1960年～ 2012年長江下游流域氣候變化特征分析

周北平，薛華星，茍 尚，陳 挺，許曉珂，劉達寶

(1.南京信息工程大學大氣科學學院氣象臺，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州730020；4.中國氣象局氣象探測中心，北京100081)

1960年～ 2012年長江下游流域氣候變化特征分析

周北平1，薛華星2，茍 尚3，陳 挺4，許曉珂1，劉達寶2

(1.南京信息工程大學大氣科學學院氣象臺，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州730020；4.中國氣象局氣象探測中心，北京100081)

利用1960年～2012年長江下游地區34個氣象站逐日資料，采用線性回歸、bootstrap、Mann-Kendall檢驗、樣條插值等方法，分析長江下游地區的極端氣溫和極端降水的變化特征。結果表明，1987年后極端低溫日數開始減少，極端高溫日數開始增加，且極端高溫和極端低溫都呈現顯著上升趨勢，極端低溫的上升趨勢更為明顯；長江下游極端降水頻次和強度存在明顯的年代際差異，2000年以后極端降水頻次有所減少但強度并未減弱。城市化對于城市降雨量的影響呈現出逐年變大的趨勢，也使得城市周邊地區的降水也出現一定的增大趨勢。

特征分析；氣候；極端氣溫；極端降水；變化趨勢；長江下游流域

氣候變化背景下，長江水系極端氣候、水文事件頻率和強度可能增加，加劇長江水系水資源系統的脆弱性，影響現有水利工程和水災害應急管理系統[1-2]。舒衛民等[3]從三峽水庫降雨和徑流的相關分析得出徑流與降雨的相關性較好，降雨與徑流基本具有相同的變化趨勢的結論。郭堅[4]對雅礱江錦屏二級水電站建立了局地氣候與海拔高程、河流水面寬度之間的關系方程。經驗證，三者具有較好的相關性。由于長江水系遼闊，不同地區在地形、地理位置、氣候條件上的差異性明顯，國內諸多學者針對長江水系的不同區域范圍的氣候特征進行研究主要集中在長江上游、長江中下游、江淮流域等較大區域范圍，單獨對長江下游流域的極端氣候特征的研究相對較少。鑒于此，本文利用長江流域下游34個氣象站1960年～2012年的逐日降水資料，探究過去53年來長江下游地區極端氣溫和極端降水的變化趨勢，并且以上海為例，探討城市化對長江下游流域地區氣候特征的影響。

1 資料與方法

1.1 資料

長江下游地區作為本文的研究區域包含江蘇全省、浙江杭嘉湖地區、上海市以及安徽省的合肥、蕪湖、滁州、馬鞍山和銅陵五個地級市所轄區域。所用資料為地面氣象觀測資料，來源于國家氣象信息中心，選取長江下游地區共34個觀測站(站點分布圖略)，序列均一性都已經過檢驗。本文的研究時段為1960年1月1日到2012年10月31日共53年。

1.2 研究方法

氣候變化對水資源的影響主要表現為降水事件在時空分布上的不均勻性和不穩定性以及氣溫升高導致的蒸散發量以及水文應對氣候變化的脆弱性。因此，研究主要從極端氣溫和極端降水兩方面展開分析。

本文主要用到的方法有bootstrap[5]、Mann-Kendall[6-7]方法、一元線性回歸和樣條插值等方法；文中極端高溫、極端低溫、極端高溫日數、極端低溫日數都是本文定義的用于反映氣溫氣候變化的要素。對于極端高(低)溫，首先用bootstrap方法求出當年日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，當日平均氣溫大于日極端高溫(小于極端低溫)閾值時，即為日極端高溫(低溫)，然后對當年的日極端氣溫做平均，得出當年的極端高溫(低溫)；對于極端高溫(低溫)日數，首先用bootstrap方法求出所求年份的日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，然后根據閾值求得每年的極端高溫(低溫)日數；極端降水指數則選取極端降水頻次、極端降水總量和R95T。其中，R95T為Frich等[8]提出的定義降水極端的指數，表示超過95%百分位降水占總降水量的百分率，是極端降水量與降水量比值的百分數。

城市化分析所用方法如下：首先將上海龍華站作為城市，吳縣東山站作為區域氣候背景；在計算上海龍華站(58367)和吳縣東山站(58358)的年平均降水量后，根據所得結果選取基準年。其余年份與基準年的變化值為該年平均降雨量變化率，因此城市化對上海降雨量的影響值ΔR可由下式[9]計算。即

ΔR=ΔRa-ΔRb

(1)

式中，ΔRa為上海龍華站各年份降水量與基準年的變化值；ΔRb為吳縣東山站各年份降水量與基準年的變化值。之后再計算上海龍華站年降水變化率ΔRax與吳縣東山站的年降水變化率ΔRbz，二者的差值得到增雨率ΔR=ΔRaz-ΔRbz。由此可由下式得到城市化對于降水增加的貢獻率

P=|ΔR/ΔRaz|×100%

(2)

2 結果與分析

2.1 極端氣溫的變化特征

本文對長江下游流域的極端高溫日數、極端低溫日數、極端高溫和極端低溫4個要素進行分析(見圖1)。

圖1 長江下游流域地區極端氣溫日數的MK檢驗

從圖1可以看出，極端高溫日數與極端低溫日數在1987年附近都有一個明顯的突變點，并且從極端高溫日數與極端低溫日數的變化趨勢看，其變化趨勢剛好是相反的，極端高溫日數在1987年以前沒有很明顯的變化，而1987年以后開始顯著增加，并且在2000年后通過了95%的顯著性檢驗，而極端低溫日數則相反，在1987年以前雖然也呈現變化不明顯的情況，但在1987年以后極端低溫日數開始顯著減少，并且在20世紀90年代初期就已經通過了95%的顯著性檢驗。由此也可以看出，全球變暖效應在長江下游流域地區的極端氣溫日數上有一致的體現。

圖2為長江下游流域地區極端氣溫的年際變化及其線性回歸，可以看出，無論是極端高溫還是極端低溫，都有升高的趨勢，通過了95%的顯著性檢驗。其中極端高溫最高的5年分別是2003年、1966年、2010年、1978年和2007年，而2000年以后占了3年，其中2003年達到了38°C以上；極端低溫最低的5年分別是1969年、1980年、1976年、1967年及1972年。可以看出，20世紀90年代以后極端低溫和高溫都偏高，而且其增長趨勢也非常明顯。因此，從極端氣溫中也可看出，長江下游流域的極端氣溫上升趨勢與全球變暖趨勢非常一致。

圖2 長江下游流域地區極端氣溫的年際變化及線性回歸

2.2 降水的變化特征

由于前人對降水的研究較多，長江下游流域地區降水的變化特征在這里僅作較為簡略的概述。長江下游流域地區的極端降水強度與極端降水頻次的年際變化較為相似，在20世紀60年代初期，極端降水強度與極端降水頻次都處于較大值，20世紀60年代后期到20世紀70年代初期卻都處于較小值。其中，1978年是1960年～2012年中降水最少的年份；20世紀80年代初期極端降水強度和頻次均處于上升期，80年代末期到90年代初期呈現先下降后上升的走勢；20世紀90年代中后期以后到21世紀的2012年極端降水頻次變化幅度較小，而極端降水強度在2005年以及2007年有較大值。

近53年來R95T的變化與極端降水量、極端降水頻次具有較為相似的年際變化特點(見圖3)。R95T較大年份與極端降頻次、極端降水量較大年份相對應，其最小值為1978年的21.5%，最大值為1962年的41.2%。53年中R95T的變化傾向率為0.7%/10a，并通過了95%的顯著性檢驗。這些說明長江下游流域地區的降水正變得更為異常。

圖3 長三角地區R95T的時間變化曲線

2.3 城市化對氣候變化的貢獻

城市化改變了城市下墊面熱力和動力性質，從而對局地的氣溫、降水等氣候因素產生影響。上海市是我國的特大城市，城市化率全國最高，是城市化效應影響最為明顯的城市之一。本文采用城郊對比法，選取上海龍華站作為城市化效應最明顯的代表站，選取同緯度距離較近的東山站作為城市化效應不明顯的對比站，討論城市化對氣候變化的貢獻。

2.3.1 城市化對氣溫變化的貢獻

由東山站和上海龍華站的高溫日數、極端高溫、低溫日數、極端低溫的年際變化可以看出(見圖4)，郊區與市區站有比較一致的波動和年際變化規律；變化趨勢上市區站的升溫趨勢更為顯著，氣候傾向率也明顯大于郊區站。

高溫日數、極端高溫在20世紀80年代以前市區站基本低于郊區站，而從80年代開始市區站便逐漸追平郊區站并在90年代開始超過郊區站，2000年以后市區站與郊區站的差距不斷擴大；極端低溫日數在20世紀60年代到80年代市區站基本高于郊區站，90年代開始市區站低溫日數減少的速率加快并在2000年以后已基本低于郊區站；極端低溫表現上，市區站20世紀80年代以前都基本低于郊區站，隨著時間變化兩者之差不斷縮小，到20世紀90年代以后市區站和郊區站的極端氣溫變化幾乎同步。

由此可知，上海城市化效應對極端高溫和極端低溫都有影響。假設東山的極端氣溫變化為氣候背景變化的結果，則城市化效應使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現為市區站高溫日數、極端高溫和極端低溫上升速率快于郊區站，低溫日數下降速率快于郊區站(見表1)。

從上海城市化效應所引起的高溫日數、極端高溫、低溫日數以及極端低溫的年際變化(圖略)可知，20世紀80年代以后城市化效應引起的高溫日數和極端高溫上升最為明顯和穩定，低溫日數減少最明顯的時段也是在這一時期內，正好對應上海市高速發展期。由計算結果可知上海城市化效應所引起的氣候傾向率(見表1)。近53年間，由于上海的城市化效應使得上海的高溫日數增加了18.5 d，極端高溫上升了2.8 ℃，低溫日數減少了18.5 d，極端低溫上升了1.1 ℃。由此計算出城市化效應所引起的氣候傾向率變化分別占總體變化的85%、77%、61%和37%。

圖4 郊區東山站和市區龍華站的極端溫度年際變化

高溫日數趨勢/d·(10a)-1極端高溫趨勢/℃·(10a)-1低溫日數趨勢/d·(10a)-1極端低溫趨勢/℃·(10a)-1氣候傾向率4.10.66-5.70.51城市化效應引起的氣候傾向率3.50.51-3.50.19

2.3.2 城市化對降水變化的貢獻

從1956年到2012年的年平均降水值可以看出，城市降雨量隨時間的變化與區域背景降雨量隨時間的變化趨勢還是有些許差別。上海龍華站的降水量隨著年代的推移而逐漸增加，尤其是到了1990年以后漲幅明顯增加。吳縣東山站的降水量在1966年至1970年達到年際變化最低值，之后逐漸上升，在1996年至2000年達到峰值，而后又下降，總體呈現隨年代波動增加。另外，上海龍華站的年降水量自1970年之后，在2000年至2005年達到峰值，年均漲幅為9.67 mm/a，而吳縣東山站自1970年后至達到降水量峰值的年均漲幅為10.61 mm/a。因此，從年均降水量來分析，上海城市和區域氣候背景降水量從1970年開始都有了明顯的增幅。

為了進一步來探究城市化發展對城市降水量的影響，通過各年份與基準年的變化值得出城市化對上海城市化的影響，圖5給出了城市化和區域氣候背景對上海城市降水量的影響。由圖5可看出，1960年到1970年間城市化與區域氣候背景對降雨量的影響都為負效應，而1980年后城市化與區域氣候背景對城市降雨量的影響逐漸為正效應。這與20世紀80年代改革開放后，城市的迅速發展有關。同時，吳縣東山站，也就是區域氣候背景的影響明顯要高于城市化。這是因為在長江下游流域地區這樣一個經濟相對發達區域，其周邊農村郊區的城市化進程相較于已經發展起來的大城市是稍快的，因此對于城市降水也會有很大的影響。尤其是在20世紀90年代，在圖中也得到了對應。

圖5 1956年至2012年上海城市化和區域氣候對降水量的影響

通過式(1)計算得出了城市化影響對上海降雨量的影響值，再將其進行線性擬合得到了如圖6所示的結果。從圖6可以明顯看出，城市化對于城市降雨量的影響呈現出逐年變大的趨勢，尤其是1975年以后，影響值大于零，這與年均降水量的統計表格也有很好的對應。與此同時通過對增雨率的計算顯示，城市化對于降雨量的增加也起著很大的作用，降雨量的增加比例逐年增加，增雨率以大約1.3%的速率逐年遞增。通過式(2)又得到城市化對降水量的貢獻值為40.01%。

圖6 城市化影響值及其擬合結果

3 結 論

溫帶地區水文情勢對溫度、降水的變化都較敏感，研究長江下游流域地區極端氣溫和極端降水的氣候特征能夠為長江下游流域地區的水利工程、合理開發利用氣候資源等提供科學依據。因此，本文根據長江下游流域地區1960年～2012年逐日資料，對長江下游流域地區的極端氣候進行分析，結論如下：

(1)極端低溫日數在1987年后開始減少，極端高溫日數在1987年后開始增加，并且極端高溫和極端低溫都呈現顯著的上升趨勢，極端低溫的上升趨勢更為明顯。

(2)極端降水頻次和強度存在明顯的年代際差異，20世紀60年代初期到70年代初極端降水事件減少、強度減弱，80年代后期兩者都緩慢上升，2000年以后極端降水頻次有所減少但強度并未減弱，降水變得更為異常。

(3)20世紀80年代以前上海市區的高溫日數和極端高溫低于上海郊區，從80年代開始市區高溫日數和極端高溫開始超過郊區站，2000年以后差距不斷擴大；可以看出，城市化效應使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現為市區高溫日數、極端高溫上升速率快于郊區。

(4)從降水上看，1960年到1970年之間城市化與區域氣候背景對降雨量的影響都為負，在1980年后城市化與區域氣候背景對城市降雨量的影響逐漸為正效應。可以看出，城市化對于城市降雨量的影響呈現出逐年變大的趨勢，使得城市周邊地區的降水也出現一定的增大趨勢。

[1] 夏軍, 劉春蓁, 任國玉. 氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機遇與挑戰[J]. 地球科學進展, 2011, 26(1)： 1- 12．

[2] 彭輝, 劉帥, 馬國棟. 極端降水條件下土石壩漫壩風險研究[J]. 水力發電, 2015, 41(8)： 30- 35．

[3] 舒衛民, 李秋平, 王漢濤, 等. 氣候變化及人類活動對三峽水庫入庫徑流特性影響分析[J]. 水力發電, 2016, 42(11)： 29- 33．

[4] 郭堅. 雅礱江錦屏二級水電站局地氣候影響分析[J]. 水力發電, 2008, 34(8)： 1- 7．

[5] EFRON B. 1979: Bootstrap methods: Another look at the Jackknife[J]. The Annals of Statistics, 1979, 7(1): 1- 26．

[6] MANN H B. Nonparametric Tests Against Trend[J]. Journal of the Econometric Society, 1945, 133(3)： 245- 259．

[7] KENDALL M G. Rank Correlation Methods[R]. London: Griffin Press, 1970．

[8] FRICH P, ALEXANDER L V, DELLA-MARTA P M, et al. Observed coherent changes in climatic extremes during the second half of the twentieth century[J]. Climate Research, 2002, 19: 193- 212.

[9] 王麗娟, 查良松. 鄭州市50年來的氣候變化及城市化對其貢獻率[D]. 蕪湖： 安徽師范大學, 2010.

CharacteristicsofExtremeClimateinDownstreamCatchmentofYangtzeRiverduring1960-2012

ZHOU Beiping1, XUE Huaxing2, GOU Shang3, CHEN Ting4, XU Xiaoke1, LIU Dabao2

(1. Weather Forecast Training Center, Institute of Atmospheric Sciences, NUIST, Nanjing 210044, Jiangsu, China;2. Meteorological Observatory of Shenzhen Air Traffic Management Station, Shenzhen 518128, Guangdong, China;3. Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, Gansu, China;4. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)

The daily temperature and precipitation data of 34 meteorological stations during 1960-2012 in downstream catchment of Yangtze River are based to analyze the characteristics of extreme temperature and precipitation in downstream catchment of Yangtze River by using linear regression, bootstrap, Mann-Kendall test and spline interpolation method. The results show that: (a) the extreme low temperature days began to decrease and the extreme high temperature days began to increase after 1987, the extreme high temperature and extreme low temperature also has a significant upward trend and the extreme low temperature trend is more obvious; (b) the frequency and intensity of extreme precipitation has significant diffidence between decades, the frequency of extreme precipitation after 2000 has decreased but the intensity has not weakened; and (c) the impact of urbanization on urban rainfall is increasing year by year, and the precipitation in surrounding areas of city is also increasing．

characteristics analysis; climate; extreme temperature; extreme precipitation; variation tendency; downstream catchment of Yangtze River

P446

A

0559- 9342(2017)09- 0026- 05

2017- 01- 04

中國氣象局氣象探測中心項目(KLAS201103)，國家自然科學基金資助項目( 41005047)

周北平(1982—)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，主要從事多元資料融合與分析； 薛華星(通訊作者)．

(責任編輯陳 萍)