全球氣候變暖背景下水城縣近30 a氣溫與降水變化的新特征

嚴 銳，董 瑞，龍 園，張潤瓊，肖艷林

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000；2.貴州省水城縣氣象局，貴州 水城 553000)

0 引言

1750年以來，人類活動導致全球大氣中的主要溫室氣體如CO2、CH4和N2CO等的濃度明顯增大，大氣中溫室氣體和氣溶膠的不斷增加改變了氣候系統的能源平衡和大氣環流的特征。如今，人類活動導致全球氣候變暖是毋容置疑的事實。在全球氣候變暖的大背景下，我國很多學者針對中國氣候變化尤其在氣溫和降水方面進行了大量研究。丁一匯[1]通過對中國近百年來的氣溫變化研究發現，我國地表年平均氣溫增溫趨勢與北半球的情況十分相似，我國的平均氣溫上升0.4～0.5 ℃，相較于全球平均的0.6 ℃略低，但在具體的階段性和周期性上又有明顯的差異，表現為我國氣溫最高時段主要出現在20世紀40年代，而不是80年代以后。另外，還有研究[2-4]發現我國平均氣溫增溫幅度已高于全球平均增溫水平，并且全國各地的降水量變化差異較大[5-9]。如曲迎樂等[6]指出，1980年以后，我國西部降水量有明顯的增加趨勢，而華北地區降水明顯減少，并且我國西部、華北地區的平均降水變化特征與大氣環流的變化特征一致。趙傳成等[7]發現年降水量變化趨勢存在明顯的區域差，西北地區的西部與中部的降水量均表現為增加的趨勢，而東部為減少趨勢。韓熠哲等[8]研究指出青藏高原地區降水分布自西北向東南逐漸增加，且降水日數與降水量在地區分布上呈相同的變化趨勢。更有黃榮輝等[9]研究發現我國80年代的氣候特征與70年代的存在明顯差別，比如長江淮河流域一帶自20世紀70年代末起，降水增多，但華南和華北的降水卻在減少。

由此可見，我國各地區對全球氣候變暖的響應變并不完全相同，在時間和空間的分布上極不均勻。而正如很多研究學者如田廣生[10]得出氣候變暖所衍生出的環境惡化、氣象災害日趨頻繁等問題，不僅影響著人們的日常活動，也同樣影響著社會經濟發展，尤其對農業生產影響甚大的結論。而對于水城縣來說，盡管前人已對其氣候特征進行了分析，但研究時段主要集中在21世紀以前，如張艷梅等[11]對六盤水市年降雨量的分布研究發現，降水總趨勢除市的東部呈增長趨勢外，市的西部和南部呈減少趨勢，張錦等[12]利用標準化降水分析得出在1961—2013年中的近5 a水城縣極端干旱事件頻發。因此，通過對水城縣自1986年以來近30 a來的氣溫與降水變化特征進行分析，可以了解水城縣氣候特征在全球氣候變暖的背景下所出現的新變化，從而為當地政府提高工農業生產經濟的決策服務提供科學依據和理論基礎。

1 資料與方法

①本文采用的資料為水城縣國家基本氣象站1986—2015年共30 a的逐日觀測資料，包括氣溫、降水量等氣象要素；

②方法包括線性回歸、Morlet小波分析、統計T檢驗等。

2 平均氣溫的氣候特征

2.1 年際變化

由圖1可見，水城縣近30 a的年平均氣溫為12.7 ℃，最大值出現在2015年為13.8 ℃，最小值11.8 ℃在1995年、1996年均出現，年際變化最大值達到2 ℃。①從長期線性趨勢來看，水城縣1986—2015年的年平均氣溫總體上呈現上升趨勢，而1986—2000年期間，年平均氣溫增長較為緩慢，其變化傾向率僅為0.08 ℃/10 a。其中，1998年年平均氣溫達到13.3 ℃，較1997年有明顯的躍增(此與IPCC第一工作組報告中認為1998年是最暖的一年相符[13])，且在2000年之前，有10 a的年平均氣溫<12.7 ℃。②進入21世紀后(2001—2015年)，水城縣年平均氣溫的增溫速度為前15 a的2倍，2015年平均氣溫較1986年增幅達1.8 ℃，且在2001年之后的15 a里，有13 a的年平均氣溫>12.7 ℃。

圖1 水城縣1986—2015年平均氣溫的年際變化(單位： ℃)Fig.1 The interannual variation of average temperature in Shuicheng from1986 to 2015 (unit: ℃)

總體來說，近30 a水城縣的年平均氣溫增溫速度為0.31 ℃/10 a，高于中國近50 a的平均增溫水平0.22 ℃/10 a[2]，且長期線性趨勢相關系數達到0.503 3，通過0.01信度的統計T檢驗，增溫趨勢十分明顯。這與全球氣候變暖的宏觀背景有密切關系。

從各個季節來看，水城縣1986—2015年春季平均氣溫(圖2a)為13.4 ℃，略高于全年的平均值。且春季平均氣溫的變化傾向率達到了0.48 ℃/10 a，明顯高于全年的0.31 ℃/10 a，且其長期線性趨勢相關系數達到0.443 2(通過了0.05信度水平的統計T檢驗)。在1986—2000年，春季的平均氣溫年際變化起伏較大，但大多數年份低于13.4 ℃，而2001—2015年春季平均氣溫波動較小，除了2009年的13.1 ℃及2011年的12 ℃外，其余年份的均高于近30 a的平均值。

相比于春季，水城縣近30 a夏季平均氣溫為19.4 ℃(圖2b)且年際變化波動較小，最高值為2013年的20.5 ℃，最低值為1986年和1997年的18.7 ℃，盡管水城縣夏季氣溫的年際變率較小，但其氣溫上升傾向率同樣達到了0.24 ℃/10 a，相關系數為0.496 9，亦通過0.01水平信度的統計T檢驗，呈現出明顯的夏季氣溫穩中有升的氣候特征，并在近5 a開始出現年際波動增大的情況。

圖2 水城縣1986—2015年各個季節平均氣溫的年際變化(a，春季；b，夏季；c，秋季；d，冬季，單位：℃)Fig.2 The interannual variation of the average temperature of each season in Shuicheng from 1986 to 2015: (a) Spring; (b) Summer; (c) Autumn; (d) Winter (unit: ℃)

水城縣近30 a秋季平均氣溫(圖2c)為13.3 ℃，與春季相當，但秋季氣溫的年際波動幅度較春季小，較夏季大。從長期線性趨勢上看來，秋季平均氣溫總體上以傾向率0.55 ℃/10 a的速度呈顯著的上升趨勢，高于春季的0.48 ℃/10 a，并且其相關系數高達0.649 6，通過了0.01水平信度的顯著性檢驗。由此看來，水城縣的春、秋兩季的平均氣溫在全年的增溫趨勢中具有重要貢獻。

相較于其他三個季節平均氣溫均高于10 ℃，水城縣的冬季平均氣溫僅有4.7 ℃。從圖2d中可看出，冬季平均氣溫年際波動明顯大于其余三個季節，尤其是在2000年后，波動增加最為明顯，其中過去30 a的冬季平均氣溫最高為2010年的6.6 ℃，最低為2008年的2.1 ℃，次高值和次低值分別為2009年的6.3 ℃和2011年的2.3 ℃，上述極值均集中在2000年后的近10 a之中，且超過4 ℃的極值差亦是四個季節中最大的。盡管在長期線性趨勢上，水城縣冬季平均氣溫的氣候變化傾向率僅為-0.028 5 ℃/10 a，并未表現出顯著的下降趨勢(相關系數-0.021 91，未通過顯著性檢驗)，但由于年際變率在近年來的顯著增大，水城冬季發生極端暖冬與冷冬事件的概率同樣在增加。

2.2 周期特征

圖3給出了水城縣年平均氣溫的Morlet小波分析結果。由圖可見，年平均氣溫與春季平均氣溫(圖略)變化相似，在20世紀90年代初期至21世紀初期，存在顯著的4～6 a變化周期。而夏季平均氣溫(圖略)則僅在2000年代后期以來存在2～3 a的活動周期，雖然Morlet小波分析中在同時段還表現出10～16 a的變化周期，但受到邊界變換的影響，可信度較低。秋季平均氣溫(圖略)盡管年際變率較弱，但在活動周期中并未表現出明顯的周期變化特征。而冬季平均氣溫(圖略)則與夏季平均氣溫的顯著周期時間段相接近，但二者的變化周期稍有差別，冬季以3～6 a的變化周期為主。

圖3 水城縣年平均氣溫的Morlet小波分析Fig.3 The Morlet wavelet analysis of the annual average temperature in Shuicheng

圖4 水城縣1986—2015年年降水量(a,單位：mm)和降水距平百分率(b,單位：%)的年際變化Fig.4 The annual precipitation of Shuicheng from 1986 to 2015 (a，Unit: mm); The precipitation anomaly percentage of Shuicheng from 1986 to 2015 (b，Unit: %)

3 降水量的氣候特征

3.1 年(代)際變化

水城縣近30 a(1986—2015年)的年降水量最大值出現在2014年(1 443.0 mm)，最小值為2011年的777.9 mm，年平均降水量(圖4a)為1 133.7 mm，而張艷梅[11]研究指出20世紀60—90年代末期水城縣的年平均降水量為1 211.0 mm。結合長期線性趨勢可看到，年降水量隨時間存在一定的減少趨勢，但在不同的時間段有不同的階段性趨勢變化。在進入氣溫偏高的21世紀后(圖1)，年降水量振幅的變化相對之前有所增大，表明隨著氣候變暖，水城縣出現大旱大澇的可能性也隨之增加。從2005年之后，大多數年份的年降水量低于平均值這一現象亦可看出水城縣受到干旱威脅的可能性在增加。從降水距平百分率的年際變化同樣可以得到相似的結論，降水異常偏多年2014年的降水距平百分率達到了27.3%，而降水異常偏少年2011年的降水距平百分率為31.4%，且上述極值均出現在近10 a之中，近10 a水城縣降水距平百分率的年際變率要遠遠大于之前的20 a，從而導致了水城縣近年來極端旱澇事件頻發。

圖5 水城縣1986—2015年各個季節降水距平百分率的年際變化(柱體)、長期趨勢(黑色實線)及 其多項式平均(黑色虛線)(a，春季；b，夏季；c，秋季；d，冬季)Fig.5 The interannual variation (the column), the long-term trend (the black solid line) and the polynomial average (the black dotted line) of precipitation anomaly percentage of each season from 1986 to 2015: (a) Spring; (b) Summer; (c) Autumn; (d) Winter

對于春季來說，水城縣近30 a的春季平均降水量(圖略)為205.0 mm，最大值出現在1990年，為314.0 mm，較常年偏多53.2%；最小值出現在2011年，為65.8 mm，較常年偏少67.9%(圖5a)，且從長期線性趨勢上并未體現出明顯的變化趨勢。此外，盡管春季氣溫在近年來明顯偏高，但其年際變率亦未較之前時段有明顯增加，在這一點上明顯不同于年降水量的變化特征。

由于水城縣夏季平均降水量為620.7 mm，在全年降水量中的占比可達到50%以上[12]，所以夏季降水量的多寡亦關系到水城全年降水的旱澇分布。在過去的30 a中，夏季降水量以超過20 mm/10 a的變化傾向率下降(圖略)。由水城縣夏季降水距平百分率的年際變化中(圖5b)可見，近30 a來，盡管夏季降水偏多的年份數要稍多于偏少的年份，但降水偏少年份的降水距平要明顯大于偏多年份，從而說明水城縣夏季盡管降水容易偏多，但相對來說，在其夏季降水偏少時更容易發生嚴重的干旱事件。此外，水城縣夏季降水還存在明顯的年代際變化，20世紀80年代末期至90年代中期、2000年代中后期至今為降水偏少的時段，而1990年代末至21世紀初為降水偏多的時段。

而秋季平均降水量為253.1 mm，對年降水量貢獻為22.3%，僅次于夏季(圖略)。從長期線性趨勢上可見，秋季降水量也存在一定的下降趨勢，但其變化規律明顯分為兩個階段，1990年代秋季降水明顯偏多，偏多年份占到8成左右，而在進入2000年代以后，秋季降水開始明顯偏少。

而水城冬季降水量的長期趨勢則與其他三個季節明顯不同(圖略)，近30 a呈顯著的上升趨勢，變化傾向率達到4.85 mm/10 a，相對于平均降水量僅有54.9 mm的冬季來說，已接近平均降水量的10%，由此也說明，水城縣年平均降水量在近30 a來的增長趨勢主要是來自于春、夏、秋三季降水量的貢獻。從年際和年代際變化上來看，水城縣冬季降水量最大值出現在1995年(89.7 mm，較常年偏多63.4%)，最小值出現在2010年(27.4 mm，較常年偏少50.7%)。并且在1990年以前為明顯的冬季少雨期，在之后的20來年中，水城冬季降水量除了2010年左右出現了短暫的少雨時段，其余時期明顯偏多。

3.2 月際變化

從圖6可看出，水城縣全年降水量呈明顯的單峰型分布，以12月最少，僅15.7 mm，而以6月最多，達到226.5 mm，可謂是干濕分明。其中夏季(6—8月)是水城縣全年的雨水集中期，也屬于水城縣的主汛期范疇，夏季降水量占到了全年的54.7%，若從整個雨季(汛期)5—9月來看，水城縣雨季降水量為877.1 mm，可占到全年降水量的77.4%，而包含冬季在內的11月—翌年3月是全年的少雨期，亦是水城縣的旱季，上述5個月的降水量僅有112.8 mm，是6月降水量的一半，占全年降水量的9.9%。

圖6 1986—2015年水城縣平均月降水量(單位：mm)Fig.6 The average monthly precipitation of Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: mm)

3.3 周期特征

為分析水城縣降水的周期活動特征，圖7給出了1986—2015年年平均降水量的Morlet小波分析結果。由圖可見，水城縣年平均降水量在2009年之前沒有顯著的變化周期，而在進入2010年代以后存在2 a左右的顯著變化周期。春季降水量則在20世紀90年代初期分別具有準2 a和準4 a的變化周期，其中以準2 a最為顯著，之后在2000年代中后期存在4～8 a的變化周期。與年平均降水量變化相似，水城縣近30 a的夏季平均降水量(圖略)在2011年之前沒有顯著的變化周期，而在近幾年期間存在2 a左右的顯著變化周期，另外，在1990年代所存在的準8 a和超過16 a的變化周期由于受到小波變換邊界的影響，可信度較低。秋季平均降水量(圖略)則只在2000年中后期存在2～4 a的變化周期，其中又以準2 a左右的變化周期更為顯著。水城冬、春兩季平均降水量的變化周期相似(圖略)，分別為20世紀90年代中后期的2～3.5 a變化周期與2010年代前后4～6 a的變化周期，其中以20世紀90年期中后期的2～3 a左右的變化周期更為明顯。

圖7 水城縣年平均降水量的Morlet小波分析Fig.7 The Morlet wavelet analysis of the annual average precipitation in Shuicheng

4 年極端氣溫和極端降水氣候特征

4.1 年極端氣溫氣候特征

由表1可知，水城縣在1986—2015年間，極端最高氣溫為1991年6月1日的32.9 ℃，極端最低氣溫為1999年1月12日的-12.6 ℃。同一月份，極端最高氣溫與極端最低氣溫的差值在23.8(7月)～37.9(3月)℃之間。近30 a，水城縣全年各月之間的極端最高氣溫差值僅有10.9 ℃，而極端最低氣溫可相差達21.5 ℃，月極端最高氣溫的最小值出現在12月，而月極端最低氣溫的最大值則出現在6月。對比圖8和表1可發現，冬季期間的極端最高氣溫與極端最低氣溫之間的差值則普遍比夏季期間的大，亦與前文中所分析的冬季更易出現極端暖冬或冷冬事件的結論相一致。

表1 1986—2015年水城縣各月極端氣溫氣候統計特征(單位：℃)Tab.1 The statistical characteristics of extreme temperature of each month in Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: ℃)

從年極端氣溫所出現的月份分布統計結果來看(圖8)，水城縣極端最高氣溫在春、夏、秋三季均可出現，但以5月的10次最多，占33.3%；其次是4月份，共有6次，占20%，其中1999年極端最高氣溫29.3 ℃在5月、6月各出現一次。與前文中全年最高平均氣溫處于夏季不同，水城縣極端最高氣溫出現在春季和初夏的次數最多，3—6月共有25次，占比高達80.6%。而相對比極端最高溫，年極端最低溫所出現的月份則主要集中在冬季(12月—翌年1月)，其中以1月份為最多，共有18次，占到了60%，其次是12月份的有7次，占23.3%。

圖8 1986—2015年共30 a逐年極端最高氣溫和極端最低氣溫所在月份的統計分布Fig.8 The statistical distribution of the extreme maximum temperature and extreme minimum temperature month by year from 1986 to 2015

4.2 月極端降水氣候特征

對1986—2015年間水城縣各個月的降水量極值進行統計發現(表2)，在4—9月，水城縣月降水量最低值為7.5 mm(1994年4月)，甚至低于寒冬1月份的最低值7.7 mm，最高值為365.2 mm(2014年6月)，且整個夏季6—8月的最高值均在300 mm以上；而對于非汛期期間的10月—次年3月來說，最多降水為217.4 mm(2006年10月)，除此之外的5個月的降水量最高值均在100 mm以下，而最少降水僅有2.0 mm(1997年11月)。從最高值與最低值之間的差距來看，同一月份，極端最多與最少的降水量差值在31.9～277.4 mm之間，其中7月極端降水量相差最多，2月相差最少，這也與前文中水城縣干濕分明的季節分布結論相一致。

表2 1986—2015年水城縣各月降水量極值的氣候統計特征(單位：mm)Tab.2 The statistical characteristics of extreme precipitation of each month in Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: mm)

4.3 暴雨日數氣候特征

從圖9中可見，1986—2015年水城縣暴雨日數共有65 d，年均暴雨日數2.2 d，從月際分布(圖9a)來看，水城縣暴雨日數基本集中出現在主汛期(6—8月)，共有51 d，占到全年的79%，其中6月的暴雨次數最多，達到了22 d，占比34%，而包括冬季在內的11月—翌年3月無暴雨天氣出現。此外，圖9b還給出了水城縣暴雨日數的年際變化，由圖可見，在2000年以前，水城縣年暴雨日數分布相對平穩，除了1988年暴雨日數為0，其余年份暴雨日數均在1～3 d之間，而在進入21世紀以后，伴隨有氣溫的升高(圖1，圖2)，水城縣的年暴雨日數也開始進入了波動較大的時段，在無暴雨日數年份增加到3 a(2003年，2013年，2015年)的同時，最大年暴雨日數亦增加大4次以上，其中2005年和2014年更是分別出現了5 d和7 d的暴雨日數，結合前文的分析可知，盡管水城縣的年降水量在近30 a存在顯著的減少趨勢，但在全球變暖的氣候環境下，當地發生極端降水的事件卻在異常偏多。

5 結論

本文采用多種氣候統計方法，對水城縣氣溫、降水的氣候特征進行了分析，得到結論如下：

①水城縣年平均氣溫為12.7 ℃，并在近30 a來呈現顯著的上升趨勢，其中除冬季外，其余三季的平均溫度對年平均氣溫的增加起到了重要作用。在年際變化上，春季和冬季的平均氣溫在2000年以前和2000年以后均存在較大的年際變率，說明水城縣的春季在2000年以前極易發生冷暖春事件，而冬季則在近15 a來更容易發生極端暖冬與冷冬事件。從周期變化上來看，水城縣年平均和春季平均氣溫在1990年代初期至2000年代初期存在顯著的4～6 a變化周期。

②水城縣的年平均降水量為1 133.7 mm，并在近30 a來存在一定的減少趨勢，但與氣溫不同，其中僅有夏、秋兩季的降水存在顯著的減少趨勢，冬季降水則是明顯的增加，并且夏、秋兩季的降水占到了全年的75%以上，從而與全年降水量的變化特征息息相關；此外，在氣候變暖的背景之下，水城縣夏、秋季的降水在2000年以來年際變率顯著變大，從而導致當地更容易出現極端的旱澇事件。

圖9 1986—2015年水城縣暴雨日數的年變化(a)及年際變化(b)Fig.9 The annual variation (a) and the interannual variation (b) of rainstorm days in Shuicheng from 1986 to 2015

③水城縣全年降水量呈明顯的單峰型分布，以12月最少，6月最多，可謂是干濕分明。其中夏季(6—8月)是水城縣全年的雨水集中期，降水量占全年的54.7%，若從整個雨季(汛期)5—9月來看，水城縣雨季降水量為877.1 mm，占全年降水量的77.4%。

④過去30 a水城縣的年極端最高氣溫均可出現在春、夏、秋三季，與前文中全年最高平均氣溫處于夏季不同，水城縣極端最高氣溫出現在春季和初夏的次數最多，3—6月共有25次，占比高達80.6%；而年極端最低溫所出現的月份則主要集中在冬季(12月—翌年1月)，其中以1月份為最多，共有18次，占到了60%。

⑤水城縣平均氣溫的增加與極端降水的變化之間存在密切聯系，在過去的30 a里，水城縣年均暴雨日數2.2 d，且主要集中在6—8月，占到全年暴雨日數的79%(51 d)，但近30 a水城縣的年暴雨日數在氣溫升高、總降水量減少的氣候背景之下仍存在顯著的增加趨勢。