基于溫濕變量的仁懷市氣候變化特征與趨勢(shì)分析

楊雨蒙　楊熠　張莉　羅晨藝　吳新豪　駱海順　梅可遠(yuǎn)　穆彪

摘要：基于ERA5資料（ECMWF Reanalysis v5，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)），從濕度、熱力等方面對(duì)1979—2022年間仁懷市周邊地區(qū)做氣候分析，結(jié)合西南地區(qū)氣候時(shí)空態(tài)分解劃分氣候變化敏感區(qū)。結(jié)果表明：赤水河流域及周邊地區(qū)不同要素氣候變化趨勢(shì)相似：春季增濕（溫），夏季達(dá)到頂峰，秋季開始回落。仁懷市受喇叭口地形及季風(fēng)影響，5—6月降水達(dá)最大值。年最高溫度出現(xiàn)在7—8月，高溫降水錯(cuò)峰導(dǎo)致赤水河流域中段徑流量減少。REOF（Rotated Empirical Orthogonal Function，旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解）分析發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)四季溫度呈年代際變化。春冬、夏秋降水有明顯季節(jié)差異，前者為年際變化，后者為準(zhǔn)年代際。自2000以后西南地區(qū)發(fā)生氣候態(tài)位相轉(zhuǎn)變，仁懷市處于全年增暖、夏秋少雨的氣候敏感區(qū)內(nèi)，該地干熱復(fù)合事件出現(xiàn)概率上升。

關(guān)鍵詞：氣候變暖；REOF；赤水河流域

中圖分類號(hào)：P466文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008－0457（2023）06－0009－09國(guó)際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.06.002

氣候變化不僅是全球變化的主要組成部分，對(duì)人類的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境還有十分重要的影響。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，過去十年全球平均氣溫比1850—1900年高出約1.1 ℃，RCP8.5（不進(jìn)行任何減排活動(dòng)，一直依賴化石能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)的假設(shè)情景）下，全球平均氣溫將升高2.6～4.8 ℃（相較1985—2005年）［1］。全球氣候變暖導(dǎo)致極端事件發(fā)生的概率顯著增加，大部分地區(qū)極端高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間不斷增加，強(qiáng)度創(chuàng)下新高［2-3］。未來一些地區(qū)的干旱將更加嚴(yán)重，如東亞、北美西部、西歐和中歐［4-7］。氣候變化敏感區(qū)氣溫［8-10］、降水序列的演變特征及其空間分布［11］已成為學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

與全球氣候變化相比，區(qū)域氣候的變化更為復(fù)雜，影響因素更多。貴州位于第一、二級(jí)階梯過渡帶，海拔變化差異大，具有十分復(fù)雜的地形地貌。受青藏高原、西南季風(fēng)和東南季風(fēng)等多重季風(fēng)環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓帶交互影響。形成了復(fù)雜多變的天氣氣候，旱澇災(zāi)害多發(fā)［12-14］，目前已有關(guān)于貴州地區(qū)氣候變化及模擬［15-18］、氣候異常及成因剖析［19-21］等方面的研究。但西南地區(qū)以0.12 ℃/10a的增溫速率變化，高于全球平均溫度上升速率，降水在半世紀(jì)以來呈下降趨勢(shì)，氣候較歷史發(fā)生了較大變化［22-23］。

仁懷市位于貴州-四川交界，是中國(guó)醬香型白酒的發(fā)祥地。目前關(guān)于茅臺(tái)酒產(chǎn)地氣候特征的文獻(xiàn)較少。主要研究對(duì)象僅局限于氣溫、降水等物理量的分析［24-27］，未能從多個(gè)描述溫、濕等方面的物理量著手來確定仁懷市地區(qū)氣候變化特征。本文將圍繞仁懷市地區(qū)溫、濕度等氣候特征及演變規(guī)律的科學(xué)問題展開研究，更好地為地方生態(tài)環(huán)境建設(shè)、災(zāi)害性天氣防御等提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

赤水河流域位于云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶。流域地勢(shì)為西南高東北低（圖1），丘陵縱橫，赤水河由地勢(shì)較高的云南向北流動(dòng)。仁懷市位于流域中段，地勢(shì)東高西低，高低差顯著，西部海拔高度在600 m以下，東部多高山丘陵，最高在1200 m以上。仁懷市近地面高度接近850 hPa高度層。西側(cè)為喇叭口地形，受地形影響，常有局地輻合系統(tǒng)產(chǎn)生，為水汽創(chuàng)造良好的抬升條件［28-29］。夏季受青藏高原下游南支槽、四川東部西南渦的共同影響，在流域中下游易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水天氣［30-31］。

1.2數(shù)據(jù)資料

本文所使用的資料包括：

（1）ERA5資料。水平分辨率為0.25°×0.25°的地面逐月再分析資料：2 m溫度場(chǎng)；水平分辨率為0.1°×0.1°的地面逐月再分析資料：2 m溫度場(chǎng)，降水，比濕。時(shí)間范圍：1979—2022年［32］。

（2）由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn）提供的地形高度DEM高程數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m。

（3）國(guó)家青藏高原數(shù)據(jù)中心提供的水平分辨率為0.25°×0.25°的中國(guó)天然徑流量估算量月值格點(diǎn)數(shù)據(jù)集CNRD v1.0，時(shí)間范圍：1979—2018年［33］。

1.3分析方法

（1）水汽通量散度計(jì)算

（2）非絕熱加熱率計(jì)算

（3）REOF方法

REOF是在EOF（Empirical Orthogonal Function，經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解）分析的基礎(chǔ)上，截取累計(jì)解釋方差達(dá)到特定標(biāo)準(zhǔn)的若干特征向量，進(jìn)行方差極大旋轉(zhuǎn) （正交旋轉(zhuǎn)） 轉(zhuǎn)換，旋轉(zhuǎn)后的典型模態(tài)結(jié)構(gòu)清晰，可將原始場(chǎng)上與主成分信息高度相關(guān)的值集中在較小區(qū)域，極大地提高了所分離空間結(jié)構(gòu)的辨識(shí)性［35］。與EOF分析相比，REOF取樣誤差小，可有效簡(jiǎn)化變量場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)，彰顯局部特征，且其分離出的空間結(jié)構(gòu)能有效反映不同地域空間分布的相關(guān)性，故REOF在氣候診斷研究中得到了更廣泛地應(yīng)用。

2結(jié)果與分析

2.1降水特征

為探究水汽條件對(duì)降水的影響，分析850 hPa各月比濕及水汽通量散度（圖2～3）。發(fā)現(xiàn)流域濕度隨季節(jié)變化明顯，春末5月增濕，7月達(dá)到極值，8月濕度大值區(qū)向西偏移，水汽含量較7月有所減弱。仁懷市比濕場(chǎng)季節(jié)差異性強(qiáng)，夏季比濕約為冬季的3倍。歷史個(gè)例發(fā)現(xiàn)8月較7月短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻率減小。從水汽通量散度（圖3）分析水汽輸送變化發(fā)現(xiàn)，受喇叭口地形影響，仁懷市全年為水汽通量輻合，春季中期（4月）加強(qiáng)，7月最強(qiáng)，秋季（9月）減弱，冬季最弱，變化趨勢(shì)與比濕一致。季風(fēng)季節(jié)變化導(dǎo)致仁懷市水汽出現(xiàn)明顯季節(jié)差異。冬季受東北冷渦影響，850 hPa常有偏北風(fēng)回流至貴州北部。冷空氣降低溫度露點(diǎn)差，使空氣更易達(dá)到水汽飽和。1月底至4月中旬，南海、南亞夏季風(fēng)建立，由東南風(fēng)向西南風(fēng)過渡［36-38］，850 hPa偏南風(fēng)輸送南海、孟加拉灣水汽，通量散度較秋、冬季節(jié)更強(qiáng)，濕度條件好。

5月增濕為降水創(chuàng)造有利條件。7月南亞高壓加強(qiáng)，促使西太平洋副熱帶高壓在西伸過程中斷裂，四川東部高空常為兩高切變形勢(shì)，動(dòng)力條件良好，該地降水增多［39-41］。降水場(chǎng)（圖4）顯示5—6月雨量大值區(qū)集中在仁懷市東部，7月西移，位于四川東南部。仁懷市雨量大值出現(xiàn)在6—7月，月降水在180～210 mm。雨量場(chǎng)與比濕、水汽通量散度場(chǎng)月變化趨勢(shì)一致，春末發(fā)展，夏中達(dá)到鼎盛，秋初開始衰減，與當(dāng)?shù)貧庀缶謩澐值?—9月汛期一致。

2.2溫度特征分析

仁懷市主體位于28°N附近，取緯向平均（106～106.5°E），計(jì)算非絕熱加熱率（圖5），發(fā)現(xiàn)大氣各層結(jié)加熱中心主體位于仁懷市上空。冬季，大陸吹偏北風(fēng)，氣流經(jīng)習(xí)水爬坡，空氣水汽凝結(jié)蒸發(fā)，至仁懷市下沉增溫，該地秋末-春初近地面層加熱明顯；對(duì)流層高層受短波槽影響常有西北干冷氣流，使高層降溫。4月南海季風(fēng)建立，流域逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，南部地形高低落差小，焚風(fēng)效應(yīng)不顯著，近地面層加熱減弱。5月，仁懷市受青藏高原熱源發(fā)展影響，對(duì)流層中高層被加熱［42-45］。7月西太副高位于仁懷市上空，以下沉增溫運(yùn)動(dòng)為主，仁懷市自上而下一致加熱。11月大陸高壓重新建立，轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，焚風(fēng)效應(yīng)引發(fā)近地面層顯著加熱。

溫度圖（圖6）與降水月分布圖（圖4）相似，月差異顯著。5月增溫，7—8月溫度最高達(dá)26 ℃，10月回落。與非絕熱加熱結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，秋冬近地面層加熱明顯，但中高層的冷卻效應(yīng)導(dǎo)致該地區(qū)增溫并不顯著。5—8月受南亞高壓和西太副高影響近地面層加熱雖較弱，但整個(gè)大氣層一致增暖對(duì)地面溫度升高的貢獻(xiàn)更大。

仁懷市盛夏雨量偏少且伴隨高溫出現(xiàn)，高溫干旱信號(hào)加強(qiáng)。復(fù)合干熱事件發(fā)生概率上升。通過河流徑流量可側(cè)面估測(cè)高溫干旱天氣居多（圖7）。徑流量月分布與雨量相似，汛期開始時(shí)間對(duì)應(yīng)河流豐水期。仁懷市地處赤水河中段，流量6月最高，但在60 mm以下。赤水河較其余河流流量偏低，原因在于赤水河河谷高溫天氣與降水錯(cuò)峰，盛夏河流蒸騰作用顯著，降水對(duì)流量補(bǔ)充作用小。徑流量減少導(dǎo)致蒸發(fā)總量降低，進(jìn)一步影響當(dāng)?shù)貧夂蚍€(wěn)定性。

氣候研究應(yīng)選較大范圍地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間段的氣象狀況作為對(duì)象。仁懷市位于黔北，與四川毗鄰，根據(jù)溫度及降水情況，選取西南三省一市作為主體，研究近44年間的氣候變化情況，并劃分氣候敏感區(qū)域。對(duì)西南地區(qū)近44年各季節(jié)溫度做REOF分析（圖8），結(jié)果表現(xiàn)為一致增暖，有明顯的東西區(qū)域差異。春季除四川西部、云南西南部為變冷趨勢(shì)以外，其他區(qū)域表現(xiàn)為增暖趨勢(shì)。顯著區(qū)（0.6以上打點(diǎn)區(qū)域）位于四川東部、重慶、貴州等地，序列圖呈準(zhǔn)年代際變化，2000年前后轉(zhuǎn)為偏暖模態(tài)，近十年最暖春季出現(xiàn)在2018年。夏季除昆明以南，其余地區(qū)均增暖，顯著區(qū)域較春季有所北移，至四川中東部、重慶、貴州北部。序列圖為準(zhǔn)年代際變化，2000年發(fā)生突變。秋、冬兩季節(jié)增暖顯著區(qū)與春季分布類似，在西南地區(qū)東部。冬季冷區(qū)最明顯，冷暖、東西界限分明。

四季在四川東部、重慶、貴州北部的顯著區(qū)都有反映，夏、秋季西南地區(qū)呈一致增暖，顯著暖區(qū)位置有所偏差。春冬兩季模態(tài)能看出微弱冷區(qū)和暖區(qū)共存，顯著暖區(qū)分布一致，在四川東部、重慶、貴州一帶。4個(gè)模態(tài)均反映2000年前后發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)年代際變化趨勢(shì)更為穩(wěn)定，夏秋兩季反映2022年的極端高溫事件為近十年最強(qiáng)。

降水場(chǎng)（圖9）與溫度場(chǎng)結(jié)果都是正、反相間分布。表明西南地區(qū)氣候變化并非一致增暖或轉(zhuǎn)干。區(qū)別在于，降水顯著區(qū)隨季節(jié)變化大，季節(jié)變化明顯，春冬、夏秋存在明顯季節(jié)偏差。春季四川南、云南對(duì)應(yīng)成都中部、貴州降水反相變化，冬季成都中部、云南、貴州等地與四川北部反位相；夏季重慶周邊地區(qū)為顯著旱區(qū)，昆明以南多雨，秋季顯著旱區(qū)位于重慶南部、貴州等地，四川、云南北部多雨。時(shí)間變化上春、冬季節(jié)序列呈年代際變化，模態(tài)場(chǎng)年際變化差異大，云南顯著干旱信號(hào)不明顯。夏、秋兩季為準(zhǔn)年代際變化，2000年后總體趨勢(shì)向正相模態(tài)轉(zhuǎn)變，重慶夏旱、貴州秋旱趨勢(shì)逐年上升。注：打點(diǎn)區(qū)域?yàn)?.6以上大值區(qū)；RPC序列（虛線），趨勢(shì)（實(shí)線）。

根據(jù)REOF結(jié)果劃分西南地區(qū)氣候敏感區(qū)（圖10）。溫度RPC為準(zhǔn)年代際變化，顯著區(qū)范圍較接近。選取4個(gè)季節(jié)共同顯著區(qū)作為表征西南地區(qū)2000年后異常增暖的氣候敏感區(qū)，區(qū)域位于四川東部、重慶、貴州北部、云南東北部的三省一市交界處，云南受影響較小。位于黔北、四川交界的仁懷市處于增暖敏感區(qū)內(nèi)。

降水場(chǎng)各季節(jié)呈現(xiàn)不一致的變化趨勢(shì)，顯著區(qū)差異大。選擇相似性較高的春冬、夏秋兩季分別劃分，春、冬季呈年際交替變化，四川南、云南大部分區(qū)域降水年際變化大，旱澇交替出現(xiàn)，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間5年。2000年后云南等地干旱事件出現(xiàn)頻次增多。夏秋季節(jié)敏感區(qū)位于重慶、貴州交界，2000年以后干旱少雨天氣發(fā)生頻次增加。結(jié)合溫度敏感區(qū)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2000年后位于黔渝交界的仁懷市溫度逐年上升，降水減少，2022年發(fā)生了近10年來顯著的高溫干旱事件。從氣候趨勢(shì)上看，未來仁懷市該類型復(fù)合干熱事件發(fā)生概率將會(huì)上升。

3結(jié)論與討論

本文使用再分析資料通過計(jì)算水汽通量散度、非絕熱加熱率等物理量，從水汽，熱力等物理量方面對(duì)赤水河流域地區(qū)近44年間的氣候變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

仁懷市所處地理位置，夏季受高空兩高切變、四川西南渦共同影響，動(dòng)力條件良好。其西側(cè)為喇叭口地形，易產(chǎn)生局地輻合系統(tǒng)，在水汽條件良好的情況下，當(dāng)?shù)匾桩a(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。最大月降水出現(xiàn)在6月，達(dá)210 mm。流域比濕、水汽通量散度與降水場(chǎng)變化規(guī)律一致：春季加強(qiáng)，夏季最強(qiáng)，秋季減弱。季風(fēng)對(duì)流域水汽季節(jié)變化影響較大：冬季受大陸高壓及東北冷渦共同影響，850 hPa冷空氣回流至貴州北部，使空氣溫度露點(diǎn)差降低，更容易達(dá)到水汽飽和；4—5月南海、南亞季風(fēng)建立，偏南風(fēng)自孟加拉灣、南海向流域地區(qū)輸送水汽，流域水汽條件增強(qiáng)，配合抬升產(chǎn)生降水。

仁懷市南北地勢(shì)較高，處于“V”字口地形底部，該特殊地勢(shì)影響冬季近地面層加熱。冬季流域盛行大陸性偏北風(fēng)，氣流經(jīng)北部地形抬升爬坡后在仁懷市下行。焚風(fēng)效應(yīng)引起氣流下沉增溫，近地面層非絕熱加熱顯著。但冬季仁懷市高空系統(tǒng)主要為短波槽，槽后冷平流輸送使高空以冷卻為主。夏季青藏高原熱源增強(qiáng)，下游地區(qū)高空加熱效應(yīng)顯著。西太平洋副熱帶高壓西伸控制流域，下沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加熱底層大氣，低層至高空為一致加熱。流域溫度5月增溫，7—8月最強(qiáng)，10月回落，與降水場(chǎng)月變化一致。但仁懷市夏季雨期與最高溫出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)峰，引發(fā)赤水河中段徑流量減少。

分析近44年西南地區(qū)溫度、降水等氣候背景場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，2000年前后氣候態(tài)位相轉(zhuǎn)換。東部溫度升高，成都-重慶-黔北為異常顯著區(qū)。降水場(chǎng)存在春冬、夏秋季節(jié)差異。春冬，云南旱澇交替，2000年后干旱事件發(fā)生概率上升；夏秋，黔北、重慶少雨趨勢(shì)逐年增加。仁懷市位于黔北、四川交界，處于全年增溫，夏秋少雨的顯著區(qū)內(nèi)。

本研究關(guān)注于醬香酒核心產(chǎn)區(qū)氣候調(diào)查，理清當(dāng)?shù)販囟取⒔邓葰夂蜃兓厔?shì)。在全球氣候變暖背景場(chǎng)下，仁懷市近44年氣象要素變化較大，屬氣候變化敏感區(qū)，對(duì)醬香酒核心產(chǎn)區(qū)氣候獨(dú)特性研究具有一定意義。但本文對(duì)極端事件探究較少，對(duì)于仁懷地區(qū)極端事件變化規(guī)律成因研究暫未涉及。青藏高原如何影響下游地區(qū)溫度及降水變化，人類活動(dòng)在氣候變化中所作貢獻(xiàn)等問題暫不明了，后續(xù)針會(huì)對(duì)極端事件變化機(jī)理做進(jìn)一步研究。

（責(zé)任編輯：嚴(yán)秀芳）參考文獻(xiàn)：

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Analysis on the Characteristics and Trend of Climate Change in Renhuai City Based on Temperature and Humidity Variables

Yang Yumeng Yang Yi Zhang Li Luo Chenyi Wu Xinhao Luo Haishun Mei Keyuan Mu Biao

（1.Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center，Guiyang 550081，Guizhou，China; 2.Zunyi Meteorological Bureau of Guizhou Province，Zunyi 563000，Guizhou，China; 3.Renhuai Branch of Zunyi Ecological Environment Bureau，Renhuai 564500，Guizhou，China; 4.Renhuai Meteorological Bureau of Guizhou Province，Renhuai 564501，Guizhou，China; 5.College of Life Sciences，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China）

Abstract：Based on the ERA5 data（ECMWF Reanalysis v5），the humidity and heating climate around Renhuai city were analyzed from 1979 to 2022，and the? sensitive areas of climate change were divided according to the temporal-spatial state decomposition of climate in Southwest China.The results showed that the climate change trends of different elements around Chishui River basin were similar，with humidification（temperature）in Spring，peaks in Summer，and decline in Autumn.Renhuai city was affected by the trumpet topography and monsoon，and the precipitation reached its maximum value in May-June.The annual maximum temperature occurred in July-August，the staggered high temperature and precipitation lead to the decrease of runoff in the middle part of Chishui River basin.The results of REOF（Rotated Empirical Orthogonal Function）analysis showed that the four seasons temperature in Southwest China was inter-decadal，and there were apparent seasonal differences in precipitation between spring and winter，summer and autumn，with inter-annual variations in the former，quasi-inter-decadal in the latter.Since 2000，a climate phase shift has occurred in Southwest China.Renhuai was in the climate-sensitive area with year-round warming and low rainfall in summer and autumn，the probability of dry-heat composite events in the area has increased.

Keywords：climate warming; REOF; Chishui River basin