近60 年天津海岸帶地區降水與氣溫的演變規律

李 銳，郭乂瑄，郭長城，張 兵，張文江，王義東，王中良

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387；3.四川大學 水利水電學院，成都四川610065）

天津地區位于華北平原，是海河五大支流匯合和入海處，具有重要的戰略地位，然而該區域水資源嚴重短缺，2013 年人均水資源占有量101 m3，為全國平均水平的1/9[1].近年來，天津市不斷加強對水資源的保護和合理利用，水資源問題得到明顯改善，2016 年引灤入津和其他河流入津后人均水資源量達到370 m3[2].但目前天津市仍屬于嚴重缺水地區，這對農業、工業和社會經濟影響重大.此外，由于全球變暖的影響，流域的降雨量[3]、極端降雨事件[4]和潛在蒸散發[5]等水循環要素的變化均對天津市水資源管理和農業產生影響[6]，尤其是在作物關鍵生長期的春季（3—4 月份），降雨量減少但蒸發量增加，造成冬小麥生長期延長[7-9]，導致植物需水量和需水時段的改變.因此，研究全球變暖背景下降雨與氣溫的變化規律對于農業、工業和社會生產水資源的合理規劃和利用具有重要意義[10].

目前，已有研究對天津地區降雨和氣溫的變化規律展開分析，從降雨的年際變化來看，天津地區年降雨量自1960 年代起呈現顯著減少趨勢[11-13]，現正處于周期底部、降雨偏少階段，2001 年后，年降雨量呈現增加趨勢，但仍處于偏少階段[14-15].從季節變化來看，夏季降雨量自1996 年后呈顯著減少趨勢，其他季節無明顯變化，而季節降雨與年降雨量間的提前或滯后關系機制尚不明確[16-17].從地區差異來看，降雨的總趨勢由太行山和燕山迎風區分別向西北和東南兩側逐漸減少[18].從氣溫的年際和季節變化來看，海河流域年平均氣溫在20 世紀90 年代后呈明顯升高趨勢，且冬季和春季升溫速率高于夏季的升溫速率，突變點為1986 年[17]，且氣溫從東南向西北逐漸降低.海河流域氣溫升高、降雨量減少以及空間上的反向特征對農業生產以及水資源的開發與利用造成不利影響[18].從降雨與氣溫的相互關系看，目前相關研究較少，且均從年尺度上討論，如張兵等[19]認為天津市所在地區年尺度降雨量與氣溫在多時間尺度上主要為非線性關系，而在季節尺度上的降雨量和氣溫的協同變化關系并不清楚.

近年來的研究主要針對整個天津市降水量和氣溫二者各自的變化規律，對于生態環境脆弱、水資源短缺的天津海岸帶地區降水量和氣溫的長期協同變化關系，特別是春旱背景下春季與全年的同步研究鮮有涉及.因此，本研究利用線性趨勢、小波分析和小波相干性對天津海岸帶地區降水量與氣溫的協同變化問題進行分析.

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

本文選取天津海岸帶地區作為研究區域.該區域位于華北沿海地區平原地帶東部，緊鄰渤海灣，北起澗河南至岐口，位于38°40′N～39°10′N，117°36′E～117°52′E；海岸線全長153 km，總面積為1337.84 km2，由原漢沽區、塘沽區和大港區組成，海河流域下游為海河五大支流南運河、子牙河、大清河、永定河和北運河的匯合處和入海處.氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，受季風影響，四季分明，春季干旱多風，冷暖多變，極易發生春旱，近年來春旱程度逐漸加重，范圍也有所擴大[20]；夏季受副高暖高壓加強的影響，氣溫高，濕度大，雨量集中，易發生旱澇急轉事件；秋季天高云淡；冬季寒冷干燥、少雪.天津市年平均氣溫為11～12 ℃，年降雨量為360～970 mm，夏季6—9 月降雨量占全年降雨量的60 %～75 %，春季降雨量不足全年降雨量的10 %. 由于4 月是主要農作物冬小麥重要的拔節期—抽穗期[21]，因此春季降水量的變化對農作物的生長極其重要.氣候變化的敏感性以及人類活動的活躍性對海岸帶的影響造成天津海岸帶地區生態環境非常脆弱，洪水、風暴潮以及城市內澇加劇，進而影響農業、工業和社會經濟的發展[22].

1.2 數據來源與處理

氣象數據來源于中國氣象局提供的1961—2018 年的天津濱海塘沽站（39.05 °E，117.72 °N）流域范圍內的日平均氣溫和日降水量觀測數據.經過對氣象數據進行統計，1961—2018 年58 a 的日均氣溫和降水數據完整，可以計算得到氣溫全年累積值和降水全年累積值.此外，基于氣象行標[23]的要求，依據連續5 d 平均氣溫為10～22 ℃時為春季來劃分、計算和統計春季氣溫值和春季降水量，進而分析氣溫與降水的變化規律和相互關系.

1.3 分析方法

1.3.1 回歸分析法

回歸分析又稱線性回歸，基本思路為因變量y 隨著自變量x 的變化而線性變化，模型方程式為y=ax+b，其中y 為分析對象，x 為時間因子，a 和b 為待定系數.變化程度與趨勢取決于一次方程的斜率a，a>0 表示增加（上升）趨勢；a<0 表示下降（減少）趨勢.

1.3.2 小波分析

小波變換（wavelet transform）是21 世紀80 年代發展起來的信號分析工具，它將信號與一個在時域和頻域均具有良好局部化性質的函數族進行卷積分，從而把信號分解成一組位于不同頻帶和時段內的分量；具有時頻局部化和多分辨率特性，能夠較為準確地判斷出水文時間序列中時間尺度（周期）的具體時段.

給定小波函數φa，b（x），時間序列f（x）∈L2（R）的連續小波變化（continuous wavelet transform，CWT）為

式（1）中：尺度因子a 反映小波的周期長度；平移因子b 反映時間上的平移.CWT 所得結果為一系列小波系數Wf（a，b），用以表示該部分信號與小波的近似程度.地學中大部分研究對象的信號為非連續變化的離散信號.設函數f（x）=f（kΔt），其中k=1，2，3，…，n，Δt 為取樣間隔，則式（1）的離散小波變換為

常用的小波函數有Morlet 小波、Mexican Hat 小波和Haar 小波等，其中Morlet 小波的波形與降雨和氣溫時間序列的波形相近，且在時頻域局部性較好，故本研究采用Morlet 小波對降水與氣溫時間序列進行小波分析.

式（3）中：w0為常數；i 為虛數. 傅里葉變換為φ（x）=Morlet 小波的時間尺度a 與周期T 存在以下關系：

利用小波變換方程得到小波系數.小波系數實部圖中，等值線的閉合中心對應氣溫與降水變化中心，正值表示增多，負值表示減少；小波系數實部的零點對應氣溫與降水的突變點；小波系數的模方相當于小波能量譜，可以從小波系數模方圖看出不同周期的振蕩能量；小波方差（wavelet variance）是小波系數的平方值在b 域上的積分，表達式為

小波方差圖可以反映水文時間序列波動能量隨時間尺度a 的分布情況，用來確定水文時間序列中存在的主周期[24-25].Morlet 小波的離散小波變換為

1.3.3 小波相干性分析

與傳統小波變換相比，小波相干性（wavelet coherence，WTC）分析可以用來分析時間序列間在時頻上的互相關性.時間序列小波譜和小波互譜分別為

根據式（7）和式（8）定義小波互相關系數Wp（a，τ）為

小波互相關可以描述非平穩時間序列在不同時間尺度上和不同滯下的互相關關系，克服傳統互相關的局限性，有助于對時間序列互相關關系進行全面細致的定量分析[26].

2 研究結果

2.1 年和春季降水量變化特征

2.1.1 降水量趨勢分析

圖1 1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季降水量的變化趨勢Fig.1 Annual and spring precipitations trend of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

圖1 為天津海岸帶地區年和春季降水趨勢分析.

由圖1 可知，天津市海岸帶地區1961—2018 年年降水量呈顯著的下降趨勢（p ＜0.01），降雨傾向率為-10.9 mm/（10 a）；春季降水量則無明顯變化.

2.1.2 降水量小波實部時頻分析

圖2 為天津海岸帶地區1961—2018 年全年和春季降水量的小波系數實部圖.

圖2 1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季降水量的小波實部分析Fig.2 Wavelet real part analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由圖2（a）可以看出，年降水量存在4～6 a、10～15 a及20～30 a 共3種時間尺度的周期變化規律.其中，4～6 a 尺度主要為1970—1975 年穩定的豐枯交替的準兩次振蕩；10～15 a 尺度為1975—2000 年穩定的豐枯準三次振蕩；而20～30 a 尺度準周期在1990 年前明顯，且從30 a 以上的周期可以看出目前正處于豐水年.

由圖2（b）可以看出，春季降水量存在4～6 a、7～10 a 和23～32 a 共3種時間尺度的周期變化規律.其中，4～6 a 尺度分為1980—1998 年穩定的準五次豐枯交替變化以及2010—2016 年的準兩次豐枯交替變化；7～10 a 尺度分為1961—1970 年的準兩次豐枯交替周期變化和2003—2010 年的準兩次周期變化規律；23～32 a尺度的豐枯交替變化表現清晰且振蕩分布規律明顯.

2.1.3 降水量小波能量多時間尺度特征

圖3 為天津海岸帶地區1961—2018 年全年和春季降水量小波系數多時間尺度的模方能量特征圖.

圖3 1961—2018 年天津海岸帶地區年和春季降水量小波模方分析Fig.3 Wavelet modular analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由圖3（a）可以看出，20～32 a 時間尺度的模方值最大，在1980 年前和2010 年后20～30 a 時間尺度周期最顯著，其他時間尺度模方值均較小且存在局部性，周期變化較小或不顯著.

由圖3（b）可以看出，春季降水量4～6 a 時間尺度的模方值在1980—1997 年和2010—2017 年最大，周期最顯著，故4～6 a 尺度的周期性具有局部性；7～10 a尺度在1961—1970 年尺度能量較強，周期較顯著，在2000—2010 年尺度能量較弱，周期性不顯著，說明7～10 a 尺度的周期在最前列顯著；25～30 a 時間尺度的能量雖然不強但占據了整個時頻區域.

結合圖2（b）和圖3（b）可知，30 a 以上時間尺度周期的小波實部值為正值且圖中右邊界沒有閉合，同時30 a 以上時間尺度周期小波系數模方值較小. 因此，目前春季為降水量上升的豐水年，但上升幅度不明顯.

2.1.4 降水量小波方差主周期分析

1961—2018 年天津海岸帶地區降水量小波系數主周期特征如圖4 所示.

圖4（a）中有4 個峰值，分別對應5、13、23 和29 a的時間尺度，第一峰值為23 a 尺度，說明23 a 左右周期振蕩最強，為年降水量的第一主周期.第二至第四主周期依次為29、13 和5 a.圖4（b）中存在3 個峰值，分別為5、8 和27 a 左右的時間尺度，其中5 a 左右和27 a 左右時間尺度的小波方差值相同，同為第一峰值，因此，春季降水量的第一主周期有2 個，分別為5 a 左右和27 a 左右.第二主周期為8 a 左右.

圖4 1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季降水量小波方差分析Fig.4 Wavelet variance analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

因此，天津海岸帶地區年降水量呈現顯著下降趨勢，而春季降水量無明顯變化，小波分析全時域主周期中，年降水量的主周期為23 a 左右，春季降水量主周期為27 a 左右；年尺度的主周期比春節主周期提前約4 a，說明春季降水量的變化要延后于年降水量.

2.2 年氣溫和春季氣溫變化特征分析

2.2.1 氣溫趨勢分析

對1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季的氣溫趨勢特征進行統計，結果如圖5 所示.由圖5 可以看出，年和春季氣溫均呈顯著上升趨勢（p ＜0.01），達到了99%的置信水平，氣溫傾向率分別為16.2 ℃/（10 a）和3.39 ℃/（10 a）.

2.2.2 氣溫小波變換實部時頻變化分析

圖6 為1961—2018 年天津海岸帶地區年和春季氣溫的小波系數實部時頻特征.

圖5 1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季的氣溫變化趨勢Fig.5 Trends of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

圖6 1961—2018 年天津海岸帶地區全年和春季氣溫小波實部分析Fig.6 Wavelet real part analysis of annual and spring air temperature of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由圖6 可以看出，年氣溫與春季氣溫具有基本類似的周期規律，均存在25～30 a 時間尺度的豐枯兩次準周期振蕩周期變化規律.此外，30 a 尺度的周期小波實部值為正值，且圖中右邊界沒閉合，說明目前正處于偏暖時期.

2.2.3 氣溫小波能量多尺度特征

天津海岸帶地區1961—2018 年年和春季氣溫小波系數多尺度模方特征如圖7 所示.

圖7 1961—2018 年間天津海岸帶地區全年和春季氣溫小波模方分析Fig.7 Wavelet modular analysis of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由圖7 可知，年和春季氣溫均在20～30 a 時間尺度的模方值較大，但年尺度在1961—1980 年和1985—2000 年的模方值較大，而春季尺度模方值則在整個時域均較大.

2.2.4 氣溫小波方差的主周期分析

1961—2018 年天津海岸帶地區年和春季氣溫小波系數方尺主周期特征如圖8 所示.由圖8（a）可知，年尺度小波方差圖中只有一個峰值，為27 a 左右，而春季小波方差圖（圖8（b））中有2 個峰值，分別為7 a和27 a 左右，其中27 a 左右為第一周期.因此，年和春季氣溫的主周期均為27 a 左右.

此外，由圖8 可知，天津海岸帶地區年和春季氣溫均呈現極顯著的上升趨勢，且年累積氣溫的上升趨勢大于春季，同時年和春季氣溫具有相同的27 a 尺度的小波主周期，因此，在氣溫上春季和年尺度是同步變化的.

圖8 1961—2018 年間天津海岸帶地區全年和春季氣溫小波方差分析Fig.8 Wavelet variance analysis of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

2.3 年和春季降水量與氣溫相干性分析

天津海岸帶地區年和春季降水和氣溫的小波相干譜如圖9 所示，其中粗實線區域表示通過顯著性水平α=0.05 條件下的紅噪聲標準譜的檢驗，小波影響錐（圖9 中細弧線）以內為有效譜值，影響錐外為受邊界效應的影響.箭頭表示兩者的位相關系，→降水與氣溫間為同相位，說明兩者間為正相關關系；←表示降水與氣溫為反相位，說明兩者為負相關.↑表示氣溫變化超降水變化90°（1/4 個周期，非線性關系）.↓表示氣溫變化落后降水變化90°（1/4 個周期，非線性關系）.

由圖9（a）可知，在0～4 a 周期內年降水與氣溫在1965—1970 年存在著很強的0～2 a 周期的負相關（箭頭基本為向左），相關系數數值達到0.9，通過95%置信區間的檢驗（高能區，顯著相關），在1970—1975 年存在著很強的3～5 a 周期的負相關（箭頭向左），相關系數數值達到0.8，通過了95%的置信度；在8～10 a 周期區間，兩信號序列在1975—1995 年存在著相關系數數值達到0.6 的負相關（箭頭向左），通過了95%的置信區間.因此，在整個時間域上，1995 年以前年降水量與氣溫為顯著負相關，1995 年以后年降水量與氣溫主要為非線性關系.

由圖9（b）可知，3～5 a 周期區間的春季降水量和氣溫兩序列在1985—1995 年和2005—2010 年箭頭方向均為↑，由此可知，在95%置信區間下，1985—1995年和2005—2010 年的春季氣溫周期比降水周期落后1 a 左右，且1985—1995 年比2005—2010 年顯著（能量較大，相關系數較大），故春季降水與氣溫為非線性關系.

圖9 1961—2018 年間天津海岸帶地區全年和春季降水量與氣溫小波相干譜圖Fig.9 Annual and spring precipitation-temperature wavelet-coherent spectrum of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

3 討論

3.1 全年和春季降水量

由本研究中1961—2018 年年和春季降水量的變化特征可知，天津海岸帶地區年降水量下降趨勢顯著，而春季降水量無明顯變化. 張金堂等[27]和郝春灃等[17]研究表明海河流域年降水量的減少主要因為全球變暖導致的副高系統太平洋高壓脊線偏南和西北氣流盛行，使南方暖濕氣流無法進入北方以及海陸間水汽輸送受阻造成的夏季降雨量減少. 高新甜等[28]對華北地區季節性降水在空間上的變化特征進行分析，研究表明天津年降水量的變化主要受夏季降水量的影響最大.此外，對比前人利用線性趨勢對塘沽站的研究可知，本文年降水量每10 a 減少10.9 mm 的結果小于前人14.11～15.86 mm 的研究結果[19，29].導致計算所得年降水量降水傾向率比前人研究結果小的原因可能與選取的研究時段以及熱島效應導致的城市中心降雨增加有關[29-30].

進一步分析天津所在地區1961—2018 年全年和春季降水量的周期變化特征可知，年降水量的主周期為23 a 左右，春季降水量主周期為27 a 左右，均與前人研究結果相近[31]；年尺度的主周期比春季主周期提前約4 a，提前的原因可能與厄爾尼諾-南方濤動等環流異常的3～7 a 周期有關[32].

3.2 全年和春季氣溫

對比天津所在地區年和春季氣溫可以看出，年和春季氣溫均顯著升高，氣溫線性傾向率為16.2 ℃/（10 a）和3.39 ℃/（10 a），轉換成平均值和前人的研究結果0.29 ℃/（10 a）和0.23 ℃/（10 a）相近[28].對比全球平均增溫速率0.12（0.08～0.14）℃/（10 a）[33]可知，海河流域年平均氣溫增溫趨勢與全球增溫趨勢一致，但大于全球平均增溫速率[34].這說明天津地區氣溫升高的原因可能不僅與全球變暖有關，周雅清等[35]研究表明城市熱島效應對平均氣溫具有明顯的增強效果，故氣溫升高幅度大于全球平均值可能與城市熱島效應有關.對于年內氣溫的變化，已有研究表明海河流域1、2、3、4 和9月氣溫上升最顯著[36]，因此春季（3 月—5 月）氣溫升高將導致植物和農作物在此生長關鍵期水分需求量的增加.

3.3 年和春季降水量與氣溫的關系

氣溫升高和降水量減少會導致天津市地區干旱情況加重，進而影響植物生長期對水分的需求量；同時降水量和氣溫在1995 年后呈非線性關系[19]的原因可能是20 世紀90 年代后社會工業化的快速發展以及多種氣象因素（環流、副熱帶高壓和降雨頻率等）對降水影響的結果[37]，有研究表明海河流域小雨占降雨的類型比重最大，但暴雨對降雨量的貢獻最大，說明降雨量強度越強對降雨量的影響越大[38]；同時降水量頻率與溫度的關系更符合線性關系，說明頻率對溫度更敏感，溫度升高造成降雨頻率減少，進而導致降雨量的變化[39].環流因子中的副熱帶高壓系統變強使暖濕氣流往北推進至海河流域南部、東北冷渦活動偏多使“干冷”氣團向南推進至海河流域北部以及海陸間水汽運輸循環的加強均會導致降水量增加[40-44].人為因素的城市熱島效應使城市上空氣流上抬，導致降水量從城中心到郊區逐漸減少[29].此外，春季降水量無明顯變化的同時在1985—1995 年和2005—2010 年與氣溫存在顯著非線性相關性，且在此時間段內3～5 a 周期區間降水量周期比氣溫周期提前1 a，說明春季降水量對氣溫在全時域上的變化敏感度不高.已有學者研究表明夏季降水與氣溫呈顯著負相關性，說明與春季相比，夏季降雨對氣溫的變化更敏感[45-46]，更容易形成干旱后馬上洪澇的現象，故造成對生態環境、工業和社會經濟的影響加劇.因此，要更加準確詳細地了解天津海岸帶地區降水特征（量、頻率和強度）的變化規律與氣溫的關系，需要進一步對夏季進行分析.

4 結論

本研究針對天津海岸帶地區春旱所導致的生態環境、工業和社會經濟問題，采用線性趨勢、小波分析和小波相干性分析等研究方法對天津海岸帶地區全年和春季尺度上降水與氣溫的長期協同演變規律進行研究，得到以下結論：

（1）1961—2018 年，天津海岸帶地區全年降水量呈顯著下降趨勢，而春季降水量無明顯趨勢，年和春季氣溫均呈顯著上升趨勢，氣候總體呈“暖干化”趨勢.

（2）天津海岸帶地區年降水量主周期（23 a）比氣溫和春季降水主周期（27 a）提前4 a 左右；年和春季氣溫主周期同步，均為27 a，氣溫與春季降水的不同步將可能加劇春旱問題.

（3）小波相干性結果表明天津海岸帶地區年降水量與氣溫在1995 年前為負相關；3～5 a 周期區間內春季降水量周期比氣溫周期在1985—1995 年和2005—2010 年提前1 a 左右，全年和春季降水與氣溫在多時間尺度上主要為非線性關系，說明氣溫與降水為某種耦合關系，而非同步關系，這可能會導致春旱問題更加多變.