ趨勢系數極顯著水平檢驗。其中最高年均氣溫為10.6 ℃，出現在1998年；最低年均氣溫8.0 ℃，出現在1956年。

從各個年代來看，20世紀90年代和21世紀初平均氣溫明顯高于前期，分別達到了9.4 ℃和9.8 ℃，比歷年年均氣溫高出0.4～0.8 ℃；而20世紀50—80年代平均氣溫均低于歷年平均溫度，尤其是50年代，平均氣溫僅有8.6℃。總體來看，榆林市氣候變暖現象顯著；90年代前平均氣溫均低于歷年平均溫度，90年代后，氣溫上升速率增加，年均氣溫最高值出現在1998年(圖1(b))。

根據圖2榆林市四季平均氣溫逐年變化趨勢可以看出，1951—2012年，春季和冬季平均氣溫增加明顯，平均氣溫傾向率分別為0.25 ℃/a和0.36 ℃/a，其中冬季氣溫升幅最為顯著。夏季氣溫升幅最小，平均氣溫傾向率僅為0.08 ℃/a。

2.1.3氣溫變化階段性演變特征

根據榆林市年均氣溫距平累積變化特征，可以劃分為1951—1989、1990—1999、2000—2012三個階段(圖3)。1951—1989年，平均氣溫為8.7 ℃，年均氣溫較為穩定、起伏較小，距平累積大多以負距平為主；1990—1999年，平均氣溫為9.1 ℃，年均氣溫波動較大、增長趨勢顯著，顯著增加主要發生在1996—1999年，傾向率為1.50 ℃/a，距平累積主要以正距平為主；2000—2012年，年均氣溫出現明顯的下降，2000—2010年年均氣溫下降了0.9 ℃。

圖1 榆林市年均氣溫逐年變化趨勢(a)及年代平均氣溫變化特征(b)Fig.1 Average annual temperature change trend year by year(a), and decadal average temperature variation characteristics(b) of Yulin City

圖2 榆林市1951—2012年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均氣溫逐年變化特征Fig.2 The average temperature changes year by year in Yulin City from 1951 to 2012

圖3 基于距平累積的年均氣溫變化階段劃分Fig.3 Steps dividing of annual average temperature variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

總的來說，榆林市平均氣溫經歷了由冷變暖的演變過程，氣溫的變化趨勢具有明顯的階段性，冷暖交替變化出現。即1951—1989年屬于偏冷期；1989—1999年持續偏暖，特別是在1996—1999年年平均氣溫增加顯著；1999年以后年均氣溫又略有下降，但相比1951—1989年仍略有增加。榆林市氣溫變化三個階段信號與噪聲比S/N均>1.0，全部通過突變檢驗(表3)。

表3 氣溫變化階段劃分突變檢驗

2.2降水變化特征分析

2.2.1總體特征

根據表4，榆林市1951—2012年多年平均年降水量為409.8 mm，總體偏少。其中春、夏、秋、冬四季的多年平均降水量分別為65.1 mm、237.6 mm、97.7 mm、9.0 mm，降水主要集中在夏季，尤其是在1959年夏季，降水量達到了406.6 mm，其次是秋季和春季，冬季降水量極少，尤其是1967年冬季，僅降水0.3 mm。從各個月份來看，榆林市歷史極端最高降水出現在1959年8月，月降水量達到246.2 mm。

2.2.2降雨量歷史變化規律

根據圖4可以看出，1951—2012年，榆林市年際間降水量變化顯著，總體呈微弱減少趨勢，年降水量傾向率為-8.4 mm/a，通過ɑ趨勢系數通過極顯著水平檢驗。從各個年代來看，20世紀70—90年代，榆林市降水量出現較大的下降趨勢，尤其是80和90兩個年代，平均降水量均低于400 mm。各季節中，降水量降幅最大的是夏季，傾向率為-7.0 mm/a；其次是春季，傾向率為-2.4 mm/a；降幅最低的是冬季，傾向率僅為-0.1 mm/a(圖5)。

2.2.3降水變化階段性劃分

根據榆林市年降水量距平累積變化特征，可以劃分為1951—1970年、1971—1989年、1990—2012三個階段(圖6)。1951—1970年，年降水量呈明顯上升趨勢，傾向率為19.1 mm/a，距平累積基本上以正距平為主，此階段平均年降水量為450 mm，顯著增加主要發生在1957年以后；1971—1989年，年降水量呈緩慢下降趨勢，波動幅度較小，此階段平均年降水量為398.5 mm；1990—2012年，榆林市年降水量出現較大幅度下滑，尤其表現在1991—2000年，此階段平均年降水量為385.0 mm。

表4 榆林市1951—2012年降水統計量

圖4 榆林市1951—2012年間年均降水量逐年變化趨勢(a)及年代平均降水量變化特征(b)Fig.4 Average annual precipitation change trend year by year(a), and decadal average rainfall variation characteristics of Yulin City from 1951 to 2012

圖5 榆林市1951—2012年春季a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)間降水量逐年變化特征Fig.5 Rainfall annual variation characteristics of Yulin city from 1951 to 2012

圖6 基于距平累積的年降水量變化階段劃分Fig.6 Steps dividing of annual precipitation variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

總的來說，榆林市在1951—2012年年降水量呈現微弱的減少趨勢，但降水量逐年分配不均，波動幅度較大。全市降水變化三個階段信號與噪聲比S/N均>1.0，全部通過突變檢驗(表5)。

表5 降水變化階段劃分的突變檢驗

3 討論與結論

榆林市過去60年的氣溫變化趨勢表明，全市氣候變暖趨勢明顯，年均氣溫增加傾向率為0.2 ℃/a，氣溫升高主要發生在20世紀90年代以后；四季氣溫變化中，冬季升溫趨勢較為明顯，其次為春季和秋季，夏季升溫趨勢最為微弱；冬季和春季氣溫的升高是榆林市氣候變暖的主要貢獻因子。降水變化表明，全市降水在劇烈波動變化中趨于減少，年降水量減少傾向率為-8.4 mm/a。四季降水變化中，夏季降水量減少趨勢最為明顯，其次為春季，冬季降水減少趨勢最為微弱，夏季降水減少是榆林市氣候變干旱的主要貢獻因子。總的來說，榆林市在1951—2012年間經歷了由冷濕氣候向暖干氣候的轉變，其中20世紀50和60年代為冷濕氣候期，70和80年代為轉型過渡期，1990年和2000年以后為暖干氣候期。

榆林市地處大陸內部，屬暖溫帶和溫帶半干早大陸性季風氣候。冬季為西伯利亞反氣旋控制，天氣睛燥，多北風。春季天氣很不穩定且有突變，空氣干燥，風沙大，成為最干旱的季節。夏季為東南季風最盛、空中水汽最多的季節，但降水量逐年變化大，且多暴雨。秋季地面逐漸冷卻，常有暖高壓脊駐留，天氣晴朗而且穩定。本區氣候特點是冬寒夏涼，降水量少且分配不均，春季多風沙，霜凍時間長。氣溫升高對榆林市生態環境帶來了較大的影響。直接影響為氣溫升高加劇了風沙天氣和旱災等氣象災害的發生，間接性影響為對植被生長條件的影響，延長植物生長周期，降低植被生產力。而降水減少，對于干旱半干旱地區來說，影響無疑是較大的，容易引起干旱災害的發生，農作物產量降低，影響地區經濟的發展，進一步增加榆林市生態系統脆弱性程度。

[1] 李克讓, 曹明奎, 於琍, 等. 中國自然生態系統對氣候變化的脆弱性評估[J]. 地理研宄, 2005, 24(5): 653- 663.

[2] 劉曉瓊, 劉彥隨, 延軍平, 等. 生態脆弱區多年氣候變化特征分析——以陜西榆林市為例[J]. 干旱區資源與環境, 2008, 22(1): 54- 59．

[3] 楊強, 覃志豪, 王濤, 等. 榆林地區1970—2010年氣候因子變化特征分析[J]. 干旱區地理, 2012, (5): 695- 707.

[4] 劉海英, 賀文彬. 榆林近50年氣溫變化的氣候特征及趨勢預測[J]. 陜西氣象, 1999(5): 7- 11.

[5] 何毅. 近60年來渭河流域氣候變化研究[D]. 咸陽: 西北農林科技大學, 2012.

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Characteristics of Climate Factor Change in Ecological Fragile Area of North China During1951-2012

LI Chun-yan1, DENG Wei1,2, QI Jing1,2, TANG Yan-qiu1, DING Jia-jia1, SUN Rong3, SONG Dan1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 400020, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3.Institute of Chemical Industry, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The temperature and precipitation changes in Yulin city from 1951 to 2012 are studied based on the meteorological data using trend and accumulated variance analysis. The results indicate that: (1) The change of temperature shows that the warming trend of Yulin city is obvious, the annual average temperature increase tendency rate is 0.20 ℃/a. (2) The change of precipitation display that the precipitation in the strong changes tend to be less, the annual precipitation reduce tendency rate is 8.4 mm/a. (3) Yulin city experienced the moist-cold climate transformed into the dry-warm during 1951-2012. (4) The rise of temperatures contributed to the sandstorm weather and drought in Yulin city, and the occurrence of meteorological disasters. With reduced precipitation, to further enhance the degree of ecosystem vulnerability of Yulin city.

ecological fragile area; Yulin City; trend analysis; accumulated variance analysis; climatic change

10.14068/j.ceia.2017.05.017

X21

： A

： 2095-6444(2017)05-0078-06

2017-06-28

國家重大科技專項(2013ZX07104-004-05)；國家社科基金(16XJY017)

李春燕(1972—)，女，重慶人，主要從事環境規劃與政策研究，E-mail：309223899@qq.com

鄧偉(1983—)，男，博士，高級工程師，主要從事生態遙感研究，E-mail：20112001027@cqu.edu.cn