1960—2017年山西省降水和氣溫的時空變化特征分析

楊 倩，劉登峰，孟憲萌，黃 強，林 木

(1.西安理工大學水利水電學院 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048;2.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074;3.中央財經大學統計與數學學院，北京 100081)

在全球氣溫不斷升高的背景下，氣候變化對中國水資源的時空分布產生了很大的影響，引起了國內外廣泛的關注[1-3]。降水和氣溫是主要的氣候因子，分析其時空變化具有重要意義。受全球變暖和人類活動等多種因素的共同影響，導致很多地區(qū)降水呈減少趨勢，而氣溫卻呈升高趨勢，這種趨勢長期下去，勢必會對生態(tài)環(huán)境產生很大的破壞。欒金凱等[4]采用線性趨勢估計和滑動平均法對山東省1961—2015年的降水量進行了趨勢分析，表明山東省降水量呈減少趨勢。趙路偉等[5]對河南省1961—2014年的降水和氣溫進行分析，發(fā)現降水呈略微減少趨勢，減少速度為7.62 mm/10a，氣溫呈顯著上升趨勢，上升速度為0.18℃/10a。王月紅[6]對陜西省1960—2013年的氣象資料進行分析，發(fā)現年降水量以8.78 mm/10a的速度下降，氣溫以0.23 ℃/10a的速度上升。王心睿等[7]采用Kendall秩次相關檢驗法對陜北荒漠區(qū)榆林站1951—2013年的降水量進行趨勢分析，發(fā)現降水量呈不顯著遞減趨勢。

山西省是中國重要的能源和化工基地，大氣污染防治形勢嚴峻，而氣象條件對于大氣污染防治具有重要影響。在山西省降水和氣溫變化的研究中，趙桂香等[8]采用滑動平均法對山西省1957—2003年的降水和氣溫變化趨勢進行分析，發(fā)現降水總體呈減少趨勢，遞減率為17.3 mm/10a，氣溫呈增加趨勢，增長率為0.15 ℃/10a；張國宏等[9]采用趨勢系數、Mann-Kendall突變檢驗和小波分析法對山西省1961—2005年的降水資料進行了分析，發(fā)現年降水量呈顯著下降趨勢，具有明顯的周期振蕩，從1977年發(fā)生突變，由多雨時段轉為少雨時段；張麗花等[10]分析了山西省1961—2012年的氣溫變化，發(fā)現氣溫以0.33℃/10a的速率上升，極端最低氣溫的上升速率高于極端最高氣溫，極端最低氣溫在山西省氣溫上升中起主要作用。對比趙桂香等[8]及張麗花等[10]的研究成果，發(fā)現水文序列長度增加了10 a，氣溫增加率卻從0.15 ℃/10a變?yōu)?.33 ℃/10a。水文資料序列的長度會影響分析結果，需要采用盡量長的序列進行分析[11]。目前，有關2012年以后山西省氣象要素變化的研究很少，對每個氣象站點的觀測數據進行趨勢、突變分析的研究也很少，而近幾年的氣象條件對于整體規(guī)律的分析可能具有一定影響。

本文利用山西省18個氣象站近58 a來的年降水和氣溫數據，采用空間插值法、滑動平均法、Kendall秩次檢驗、有序聚類分析法、累積距平法、R/S分析法方法，對山西省的降水、極端最高(低)氣溫和平均氣溫的空間分布、趨勢變化、突變及持續(xù)性進行分析。

1 研究區(qū)域和數據

本文選用山西省18個氣象站1960—2017年的降水量、極端最高(低)氣溫、平均氣溫數據均來源于中國氣象數據網，其中長治站缺測1960—1972年的氣象數據，采用相關分析法對缺測數據進行插補，以保證數據的完整性。山西省DEM圖和氣象站點分布見圖1，地勢東北高西南低，氣象站點在研究區(qū)內分布比較均勻。

2 研究方法

2.1 趨勢識別與檢驗

本文先選用滑動平均法對降水和氣溫序列進行趨勢分析，再用Kendall秩次相關檢驗法進行顯著性檢驗。構造統計量:

(1)

(2)

(3)

圖1 山西省DEM和氣象站點分布

2.2 突變成分識別

識別檢驗突變點的方法眾多，如M-K值秩和檢驗、游程檢驗法、有序聚類分析法、滑動t檢驗法、累積距平法等，不同的分析方法可能會得出不一樣的結果，方法使用不當，也有可能得出錯誤的結論[12-14]。因此，在進行突變分析時，可以選擇多種方法進行比較分析[15]。本文選用有序聚類分析法和累積距平法對降水、極端最高(低)氣溫和平均氣溫進行突變識別與檢驗。累積距平法是計算每個時刻的距平值，并繪制累積距平曲線，根據起伏情況可以大致判斷出突變點[16]。有序聚類分析法的實質是通過尋求最優(yōu)分割點，以使同類之間離差平方和最小，而類與類之間離差平方和最大，從而來推斷水文序列最有可能的突變點[12,17]。總離差平方和為：

Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(4)

2.3 持續(xù)性分析

重標極差分析法通過計算赫斯特指數H來表示水文序列的持續(xù)性，0

3 結果分析

3.1 降水和氣溫的空間分布

以18個國家基本氣象站的數據為基礎，采用空間反距離權重插值法，對山西省58 a的年均降水量、極端最高氣溫、極端最低氣溫、年平均氣溫進行空間插值，得到對應的空間分布(圖2)。

從圖2a整體上可以看出，山西省東部地區(qū)年均降水量明顯大于西部地區(qū)，具有明顯的經向性，五臺山站海拔高達2 208.3 m，具有獨特的地勢，是降水量最多的站點，年均降水量為750 mm，陽城站、長治站的降水量次之，年均降水量分別為595、573 mm，位于山西省西北部的大同站、右玉站和河曲站降水量則相對很少，利用泰森多變形法求出山西省多年平均降水量為506 mm。從圖2b極端最高氣溫分布情況可以看出，分布在山西省西南部的運城、侯馬、臨汾是極端最高氣溫最高的3個站，由于這些地區(qū)夏季受太平洋暖氣流控制，盛行東南季風，多年平均極端最高氣溫均高達38.7 ℃，五臺山年均極端最高氣溫僅為20.2 ℃，山西省多年平均極端最高氣溫為34.8 ℃，極端最高氣溫整體上從西南向東北遞減。圖2c極端最低氣溫的空間分布情況與圖2b極端最高氣溫的分布情況大體一致，即極端最低氣溫從西南部向東北部遞減，具有明顯的緯向性，有隨緯度的增加而減少的趨勢，五臺山、五寨、右玉極端最低氣溫均小于-30℃，為冬季極端寒冷區(qū)，山西省的多年極端最低氣溫為-20.6 ℃。圖2d多年平均氣溫分布也是從西南向東北遞減，山西省的多年平均氣溫為9℃。

3.2 降水和氣溫變化趨勢分析

采用滑動平均法和Kendall秩次相關檢驗法分析出來的山西省18個氣象站點的降水量和氣溫變化趨勢見圖3。大同、五寨、興縣、原平4個站的降水量呈增加趨勢，但趨勢都不顯著，其它站的降水量呈減少趨勢，僅有五臺山的降水量減少趨勢顯著。除了原平和長治的極端最高氣溫呈減少趨勢外，其他站的最高氣溫呈增加趨勢，且五臺山、太原、隰縣3個站增加趨勢顯著。河曲、榆社、隰縣的極端最低氣溫呈減少趨勢，其他站的最低氣溫都呈增加趨勢，且河曲、榆社的最低氣溫呈顯著降低趨勢，五臺山、五寨、原平、離石、太原、臨汾、運城、侯馬、陽城呈顯著上升趨勢。所有站點的年平均氣溫都呈增加趨勢，除了榆社、河曲增加趨勢不顯著外，其他站都顯著增加。

a)山西省多年平均降水量空間分布

c)山西省多年平均極端最低氣溫空間分布

b)山西省多年平均極端最高氣溫空間分布

d)山西省多年平均氣溫空間分布

圖2山西省多年平均降水和氣溫空間分布

a)山西省年降水量變化趨勢

c)山西省年極端最低氣溫變化趨勢

b)山西省年極端最高氣溫變化趨勢

d)山西省年平均氣溫變化趨勢

圖3山西省降水量和氣溫變化趨勢

1960—2017年山西省多年降水量介于310～760 mm之間，降水量呈下降趨勢，遞減率為9.6 mm/10a，下降趨勢不顯著。但其降水量遞減速率大于與之臨近的河南省[5](7.62 mm/10a)和陜西省[6](8.78 mm/10a)。1964年是58 a中降水量最多的一年，達760 mm，1997年是降水量歷年來最少的一年，僅為312 mm，極端最低氣溫介于-24℃～-15℃之間，多年平均極端最低氣溫為-20.6 ℃，最低極端氣溫呈顯著上升趨勢，上升速率為0.5 ℃/10a。1998年是極端最低氣溫最低的年份，2007年是極端最低氣溫最高的年份。極端最高氣溫介于32℃～39 ℃之間，多年平均最高氣溫為34.8 ℃，最高氣溫也呈顯著上升趨勢，上升速率為0.243 ℃/10a，極端最高氣溫最高是2005年，最低是1964年。年均氣溫在7.2 ℃～10.5 ℃之間，也呈顯著上升趨勢，上升速率為0.34 ℃/10a，超過了中國平均溫升幅度(0.25 ℃/10a)，也明顯高于臨近的河南省[5](0.18 ℃/10a)和陜西省[6](0.23 ℃/10a)。平均氣溫最高和最低的一年分別是1999年和1984年。極端最低氣溫的上升速率明顯高于極端最高氣溫，說明山西省極端最低氣溫的上升在全省氣溫上升中起重要作用。

3.3 突變分析

采用累積距平法和有序聚類分析法對降水資料和氣溫資料進行突變分析，綜合兩種方法，可知降水資料在1978年發(fā)生顯著性突變，最高氣溫在1996年發(fā)生突變，最低氣溫在1985年發(fā)生突變，平均氣溫在1996年發(fā)生突變。采用同樣方法對每個氣象站的降水和氣溫觀測資料進行突變分析，結果見圖4。發(fā)現78%的降雨站點在20世紀60—80年代發(fā)生突變，僅有4個站在2000年以后發(fā)生突變。極端最高氣溫站點突變時間分布較有規(guī)律，晉西南部(三大盆地)、中西部、東北部地區(qū)站點在90年代發(fā)生突變，3個站點在2000年以后出現突變。各站點極端最低氣溫突變時間與極端最高氣溫突變時間完全不同，有7個站點在70年代發(fā)生突變，6個站點在2000年以后突變。80.33%左右的站點在20世紀90年代平均氣溫發(fā)生突變，多集中在1996年，這與山西省平均氣溫在1996年出現突變一致。

a)降水

c)極端最低氣溫

b)極端最高氣溫

d)平均氣溫

圖4山西省氣象要素突變分析

3.4 持續(xù)性分析

采用R/S分析法分別對山西省年降水量、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、平均氣溫進行持續(xù)性分析，赫斯特系數分別為0.314、0.247、0.346、0.475，均小于0.500，表明山西省未來年降水量可能會呈增加趨勢，年極端最高(低)氣溫和年平均氣溫可能會呈減小趨勢。

4 結論

本文對山西省1960—2017年平均降水量、極端最高氣溫、極端最低氣溫和平均氣溫進行空間分析，并對每個氣象站的降水和氣溫數據進行趨勢分析、顯著性檢驗及突變分析，最后對降水和氣溫數據進行持續(xù)性分析，并得出如下結論。

a)山西省多年平均降水量空間分布為東部明顯大于西部，具有明顯的經向性，五臺山站因其海拔優(yōu)勢，是降水量最豐富的站點；多年平均極端最高(低)氣溫和平均氣溫空間分布大體一致，具有明顯的緯向性，緯度越高氣溫越低。

b)近年來，山西省年平均降水量呈不顯著下降趨勢，在18個氣象站中僅有4個站的降水量呈不顯著上升趨勢，其余站的降水量都呈減少趨勢。年極端最高、低氣溫和年均氣溫都顯著上升趨勢，上升速率分別為0.243、0.500、0.340℃/10a。大部分站點的極端最高氣溫和極端最低氣溫呈增加趨勢，且有50%的站點極端最低氣溫呈顯著上升趨勢，所有站點平均氣溫都呈上升趨勢。

c)降水量在1978年發(fā)生顯著性突變；極端最高氣溫和年平均氣溫在1996年發(fā)生突變；極端最低氣溫在1985年發(fā)生突變。不同氣象站的降水和氣溫突變時間有所不同。

d)山西省未來降水量可能出現上升趨勢，氣溫可能出現下降趨勢。