1951—2021年貴州氣溫和降雨變化特征*

熊美， 周秋文， 孫榮國

1.貴州師范大學化學與材料科學學院，貴州 貴陽 550000

2.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550000

氣候變化增加了極端天氣事件的頻率和強度，嚴重影響人類生產和生活，以及社會經濟的可持續發展（Chaluvadi et al.，2021）。在全球變暖的背景下，區域氣候變化因其復雜的不確定性和災害的嚴重性而成為人類社會最關注的問題之一（Suman，2021）。政府間氣候變化專門委員會（IPCC，2013）指出，全球變暖對區域降雨模式有重大影響。季節和年降雨量的變化被認為是氣候變化的關鍵指標（Chou et al.，2013；Sorg et al.，2012）。IPCC第六次評估報告指出，全球地表溫度將持續上升，氣候系統正在經歷快速和廣泛的變化，其中一些變化是不可逆轉的（IPCC，2021）。降雨和溫度是氣候變化最重要的方面，與各種自然災害密切相關（Jin et al.，2021）。

西南地區是我國氣候變化的敏感區和脆弱區，貴州地處云貴高原，是長江、珠江上游重要的生態屏障，其溫度和降雨的變化是我國西南地區氣候變化最直觀的體現，可對區域生態環境功能造成顯著影響。我國土地面積遼闊，不同地域的氣候因子在演變特征上都存在一定程度的差異（雷陽等，2021），在不同時間維度上存在各自的特點。在全球氣候變化背景下，貴州地區的氣溫和降雨對全球氣候變暖的響應、四季氣候的變化對年氣候變化的貢獻、氣溫和降雨量之間的關系以及未來發展趨勢等相關問題尚不清楚，亟待明確。本研究通過分析1951—2021 年貴州逐日氣溫和降雨量資料，深入討論貴州省氣溫和降雨量的季節、年、年代變化特征、兩者之間的關系及未來發展趨勢。結果對理解貴州區域對全球氣候變化的響應，以及妥善制定和實施應對措施、減少災害風險、確保生態安全等有重要意義。

1 研究區域與數據統計分析方法

1.1 研究區概況

貴州省位于中國西南部的云貴高原，位于103°36?～109°35? E，24°37?～29°13? N，平均海拔約1 100 m，地貌的顯著特征是山地和丘陵居多、地貌條件復雜、生態環境極為脆弱（余祝媛等，2019）。貴州省氣候屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫約15 ℃，最冷月份（1 月）平均氣溫3～6 ℃，最熱月份（7 月）平均氣溫22～25 ℃，氣候溫暖濕潤、垂直變化特征顯著，且受西南季風和東亞季風的雙重影響（趙志龍等，2018），對全球氣候變化的響應十分敏感。年平均降雨量1 100～1 300 mm，受季風影響降水多集中于夏季，年內分布不均。同時受大氣環流及地形等影響，氣候不穩定，導致貴州氣候呈多樣性，災害性天氣種類較多（胡澤銀等，2020）。氣溫與降雨是該區域生態環境狀況的主要影響因素，亦是導致該地區土壤侵蝕和石漠化以及尾礦中重金屬浸出的主要動力因素（彭菊等，2019）。

1.2 數據來源

本研究氣候數據資料包括貴州氣象站1951—2021 年的逐日平均氣溫、最高和最低氣溫，以及降雨量數據，由中國氣象數據網（http://data.cma.cn/）提供，該數據資料完整。本研究以季、年、年代（每10 a）時間序列進行分析，3～5 月為春季，6～8 月為夏季，9～11 月為秋季，12～翌年2 月為冬季（Wu et al.，2022）。

1.3 數據分析方法

采用線性趨勢、累積距平、滑動平均、Mann-Kendal（M-K）檢驗法分析份氣溫和降雨量的變化趨勢和突變情況，運用R/S（重標極差分析法）分析氣溫和降雨量的未來發展趨勢，利用回歸分析法分析氣溫與降雨量之間的關系，并進行顯著性檢驗（雷陽等，2021；郝明等，2022；羅梅等，2020；王文艷等，2012；史雯雨等，2021；段娜等，2018；王國強等，2021；Han et al.，2021；熊光紅，2015）。

M-K 方法是一種非參數統計檢驗方法，既可以檢驗時間序列的變化趨勢，也可以進行突變點檢驗。在以往氣候變化研究中得到了廣泛的應用（Moradi，2020），具有樣本不需要特定分布、異常值干擾小、適用性廣、量化程度高和計算方便的優點（Yürekli，2015）。原假設H0是原序列（x1，x2，…，xn）無變化趨勢，假設H1是原序列存在變化趨勢，構造一個秩序列

其中sgn(x)為符號函數。

定義統計量

UFk為標準正態分布，其中UF1=0；UFk是按時間序列X的順序（x1，x2，…，xn）計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列X的逆序，重復上述步驟，可得到UBk，其中，UBn=0。UFk點繪成UF曲線，UBk點繪成UB曲線。突變點的詳細判別標準參考Wu et al.（2021）。

R/S分析法的赫斯特指數（Hurst）是定量描述時間序列數據長期依賴性的有效方法（王俊驕等，2019）。當H=0.5 時，時間序列是隨機的，未來變化趨勢與過去趨勢無關；若0≤H<0.5，表示該序列具有反持續性；即未來變化趨勢與歷史趨勢相反，H越接近0說明相反持續越強；當0.5

2 結果與分析

2.1 氣溫變化特征

1951—2021 年貴州的年平均氣溫為14.53 ℃，最高年平均氣溫為15.46 ℃（1998年），最低年平均氣溫為13.64 ℃（1976 年）（圖1（a））。根據Mann-Kendall 單調趨勢檢驗（Gou et al.，2020），1951—2021年平均氣溫呈顯著升溫趨勢（P<0.05，Zc=3.25>1.96）。過去71 a 年平均氣溫的上升速率為0.08 ℃/10a，低于全國平均升溫速率（0.26 ℃/10a）（朱金宜，2022）和全球平均升溫速率（0.202 ℃/10a）（Ren et al.，2017）。年最高氣溫的平均值為31.90 ℃，最大值為35.07 ℃（2020 年）；年最低氣溫的平均值為-3.46 ℃，最小值為-7.27 ℃（1977年）。年最高和最低氣溫均呈整體波動上升趨勢，升溫速率分別為0.11 和 0.25 ℃/10a，其中年最低氣溫亦呈顯著上升趨勢（P<0.05，Zc= 3.54 > 1.96），升溫速率高于全球年最低氣溫的平均升溫速率（0.238 ℃/10a）（Ren et al.，2017）；年最高氣溫上升趨勢不顯著（P>0.05，Zc=1.93 < 1.96），升溫速率低于全球年最高氣溫的平均升溫速率（0.186 ℃/10a）（Ren et al.，2017）。綜上，1951—2021年貴州平均氣溫、年最高和最低氣溫的變化趨勢與全國的一致，整體呈顯著增溫趨勢；年最低氣溫的升溫速率最快，對全球氣候變暖的響應最敏感。

圖1 年氣溫變化特征Fig.1 The characteristics of annual temperature

近71 a各季節平均氣溫整體上均呈顯著上升趨勢（P<0.05，Zc> 1.96），春、夏、秋、冬季的升溫速率分別為0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a（圖2），與年平均氣溫變化趨勢一致（整體波動上升）。其中，秋、冬兩季的升溫速率相對較快，對年平均氣溫的升溫貢獻最高；而全球春、冬兩季的升溫最明顯（朱大運等，2018）。西伯利亞高壓和東亞冬季風是西南地區氣溫變化的主要影響因素，在北半球環狀模/北極濤動（NAM/AO）影響下，西伯利亞高壓和東亞冬季風的強度發生變化（齊冬梅等，2012；梁蘇潔等，2014），造成西南地區冬季氣溫的變化；當NAM/AO 正異常（正相位，持續增強）時，西伯利亞高壓和東亞冬季風減弱，冬季升溫偏快。

圖2 平均氣溫的季節變化特征Fig.2 The characteristics of seasonal in mean temperature: (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

氣溫的年代變化趨勢可直觀體現氣候在不同時間階段的變化狀況。在全球氣候變化大背景下，我國氣溫的年代變化趨勢與全球的大體一致，1950s—1980s 氣溫距平值為負值，氣溫偏冷，1980s 中期出現變暖，1990s 氣溫距平值轉為正值，呈顯著升溫趨勢（唐紅玉等，2005；任國玉等，2005；Xu et al.，2018）。貴州近71 a平均氣溫的年代變化整體呈上升趨勢（圖3（a）），1950s—1970s距平值逐漸減小，1970s 達到最小值，累計距平曲線呈下降趨勢，氣溫偏冷；從1980s 開始距平值持續增大，1990s 距平值轉為正值，2010s 氣溫距平達到最大，累計距平曲線呈上升趨勢，氣溫偏暖。年最高氣溫的距平值均為正值，雖然1980s—2010s距平值呈下降趨勢，但均比1960s—1970s 的距平值大，累計曲線呈持續上升趨勢，表明年最高氣溫呈現持續上升趨勢（圖3（b））。年最低氣溫的距平值均為負值，1950s—1970s 逐漸下降；1980s 開始距平值逐漸增大，累計曲線呈現持續下降趨勢，說明年最低氣溫開始呈現上升趨勢（圖3（c））。可見，貴州氣溫的年代變化趨勢和全球、全國的大體一致，1950s—1980s 年氣溫處于偏冷期，從1990s開始顯著增溫，進入偏暖期。

圖3 氣溫的年代變化特征Fig.3 The characteristics of the decadal in temperature

當氣候從一種穩定狀態過渡到另一種穩定狀態時，就會發生突變，這是氣候系統中普遍存在的一種非線性的特殊表現（Han et al.，2021），故研究氣溫突變對理解氣候的穩定性極為重要。UF 和UB 曲線在置信度區間（顯著性水平α=0.05）的交點為突變點。分析發現，1951—2021 年貴州省平均氣溫經歷了“上升-下降-上升-下降-上升”的變化過程，從1990 年開始呈升溫趨勢(圖4)。UF 和UB曲線相交于置信曲線內（2009年），并在2016年超過0.05 的顯著水平臨界線。可見，貴州年平均氣溫自2009年起發生明顯突變，呈顯著增溫趨勢。

圖4 年平均溫度Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 Mann-Kendall test of annual mean temperature

2.2 降雨變化特征

近71 a 貴州多年平均降雨量約為1 210 mm（圖5），整體呈下降趨勢，平均下降速率為23.46 mm/10a（P<0.05，Z=|-2.6|>1.96）與全國整體的降雨量變化趨勢相反（朱金宜，2022；胡盈盈等，2021）。年降雨量呈現“峰-谷-峰”的較大波動趨勢，最高年降雨量為1 969.77 mm（1954 年），最低年降雨量為572.15 mm（1994年），最大值與最小值之間的比值為3.4，說明貴州降雨變化劇烈。近71 a，春、夏、秋和冬季的平均降雨量分別為276.34、617.52、252.99 和63.11 mm（圖5）。前3 季的平均降雨量呈下降趨勢，下降速率分別為8.11、7.86 和8.53 mm/10a（P<0.05，Z= |-2.09|>1.96）；而冬季的平均降雨量則輕微上升趨勢，上升速率為1.03 mm/10a（P>0.05，Z=0.73<1.96）。可見，在降雨量整體下降的情況下，貴州干旱風險增加。夏季是降雨最為集中的季節，占全年降雨量總量的51%。

圖5 降雨量變化特征Fig.5 The characteristics of annual and seasonal rainfall

從年代際的角度分析可知，1950s—1970s的降雨量均大于多年平均降雨量，其中1970s 的降雨量達到最高（1 289.41 mm），1980s—2010s 的降雨量均小于多年平均降雨量，2010s 的降雨量達到最低（1 108.24 mm）（圖6）。結合累計距平曲線可知，1950s—1970s年代降雨量距平值為正值，累計距平值呈上升趨勢，說明在此期間降雨量偏多，1980s—2010s年代降雨量距平值為負值，累計距平值呈下降趨勢，說明在此期間降雨量偏少。可見，降雨量偏少時間跨度較長，貴州降雨量整體呈下降趨勢，氣候偏干。

圖6 年平均降雨量年代變化特征Fig.6 The characteristics of average annual the decadal in rainfall

年和季節降雨量的UF 和UB 曲線均有交點；除冬季外，年和其余季節降雨量整體呈下降趨勢（圖7）。年降雨量UF 曲線呈上升-下降-上升-下降的變化過程，在置信區間內相交于1986 年，即刻起，UF 曲線急速下降，在2004 年超過0.05 的顯著水平臨界線（圖7（a）），表明年降雨量自1986 年起發生明顯突變，呈顯著下降趨勢。春季的UF 曲線變化過程與年尺度相似，夏季的UF 曲線在零線附近上下波動變化，秋季呈下降-上升-下降的變化規律，冬季呈上升-下降-上升的波動變化（圖7（b～e））。春季的UF 曲線在1996 年通過顯著性檢驗水平線，僅1990 年為顯著突變點，表明自1990 年起突變顯著，呈顯著下降趨勢；秋季的UF曲線在2003—2021 年通過了0.05 的顯著性檢驗，僅1992 年為顯著突變點，表明自1992 年起突變顯著，呈顯著下降趨勢。可見，春、秋季節和年降雨量的顯著突變點分別在1990、1992 和1986 年，降雨量自20世紀90年代起，呈顯著下降趨勢。

圖7 降雨量的Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 Mann-Kendall test of annual and seasonal rainfall

2.3 降雨與氣溫的關系及發展趨勢

降雨量與氣溫的回歸分析得知，兩者的散點分布范圍廣，規律性不強（圖8～9）。年平均氣溫、年最高和最低氣溫與年降雨量間呈負相關關系，相關系數分別為-0.206、-0.147 和-0.163，僅年平均氣溫達到0.05 的顯著性水平；二次函數擬合亦呈負相關關系，相關系數分別為-0.215、-0.147、-0.208，僅年最高氣溫未達到0.05 的顯著性水平。可知，研究區域內的氣溫與降雨量之間的相關性較差。由于降雨量大小受溫度、東亞夏季風、西西太平洋副熱帶高壓和大西洋多年代際振蕩（AMO）等諸多因素的影響（任國玉等，2006；杜佳玉等，2022；劉斌等，2022），故氣溫與降水量之間的相關性通常不高。

圖8 年平均氣溫與降雨量的回歸擬合Fig.8 Regression fits of the average annual temperature with rainfall

圖9 氣溫與降雨量的回歸擬合Fig.9 Regression fitting of temperature with rainfall

通常，應用赫斯特指數（Hurst）預測氣溫和降雨的未來變化趨勢。分析年平均氣溫、年最高和最低氣溫的ln（R/S）與lnt間關系發現，兩者間呈現出較高的相關性，Hurst 指數均大于0.5（圖10（a～c）），這表明貴州地區未來的氣溫仍維持升溫趨勢。

圖10 年氣溫、年和各季降雨量的R/S分析Fig.10 R/S analysis of annual temperature, annual and seasonal rainfall

年和四季降雨量的ln（R/S）與lnt間關系亦呈現出較高的相關性，除夏季外，Hurst指數均>0.5（圖10（d～h）），表明貴州未來春、秋季節和年的降雨量仍維持下降趨勢，冬季的降雨量仍維持增加趨勢，夏季的降雨量未來可能逐漸演變為增加趨勢。亦有研究發現，貴州夏季的降雨量主要受西太平洋副熱帶高壓的影響，其逐漸偏強偏西偏南變化有利于夏季降雨量的增加（齊冬梅等，2012）。綜合氣溫與降雨量的未來變化趨勢，貴州的氣候可能繼續為暖干趨勢。

3 結 論

本文分析了1951—2021 年（近71 a）貴州逐日氣溫和降雨量數據，揭示了氣溫、降雨變化特征及兩者間的關系與未來發展趨勢，得到如下主要結論：

1） 年平均氣溫、年最高和最低氣溫分別以0.08、0.11 和 0.25 ℃/10a 的速率上升，年最低氣溫對氣候變暖的響應最敏感。春、夏、秋、冬季節平均氣溫的上升速率分別為0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a，秋冬兩季對年平均氣溫上升貢獻最大。1950s—1980s 年氣溫處于偏冷期，從1990s開始顯著增溫，進入偏暖期；年平均氣溫自2009年期起發生顯著增溫突變。

2） 降雨量以23.46 mm/10a 的速率呈顯著下降趨勢。冬季降雨量以1.03 mm/10a 的速率輕微上升，春、夏、秋分別以8.11、7.86 和8.53 mm/10a的速率下降。夏季的降雨量占年總降雨量的51%，1950s—1970s降雨量偏多，1980s—2010s降雨量偏少，整體氣候偏干。春、秋季節和年降雨量的顯著突變點分別在1990、1992、1986年。

3） 氣溫與降雨量之間呈負相關關系。氣溫和降雨量的Hurst指數值均大于0.5，說明貴州氣溫和降雨未來的變化趨勢與歷史趨勢一致，即可能持續向暖干趨勢發展，氣溫上升，降雨量下降。