1961-2019年皖西大別山區的氣候變化特征

徐建鵬, 王 暉, 伍 瓊, 王 杰, 徐 祥

(安徽省農業氣象中心/安徽省農村綜合經濟信息中心， 安徽 合肥 230031)

0 引言

【研究意義】近百年來，受人類活動和自然因素的共同影響，全球氣候變暖特征顯著，2013年IPCC報告指出，2006-2015年全球平均氣溫比工業化前的平均值高0.87℃，且變暖趨勢仍在持續。氣候變化對全球生態系統和經濟社會都產生了廣泛影響，極端天氣氣候事件發生頻率和強度增加，水資源分布失衡，海平面持續上升，給人類社會可持續發展帶來的風險增大。中國作為氣候變化的敏感區，增溫幅度明顯高于同期全球平均水平，但區域間差異明顯[1]，北方增溫速率明顯大于南方，西部地區大于東部地區，日照時數呈下降趨勢，極端強降水事件和極端高溫事件增多[2]。因此，探明區域氣候變化特征，對其生態環境保護和氣候資源的合理利用具有重要意義。【前人研究進展】黃潤等[3]研究表明，山地生態系統穩定性較差，對環境變化敏感，氣候變化存在明顯的地形差異。高翔等[4-5]報道，近50年來秦嶺地區年均氣溫顯著上升，北坡氣候暖濕化趨勢明顯，高海拔地區的植被生態系統更易受氣候變化的影響，但山區良好的植被覆蓋對極端氣候變化具有一定的緩沖作用。皖西大別山區位于我國亞熱帶和暖溫帶的過渡帶，區域氣候變化也是研究的重點。李遠平等[6]分析了大別山區近55年來最高氣溫和最低氣溫的突變和概率分布。倪婷等[7]利用2012-2014年地面自動站與中國區域CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)多衛星降水數據相融合的逐時降水量數據集，分析大別山區的降水時空分布特征。【研究切入點】目前關于皖西大別山區氣候變化的已有研究多集中于最高和最低氣溫，而降水的研究資料年限相對較短，不能反映大別山區降水的年際和年代際變化。在前人研究的基礎上，選取皖西大別山區8個氣象觀測站1961-2019年逐日平均氣溫和降水氣象資料，采用氣候傾向率及M-K突變檢驗等方法，分析近60年來皖西大別山區的熱量、輻射和降水資源變化的時空差。【擬解決的關鍵問題】探明1961-2019年皖西大別山區的熱量、輻射和降水資源變化的時空差異，分析皖西大別山區氣候資源時空變化特征，為其生態環境保護及農業生產上合理利用氣候資源提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

皖西大別山區位于東經115°21′～117°01′，北緯30°15′～31°48′，總面積為13.1萬km2，主要包括金寨縣、霍山縣、舒城縣、岳西縣、桐城市、潛山縣、太湖縣和宿松縣等8個縣市(圖1)，其海拔分別為96.5 m、68.1 m、24.8 m、435.4 m、86.0 m、65.6 m、106.3 m和55.9 m。安徽省大別山中山面積約占全部山區面積的15%，其余多為低山丘陵。該區屬于北亞熱帶溫暖濕潤季風性氣候，年均氣溫14～16℃，年均降雨量1 100～1 450 mm，年均日照時數2 000～2 200 h，海拔29～1 745 m，是安徽省內長江和淮河流域的分水嶺[8-9]。

圖1 皖西大別山區氣象站點的分布

1.2 數據來源

皖西大別山區金寨、霍山和舒城等8個縣市1961-2019年逐日氣象資料，來源于安徽省氣象信息中心，主要包括日平均氣溫(℃)、日照時數(h)和日降水量(mm)。

1.3 方法

1.3.1 氣候資源 以年均氣溫作為熱量資源，以降水量累計值作為降水資源，降雨日數為日降水量≥0.1 mm累計值。太陽總輻射計算公式：

Rs=R0(0.172+0.521n/N)

N=24ωs/π

式中，Rs為太陽總輻射(MJ/m2)，R0為天文輻射(MJ/m2)，n為實際日照時數(h)，N為可照時數(h)，ωs是日落時的時角，π取3.141 592 6[10]。

降水量(mm)等級劃分標準[11]：小雨，≥0.1～≤9.9；中雨，≥10.0～≤24.9；大雨，≥25.0～≤49.9；暴雨，≥50.0～≤99.9；大暴雨，≥100～≤249.9；特大暴雨，≥250.0。

1.3.2 氣候傾向率 氣候要素的趨勢變化采用一次線性方程表示，利用最小二乘法擬合一元線性方程。

X=a+bt

式中，X為氣象要素，t為時間，a為回歸常數，b為回歸系數。其斜率(b)表示氣象要素變化傾向率，b值的正或負反映趨勢上升或下降，b×10為氣候要素傾向率，表示氣象要素每10年的變化率[12]。

1.3.3 M-K突變檢驗 采用Mann-Kendall(M-K)非參數統計方法對氣象要素時間序列進行突變檢驗[13]，該方法可檢驗序列的變化趨勢、突變點和突變時間區域等，不需樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾。顯著水平為P<0.05，UF和UB統計量對應的臨界值為μ0.05=±1.96。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2013計算氣象數據，用DPS 7.05對數據進行M-K突變檢驗，用ArcGIS10.0進行地理分布繪圖。

2 結果與分析

2.1 熱量資源的變化

從圖2看出，1961-2019年，皖西大別山區年均氣溫為16.1℃，最大為17.0℃，出現在2007年；最小為15.2℃，出現在1980年。年均氣溫呈極顯著(P<0.01)增加，為0.16℃/10a。其中，東北部的舒城和西北部的金寨增溫較明顯，均大于0.2℃/10a，東部的桐城增溫相對較小，小于0.1℃/10a。從空間分布看，近60年皖西大別山區由北向南年均氣溫呈逐漸升高趨勢，南部的太湖、潛山和宿松等地年均氣溫大于16.5℃，中部的岳西為14.6℃。從年代際變化看，年均氣溫呈“V”字形，1970s開始下降，1980s降至最低，之后逐漸上升，2010s升至最高。經M-K檢驗，1961-2019年年均氣溫UF和UB曲線相交于2000-2001年，表明年均氣溫在2001年發生由少到多的突變，突變后較突變前上升0.7℃，且UF曲線在2004年超過μ0.05=±1.96的臨界線，增加趨勢顯著。

圖2 1961-2019年皖西大別山區年均氣溫的變化、分布及M-K突變檢驗

2.2 輻射資源的變化

從圖3可知，1961-2019年皖西大別山區年均太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，平均減幅為101.3 MJ/(m2·10a)，但不同區域差別較大。其中，以西北部的霍山減幅最大，為143.1 MJ/(m2·10a)，以南部的太湖減幅最小，為53.6 MJ/(m2·10a)。近60年來，皖西大別山區年均太陽年均總輻射為5 672.7 MJ/m2，最大為5 919.3 MJ/m2，出現在1978年；最小為4 769.7 MJ/m2，出現在2014年。從空間分布看，近60年皖西大別山區年均太陽總輻射以中部的岳西最大，大于5 400 MJ/m2，北部的霍山和舒城相對較小，小于5 200 MJ/m2。從年代際變化看，1960s太陽總輻射超過5 500 MJ/m2，之后逐漸下降，2010s不足5 100 MJ/m2。經M-K檢驗，1961-2019年年均太陽總輻射UF和UB曲線相交于1990-1991年，表明年均太陽總輻射在1989年發生由多到少的突變，突變后較突變前減少316.0 MJ/m2，且UF曲線在1993年超過μ0.05=±1.96的臨界線，減少趨勢顯著。

圖3 1961-2019年皖西大別山區年均太陽總輻射的變化、分布及M-K突變檢驗

2.3 降水資源的變化

2.3.1 降水量 從圖4看出，1961-2019年皖西大別山區年降水量呈不明顯增加趨勢，平均增幅為19.6 mm/10a，不同區域差異明顯。其中，以南部的宿松增幅最大，為50.9 mm/10a；東北部的舒城增幅最小，為2.8 mm/10a。年均降水量為1 359.2 mm，年際間差異較大，年降水量最小為806.7 mm，出現在1978年；最大為1 941.2 mm，出現在2016年。從空間分布看，近60年皖西大別山區由東北向西南年均降水量呈增加趨勢，其中降水豐富區域的年均降水量超過1 400 mm，分布于中南部的岳西、太湖和潛山等地；低值區年均降水量不足1 120 mm，分布于東北部的舒城。從年代際變化看，年均降水量以上下波動為主，呈“N”字型，1960s-1980s呈逐漸增加趨勢，1980s-2000s呈逐漸減少趨勢，2000s-2010s呈逐漸增加趨勢。經M-K檢驗，1961-2019年年均降水量UF和UB曲線有多個叉交點，且交點均位于μ0.05=±1.96臨界線內，表明1961-2019年皖西大別山區年均降水量未發生突變。

圖4 1961-2019年皖西大別山區年降水量的變化、分布及M-K突變檢驗

2.3.2 降水日數 從圖5看出，1961-2019年皖西大別山區降水日數呈不明顯減少趨勢，減幅為0.19 mm/10a，其中小雨日數呈減少趨勢，為0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日數呈增加趨勢，增幅分別為0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。近60年皖西大別山區年均降水日數為135.3 d，最大為156.4 d，出現在1989年，最小為109.7 d，出現在2011年。從空間分布看，降水日數區域間差別不大，高值區年均降水日數分別為146 d和140 d，分布于大別山區中部的岳西、霍山；低值區年均降水日數分別為128 d和127 d，分布于大別山東部的舒城、桐城。降水日數年代際呈“N”字型變化，從1960s開始增加，至1980s增至最大，之后減少，至2000s減至最低，2010s略增加。經M-K檢驗，1961-2019年皖西大別山區年均降水日數的UF和UB曲線存在多個交叉點，且交叉點均位于μ0.05=±1.96臨界線內，表明1961-2019年大別山區年降水日數未發生突變。

圖5 1961-2019年皖西大別山區降水日數的變化、分布及M-K突變檢驗

3 討論

全球氣候變暖背景下，1961-2019年皖西大別山區年均氣溫呈顯著(P<0.01)增加趨勢，增幅為0.16℃/10a。張紅等[14-15]對安徽省不同時間尺度平均氣溫變化趨勢的研究也得出相同結論，說明皖西大別山區平均氣溫變化趨勢與全省變化趨勢具有一致性。陳夢春等[16]報道，安徽省年均氣溫的升高主要受冬季升溫影響最大，春秋季次之，夏季最小。皖西大別山區年均氣溫在2001年發生由少到多的突變，突變后較突變前上升0.7℃。在8個氣象觀測站中，以岳西站年均氣溫最低，這主要與岳西氣象觀測站海拔高度有關，通常隨海拔高度增加溫度逐漸降低。

近60年皖西大別山區太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，減幅為101.3 MJ/m2，與盧燕宇等[17]對近50年安徽周年太陽總輻射時空變化特征的研究結論基本一致。盧燕宇等[17]報道，太陽總輻射與日照密切相關，所以太陽總輻射的減少主要是由于日照減少所致。何彬方等[18]研究認為，安徽省日照的減少與能見度的下降、大氣水汽壓的增加、年降水量及年雨日數的增加關系密切。張浩等[19]研究表明，安徽省近50年來能見度下降是導致日照時數下降的原因之一。空間分布上，岳西站太陽輻射明顯高于周邊站點，主要是因為太陽輻射與大氣厚度和大氣密度有關，通常海拔越高陽光通過大氣路程越短，空氣越稀薄，大氣對太陽輻射削弱越小，所以岳西氣象觀測站太陽輻射相對較大。

近60年皖西大別山區降水量呈不明顯增加趨勢，增幅為19.6 mm/10a，與唐寶琪等[15-16,20-21]關于安徽省降水量變化的研究結論較一致。皖西大別山區降水日數以波動變化為主，變化趨勢不明顯，其中小雨日數呈減少趨勢，減幅為0.64 d/10a，中雨、大雨、暴雨及以上日數呈增加趨勢，增幅分別為0.16 d/10a、0.12 d/10a和0.10 d/10a。馬曉群等[22]研究表明，1953-2006年淮河流域安徽境內年總降水日數減少，大雨以上級別雨日呈微弱增加趨勢；江俊杰等[21]研究發現，1959-2007年安徽省總雨日呈極顯著減少趨勢，其中小雨日數顯著減少，大雨日數波動減少，暴雨日數增加趨勢明顯。前述研究結論與本研究結果存在一定的差異，可能與研究范圍和時段不同有關。大別山區降水量和降水日數與觀測站海拔高度關系密切，即隨著海拔高度增加降水量和降水日數呈增加趨勢，玄海燕等[22]研究表明，長江中下游地區年降水量隨海拔高度的升高而增加。研究僅分析了大別山區年均氣溫、太陽總輻射、降水量和降水日數等氣候要素年均值的年際變化和空間分布特征，未考慮季節變化特征，也未對最高氣溫、最低氣溫、日較差、風速和蒸發等氣候要素進行分析，下一步應重點研究分析大別山區氣候多要素和不同時間尺度變化特征。

4 結論

1961-2019年皖西大別山區年均氣溫呈極顯著(P<0.01)增加趨勢，太陽總輻射呈極顯著(P<0.01)減少趨勢，降水量和降水日數以波動變化為主，變化趨勢不明顯；年均氣溫在2001年發生由少到多的突變，升高0.7℃；太陽總輻射在1989年發生由多到少的突變，減少316.0 MJ/m2；降水量和降水日數無明顯突變點。氣候資源的分布和變化與海拔高度關系密切，年均氣溫隨著海拔高度的增加而降低，太陽總輻射、降水量和降水日數隨著海拔高度的增加而增加。