秦嶺氣候分界指標時空變化特征及指示意義

李大偉, 段克勤, 李雙雙

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119)

秦嶺山地是中國南北過渡帶的主體[1]，對南北地區氣候、水系、植被和土壤有明顯的分界和分異作用。秦嶺山地的強烈屏障作用，阻擋了南部海洋性暖濕氣流翻越秦嶺北上和北部大陸性冷干氣流南下，造就其南北不同的氣候類型[2-3]，使秦嶺大致為年降水800 mm，1月0℃[4]和7月25℃等值線所在區域，其對中國自然環境、生態系統及氣候的分界作用是中國地理格局劃分和理論研究的客觀依據。

秦嶺作為中國暖溫帶和亞熱帶的分界線，確定界線的劃分指標和具體位置無疑是自然區劃研究的核心科學問題之一[5]。自1950年代以來，依據不同劃分標準和原則提出了不同的區劃方案。早在1954年羅開富在自然現象的區域組合差異和發展規律基礎上，以1月0℃和年降水量750 mm等值線劃分中國南北，界線大致為秦嶺至淮河一帶[6]。竺可楨則選擇1月0℃，≥10℃積溫4 500℃及無霜期250 d指標，大致將秦嶺—淮河一線確定為中國南北地理氣候分界線[7]。黃秉維認為熱量是自然界最為穩定的因素，按照最冷月0℃和≥10℃積溫4 500℃指標劃分中國暖溫帶和亞熱帶[8]。此后幾十年，學者們在氣候分界指標(氣溫和降水量)基礎上，添加了土壤[9]、植被[10-11]以及地貌等輔助因子，從多要素和整體性角度對中國南北方界線劃分問題進行了探討，且大多劃分方案均采用1月0℃或年降水量700～800 mm[12]作為基礎性劃分指標，劃分結果大多以秦嶺—淮河一帶為界線位置。2010年，中國氣候區劃最新方案中，秦嶺仍然是秦巴山地北亞熱帶濕潤區和汾渭平原山地暖溫帶半濕潤區的界線[13]。綜觀以上自然區劃方案研究，存在以下幾點問題：(1) 缺乏對用于區劃的氣候數據進行交叉驗證；(2) 多以單一指標(如氣溫或降水量)為主，系統考察分界指標較少；(3) 秦嶺南北盆地對比多，東西比較、山地研究少。

近50 a來，秦嶺山地降水和氣溫具有同步變化，氣溫逐漸上升，降水逐漸減少的特點，氣候暖干化現象明顯[14]。在當前秦嶺山地氣候“暖干化”背景下，氣候分界指標時空變化是否呈現新特征？氣候分界指標在秦嶺山地是否存在空間異質性？為明確和解答上述科學問題，有必要結合最新降水、氣溫資料進行分析。基于此，本文利用1970—2020年秦嶺山地126個站點降水、氣溫數據，采用薄盤樣條插值、趨勢分析等方法，對區域年降水量、1月和7月均溫時空變化特征進行分析，探討氣候分界指標高度變化，以期為認識中國南北過渡帶氣候特征、合理選取氣候分界指標和科學進行自然地理區劃提供理論依據。

1 研究區域與數據源

1.1 研究區概況

本文選取秦嶺山地(32.5°—35°N，104°—114°E)為研究區(圖1)，區域地勢西高東低，北陡南緩，水系縱橫。氣候變暖背景下，秦嶺山地氣候特征呈現區域性，為確保年降水量、1月和7月均溫時空變化分析的科學性，本文結合省級行政單位、地貌[15]、水系、地形和氣象站點分布，將研究區劃分為8個子區域，分別為：Ⅰ秦嶺西段(甘肅和四川北部西秦嶺起伏較大的高山地區[16])，Ⅱ嘉陵江河谷(嘉陵江上游谷地)，Ⅲ關中平原(陜西境內35°N以南，秦嶺北麓以北)，Ⅳ漢江盆地(陜西境內32.5°N以北，秦嶺南麓以南，丹江口水域東界以西)，Ⅴ秦嶺東段(河南西部秦嶺山地)，Ⅵ秦嶺中段(陜西秦嶺山地)，Ⅶ黃淮平原西北部(114°E以東，33.9°N以北，西邊界為關中平原和秦嶺東段)以及Ⅷ南陽盆地(114°E以東，33.9°N以南，西邊界為漢江盆地和秦嶺東段)。為探討該區域氣候分界指標高度的垂直變化規律，選取秦嶺中段—太白山和秦嶺東段—伏牛山2個典型山地剖面(圖1，虛線)，進行秦嶺山地東西比較分析。

圖1 秦嶺山地、氣象站點及剖面位置

1.2 數據來源

本文使用數據為秦嶺山地126個氣象站1970—2020年月降水量和1月、7月氣溫資料，數據源自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，對其進行了嚴格的質量控制和一致性檢驗。數字高程模型(DEM)作為本文獲取降水和氣溫柵格表面的獨立變量之一，空間分辨率為30 m×30 m (http:∥www.gscloud.cn)。

2 研究方法

為獲取秦嶺山地氣候柵格資料，以薄盤樣條插值法[3,17-18]來獲取1970—2020年秦嶺山地年降水量、1月和7月均溫柵格數據集，空間分辨率為30 m×30 m，空間插值利用ANUSPLIN 4.36軟件[19-20]完成。

為分析氣候分界指標(如，年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃)高度的垂直變化，需要在秦嶺山地進行插值結果的驗證，選擇秦嶺山地海拔最高的太白縣(1 576 m)和華山(2 065.9 m)2個站為驗證站點，由另外124個站為插值站點獲得研究區近51 a逐年降水和氣溫數據，與實測值交叉檢驗來分析薄盤樣條插值法的可靠性。

3 結果與分析

3.1 插值結果檢驗及校正

圖2是由124個站插值得到的太白和華山站近51 a年降水量、1月和7月均溫與觀測值的對比。插值的年降水量、1月和7月均溫與觀測值之間顯著相關(R>0.71，p<0.01)。其中，1月均溫插值與觀測在趨勢和量值上一致性最好，相關系數R>0.9，達到了99%的信度水平；年降水量較1月均溫趨勢略差(R分別為0.848，0.712)，但年降水量插值與觀測值時間趨勢一致，能捕捉到年降水量峰值；7月均溫插值與觀測時間趨勢高度一致(R>0.88，p<0.01)，但與觀測存在2～3℃的偏差。

注：◇為7月均溫插值；○為7月均溫觀測值；×為年降水量插值；□為年降水量觀測值；+為1月均溫插值；△為1月均溫觀測值。

為探究秦嶺太白山、伏牛山氣候分界指標高度的時間趨勢，結合上述分析結果，在秦嶺山地對7月均溫插值結果進行了偏差校正。采用經驗性系數校正方法，計算太白、華山站7月均溫多年相對偏差平均值，獲得秦嶺山地7月均溫校正系數為0.893。經偏差校正，選取絕對偏差、相對偏差和均方根誤差3個指標，以太白、華山7月均溫觀測值為參考對校正結果進行評估，結果見表1。校正后相比校正前誤差縮小了3～6倍，誤差值均接近于0。校正后，太白、華山站插值結果與觀測值的絕對偏差在0.5℃以內，故校正后的7月均溫可用于氣候分界指標高度趨勢變化的分析。

表1 太白、華山站7月均溫校正前后評估結果

3.2 年降水量、1月和7月均溫時空演變特征

3.2.1 年降水量、1月和7月均溫年際變化 按秦嶺各子區域和站點位置，計算降水量、氣溫區域平均值，繪制1970—2020年秦嶺山地8個子區域年降水量、1月和7月均溫時間序列和線性趨勢線(圖3)。近51 a來秦嶺不同地區年降水量呈劇烈振蕩上升和下降趨勢，但1月、7月均溫均呈輕微波動上升趨勢。8個子區域近51 a降水量峰值主要出現在1980年、2000年、2010年前后，2015年來除秦嶺西段和嘉陵江河谷年降水量出現陡增現象外，其余各子區域年降水量呈波動下降趨勢。近51 a秦嶺山地1月、7月均溫均呈現上升趨勢，但1月均溫升溫速率較7月均溫高(除關中平原和秦嶺中段)，特別地近3 a秦嶺山地1月均溫呈現上升趨勢，而7月均溫呈現下降趨勢。

注：○表示7月均溫、□表示年降水量、△表示1月均溫；實線為對應變量的線性趨勢線；**，*分別表示達到了0.01，0.05顯著性水平。

3.2.2 年降水量、1月和7月均溫空間分布 由插值獲取研究區1970—2020年30 m×30 m年降水量、1月和7月均溫柵格數據，計算并繪制3個變量多年均值和趨勢變化的空間分布，見圖4。在空間上，秦嶺山地年降水量、1月和7月均溫多年均值變化范圍分別為408.2～1 662.2 mm，-13～4.6℃和7.9～28.4℃。從圖4可見，秦嶺山地為降水高值區、氣溫低值區，受秦嶺地形、水汽來源影響，氣候分界指標等值線(包括：800 mm等降水量線、1月0℃和7月25℃等溫線)空間走向復雜。

近51 a來，秦嶺山地年降水量、1月和7月均溫趨勢變化空間格局差異明顯。從氣象站點年降水量、1月和7月均溫趨勢變化統計情況看，126個站點中有82個(65%)站點年降水量呈減少趨勢，有123，124個站點(97.6%，98.4%)1月和7月均溫呈增加趨勢。從空間分布上看，年降水量增加區域位于秦嶺西段、中段和關中平原南部，其他地區為減少區域，如嘉陵江河谷和秦嶺東段的青川、華山年降水量變化最為顯著(p<0.05)，青川增加速率為51.1 mm/10 a，而華山減少速率為-33.2 mm/10 a。1月和7月均溫，秦嶺山地整體呈增加趨勢，氣溫顯著增加區域位于山地北部和西部地區。

注：黑點為變化趨勢通過0.05顯著性檢驗。

3.3 秦嶺山地年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃位置高度隨時間的變化

秦嶺山地氣候“暖干化”背景下，氣候分界指標(包括年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃等值線)位置高度的變化分析，對確定地理區劃有重要的參考價值。結合分界指標等值線位置、走向及地形因子(如海拔高度、坡向等)，選擇秦嶺中段—太白山(3 767 m)和秦嶺東段—伏牛山(2 219 m)，分別提取年降水量800 mm，1月0℃以及7月25℃對應的海拔高度，繪制近51 a秦嶺山地太白山、伏牛山剖面氣候分界指標高度時間變化曲線(圖5)。

近51 a秦嶺山地年降水量800 mm，1月0℃以及7月25℃高度年際變化呈現“西部大于東部，南北坡異速”的特征。東西剖面對比表明，西部太白山年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃高度平均速率分別為-166 m/10 a，70 m/10 a以及46 m/10 a均大于東部伏牛山，東部伏牛山年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃高度平均速率分別為49 m/10 a，37 m/10 a和20 m/10 a，西部太白山呈顯著變化(p<0.01或0.05)、東部伏牛山呈不顯著變化；同一剖面南北坡比較揭示，除西部太白山年降水量800 mm高度北坡速率(-183 m/10 a)大于南坡(-149 m/10 a)外，其余各指標高度均表現為南坡大于北坡，如西部太白山1月25℃高度南坡速率為47 m/10 a(p<0.01)大于北坡速率44 m/10 a(p<0.05)。

3.4 秦嶺山地氣候分界指標高度對盆地站點降水和氣溫變化的響應

秦嶺山地氣候分界指標高度時間變化顯示，某些年份序列存在間斷現象，尤其是年降水量800 mm高度。為初步分析可能原因，結合降水、氣溫隨海拔高度變化的基本規律，分別選擇太白山、伏牛山剖面兩端2個盆地氣象站點，繪制近51 a年降水量、1月和7月均溫時間變化曲線，并標出800 mm，0℃以及25℃線(圖6)。秦嶺南部的洋縣(西部)、西峽(東部)站多個年份年降水量均大于800 mm，趨勢呈現強烈波動性，存在降水量極大(小)值年，如洋縣站1983年、1998年、2011年、2019年降水量分別為1 376 mm，1 055 mm，1 179 mm和1 186 mm，均大于800 mm；1月和7月均溫整體上高于0℃，25℃，除1977年西峽站1月均溫低至-1.5℃(小于0℃)，當年0℃等溫線南移。秦嶺北坡眉縣(西部)、洛寧(東部)站也具有同樣結論，如1984年眉縣、洛寧站7月均溫分別為22.8℃，23.9℃(均小于25℃)。結合隨海拔升高降水會增加、氣溫降低的規律，造成近51 a秦嶺山地年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃高度時間變化曲線不連續。

3.5 秦嶺山地氣候分界線的穩定性

在秦嶺山地近51 a年降水量呈減少、氣溫呈上升變化背景下，年降水量800 mm，1月0℃及7月25℃位置高度沿山地上升或下降，但均未越過秦嶺山脊向北、南推進。通過比較1970s(1970—1979年)和2010s(2010—2019年)兩個時段太白山(3 767 m)、伏牛山(2 219 m)3個氣候分界指標位置高度與山頂海拔的關系，來驗證秦嶺山地氣候分界線的穩定性。

注：□表示北坡、△表示南坡；線性趨勢線：實線表示北坡、虛線表示南坡。

注：△表示洋縣(A，B，C)、西峽(D，E，F)，□表示眉縣(A，B，C)、洛寧(D，E，F)；水平線：800 mm(A，D)，0℃(B，E)，25℃(C，F)。

圖7是秦嶺太白山、伏牛山3個氣候分界指標位置高度變化與山頂高度關系示意圖，旨在揭示秦嶺山地氣候分界線的穩定性。除太白山2010s年降水量800 mm位置高度較1970s北坡下降740 m、南坡下降662 m外，其余各指標高度均呈上升趨勢；太白山氣候分界指標位置高度變化量遠大于伏牛山，如1月0℃高度變化量：太白山南坡為297 m，伏牛山南坡為132 m。在2010s時段，太白山年降水量800 mm高度北坡為1 385 m、南坡為872 m，1月0℃高度南坡為1 306 m以及7月25℃高度北坡為985 m、南坡為862 m均低于其山頂高度3 767 m，同樣伏牛山2010s各氣候指標高度也都未越過其絕頂(2 219 m)。因此，在1970—2020年秦嶺山地氣候變化呈暖干化背景下，秦嶺山地作為劃分中國南北方的分界線仍具有穩定性。

圖7 秦嶺山地氣候分界線穩定性的邏輯示意圖

4 討 論

4.1 氣候分界指標時空變化對區域植被和水文的影響

本文選取具有氣候分界意義的年降水量、1月均溫和7月均溫指標，分析了1970—2020年秦嶺山地3個指標的時空變化特征，結果表明近51 a區域氣候整體呈顯著增暖趨勢，干濕變化呈空間異質性，如秦嶺西段、中段和嘉陵江河谷呈濕化狀態，其余各子區域呈干化狀態。在此氣候背景下，疊加秦嶺山地復雜的地形效應，勢必會放大氣候變化對區域植被和水文的影響。隨著秦嶺山地氣候逐漸增暖，區域植被覆蓋變化呈現區域性[21]、植物物候表現為生長期延長[22]；除此之外，山地因在較小的空間范圍內具有高度的環境梯度和空間異質性，對氣候變化的敏感程度僅次于兩極地區，故高山樹種對氣候變化的響應更加敏感，如2000—2015年秦嶺太白山林線樹種——太白紅杉受氣候增暖生長期平均延長幅度達0.99 d/10 a[23]。氣候變化除對區域植被生長過程影響外，還直接或間接的影響著局地水循環過程和水資源時空分配，秦嶺山地作為長江、黃河一級支流漢江和渭河的水源地、南水北調中線工程的產水區，區域氣候增暖已經造成其南北不同流域徑流有不同程度的減少趨勢。研究表明秦嶺南麓漢江上游流域1961—2013年降水量緩慢減少，氣溫顯著上升，年徑流量顯著減少[24]；秦嶺北麓渭河流域近50 a氣候增暖對徑流影響非常明顯，氣溫每升高0.9℃，徑流量減少31.82%[25]。在當前秦嶺山地氣候整體增暖、部分地區存在水資源短缺的背景下，定量預估未來氣候變化對區域水資源時空格局的影響至關重要，田晶等[26]采用CMIP5氣候模式的2套資料，結合SWAT模型模擬了漢江流域未來的徑流過程，發現在RCP4.5和RCP8.5情景下，未來漢江流域年降水量增加4.0%，3.7%，年平均徑流量增加5.1%，2.7%，這一研究結果表明未來秦嶺山地氣候存在微弱濕化趨勢，這將對地區水資源短缺有緩解作用。綜上，秦嶺氣候變化對區域植被物候、水文過程和水資源時空格局均有重要的影響，氣候指標時空規律的歷史評價和未來預估對區域可持續發展影響深遠。

4.2 氣候分界指標高度變化對區域氣候變化的響應

年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃是中國南北地理分界線劃定的重要氣候指標[5,11]，受秦嶺山地氣候變暖的影響，造成氣候分界指標等值線位置、走向發生一定程度地變化。本文秦嶺伏牛山、太白山氣候分界指標高度時間變化序列顯示，年降水量800 mm等值線分布于秦嶺山地南北兩側，年降水量800 mm高度西部太白山平均以-166 m/10 a的速率下降、東部伏牛山則以49 m/10 a的速率上升，等值線在西部垂直下降、東部垂直上升；1月0℃等值線分布于秦嶺山地南麓、7月25℃等值線分布于秦嶺南北坡麓，1月0℃高度西部太白山顯著升高，平均以70 m/10 a的速率升高，7月25℃高度平均以46 m/10 a的速率顯著上升，秦嶺山地氣溫分界指標等值線存在沿山地垂向上升現象，這一結果與全球變暖下亞熱帶明顯北移的研究結論是一致的[27]。假定未來秦嶺山地氣候變化仍呈增暖趨勢下，1月0℃等溫線是否會翻越秦嶺主脊到達秦嶺北麓？年降水量800 mm等值線在秦嶺西段是否會北移至黃土高原？秦嶺北部0℃等溫線“飛地式”[14]和“熱島”[3]特征是否會發生延展？在未來區域氣候增暖背景下關中平原地區居民是否會暴露于更強烈、更頻繁的高溫熱浪事件之中？這些問題的解答需要結合模式預測數據進行氣候分界線位置的三維立體化監測。

5 結 論

(1) 相較觀測，薄盤樣條插值方法可獲得較準確的年降水量和1月均溫序列，R均在0.7以上，p<0.01；7月均溫插值結果與觀測趨勢高度一致，卻存在2～3℃的偏差，初步得到秦嶺山地7月均溫經驗性校正系數為0.893，經校正后，插值結果較校正前誤差縮小了3～6倍。

(2) 近51 a秦嶺山地氣候東部呈“暖干化”、西部“暖濕化”。時間上，年降水量減少、1月和7月均溫升高，特別近3 a區域1月均溫升高、7月均溫降低。空間上，除秦嶺中段、西段和關中平原南部年降水量呈增加趨勢外，其他各子區域年降水量均呈減少趨勢；區域1月和7月均溫整體呈上升趨勢，北部、西部呈顯著上升趨勢(p<0.05)。

(3) 秦嶺山地年降水量800 mm高度變化呈“東西反向”，東部速率大于西部的特征，南北坡速率不同的特征。西部太白山年降水量800 mm高度平均降低速率(-166 m/10 a)大于東部伏牛山升高速率(49 m/10 a)，西部太白山北坡降低速率(-183 m/10 a)大于南坡(-149 m/10 a)，東部伏牛山南坡升高速率>北坡；1月0℃和7月25℃高度東西部趨勢相同，西部速率大于東部，如太白山1月0℃高度升高速率(70 m/10 a)大于伏牛山(37 m/10 a)。

(4) 年降水量800 mm，1月0℃和7月25℃是中國南、北方地區重要的氣候分界指標，其海拔高度用于量化秦嶺氣候分界線的位置。2010s(2010—2019年)相較1970s(1970—1979年)秦嶺山地3個氣候指標均表現為不同程度沿山地上升或下降變化，但秦嶺山地2010s時段年降水量800 mm高度北坡為1 100～1 400 m、南坡為800～1 100 m，1月0℃高度南坡為900～1 300 m以及7月25℃高度北坡為800～1 000 m、南坡為800～900 m均未越過秦嶺主脊，故秦嶺山地的氣候分界作用仍具有穩定性。