江汉平原区域降水与气温长期变化趋势分析

罗启华，郭生练，李天元，伏 琳

江汉平原区域降水与气温长期变化趋势分析

罗启华1，郭生练1，李天元1，伏 琳2

（1．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2．长江水利委员会长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

挑选江汉平原区域内具有代表性的5个气象站52年间（1957－2008年）的逐月降水量和月平均气温观测资料，取显著性水平α＝0．05，运用Mann-Kendall检验对年季降水量和年平均气温时间序列进行统计分析。结果发现：区域年降水量没有明显的变化趋势。从季节变化来看，春秋两季降水呈缓和的下降变化趋势，夏季降水呈上升趋势，但变化趋势不显著，冬季降水有显著的上升变化趋势；区域年平均气温有显著的上升变化趋势，特别是最近20年来上升幅度明显增大。年平均气温时间序列从1994年开始发生了突变，突变以后上升变化趋势更加强烈。

趋势分析；Mann-Kendall检验；降水；气温；江汉平原

降水和气温是2个极其活跃的气象要素，长时间内各气象要素的统计状态就形成了气候。气候变化对人类和自然系统有重要影响，它对我国经济社会的发展有正面的也有负面的影响，但极端天气事件（如连续暴雨，持续高温等）对农业生产的影响是负面的［1］。江汉平原是我国九大商品粮基地之一，粮食生产条件好，每年能为国家提供大量的余粮。利用长系列历史实测资料分析江汉平原区域降水与气温长期变化趋势，可以增强人们对气候变化的认知水平，同时能够为该区域生态环境保护、水利工程管理以及农业经济的可持续发展等提供科学的依据。

Mann-Kendall检验是一种非参数统计检验方法［2］，其样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，且计算简便，因此它在水文、气象等非正态分布的时间序列变化趋势分析和突变检测中得到了广泛的应用。特别是近50年来，随着全球气候变化加剧，为揭示流域或者区域降水与气温变化趋势规律，出现了许多的研究成果［3－6］。另外，Mann-Kendall检验也用于河川径流量［7，8］以及蒸发量［9］等的长期变化趋势分析。

本文应用Mann-Kendall检验方法对江汉平原1957－2008年的逐月降水量和月平均气温资料进行分析，在显著性水平取α＝0．05的情况下，探讨该区域降水与气温的长期变化趋势规律。并对降水和气温时间序列进行突变检测。

1 资料及研究区概况

1．1 研究区概况

江汉平原位于湖北省中南部，介于29°26′～31° 10′N，111°45′～114°16′E之间，西起枝江，东迄武汉，北至钟祥，南与洞庭湖平原相连，面积3万余平方公里，是长江与汉江的冲积平原。地势低平，大体由西北向东南微倾。平原内湖泊众多，水网交织，气候变化四季分明，冬季寒冷湿润，夏季炎热高温，光照充足，降水丰沛。年均气温在15～17℃之间，年均降水量在1 100～1 300 mm之间，属于典型的亚热带大陆性季风气候。

1．2 资料来源及处理

资料来源于中国气象科学数据共享服务网数据库，包括1957－2008年江汉平原区域内的钟祥、荆州、天门、武汉、嘉鱼5个气象站的逐月降水量和月平均气温观测资料，资料完整无缺失。区域内地形起伏不大，站点分布均匀且处于同一气候带，气候变化无较大差异，具有良好的代表性，采用各站观测值的算术平均作为研究区域的降水和气温值，计算出区域多年平均年降水量为1 164．1 mm，多年平均气温为16．7℃。

表1为江汉平原区域内5个气象站年降水量与年平均气温特征统计值表。各站年降水量的变差系数C v值在0．19～0．23之间，年均气温的C v值在0．03～0．05之间，说明各气象站之间的降水和气温年际变化不大。武汉站的年降水量的极差和年均气温的极差都是最大，其多年平均年降水量为1 255．6 mm，多年年平均气温16．8℃。

表1 江汉平原各站1957－2008年年降水量与年平均气温特征值统计表Table 1 Eigenvalues of annual precipitation and mean tem perature at fivemeteorological stations in the Jianghan Plain

2 研究方法

当Mann-Kendall检验用于分析时间序列变化趋势时，原假设H0：时间序列数据x1，x2，…，xn是n个随机独立的、同分布的样本；备择假设H1是双边检验：对于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：

其中，

S为正态分布，其均值为0，方差Var（S）＝［n（n－1）（2n＋5）－t（t－1）（2t＋5）］／18。这里t为任意给定结点的范围，∑t是所有结点的和，当n大于10时，标准的正态统计变量z通过下式计算：

这样，在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果｜z｜≥z1－α／2，则原假设是不可接受的，即在1－α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。对于统计变量z大于0时，是上升趋势，小于0时，则是下降趋势。

当Mann-Kendall法用于时间序列突变检测时，通过构造一秩序列：

其中，当xi＞xj（j＝1，2，…，i）时，ri＝1，否则ri＝0。可见秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

式中：

UFi为标准正态分布，给定显著性水平α，若｜UFi｜＞Uα／2，则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列x按逆序排列，再重复上述过程，同时使：

通过分析统计序列UFk和UBk，可以进一步分析序列x的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域。若UFk值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

在本文的趋势分析中，检验的显著性水平取α＝0．05。

3 降水量变化趋势分析

江汉平原区域降水季节性分布不均，降水主要集中在春夏两季，春季平均降水363．2 mm，夏季平均降水470．8 mm，占全年降水量的71．6%，秋季平均降水量209．7 mm，冬季（12月至次年2月）平均降水量最少，仅为120．6 mm。

对于降水量的长期变化趋势，根据Mann-Ken-dall检验法，计算区域降水年季变化统计值z，见表2。从表中可以看出：对于整个区域而言，年降水量变化没有明显的变化趋势，从季节变化来看，春、秋两季降水呈下降趋势，夏季显上升趋势，但变化趋势都不显著，只有冬季降水呈显著的上升变化趋势（z＝1．71）。这与运用趋势系数和线性倾向估计法对江汉平原1958－2004年的年季降水变化趋势的分析结果保持一致［10］。对于各气象站而言，年降水量Mann-Kendall检验统计值在±1．64之间，均没有显著的上升或者下降变化趋势。各气象站之间季节性降水变化趋势完全一致，春秋两季呈下降趋势，夏冬呈上升趋势。夏季降水只有钟祥站有显著的上升变化趋势；冬季降水除了钟祥站没有明显的上升变化趋势外，其它站都有显著的上升变化趋势。

表2 区域年季降水量M ann-Kendall检验统计值表Table 2 M ann-Kendall statistical values of annual and seasonal precipitation in the Jianghan Plain

图1是区域年降水量距平累计曲线，从图中可以看出，江汉平原年降水量变化有几个明显的转折点，分别是：1959年、1979年、1983年、1986年、2004年。从降水的丰枯变化来看，1958至1962年是丰水期，距平累计全为正值，年平均降水比多年平均值多44．2 mm；1965－1990年是一个大的的枯水期，累计距平全为负值，这26年间平均年降水较多年平均值略小；之后降水偏多和偏少时期交替出现。从短期变化来分析，1959－1979年降水量下降趋势明显，1979－1983年有上升变化趋势，1983－1986年呈下降趋势，1986－2004年呈明显的上升变化趋势。

根据Mann-Kendall法对时间序列的突变检测原理，计算区域年降水量的顺序时间序列的秩序列Sk，并计算统计量UFk；同样处理逆序时间序列，将UFk与UBk2条曲线及临界值±1．96的2条直线绘制在一张图上，见图2，从图中可以大致挑选出1959年、1979年、1983年、1986年、2004年几个突变点，这与距平累计曲线分析的结果基本保持一致。

图2 区域年降水量Mann-Kendall突变检测统计量曲线Fig．2 Curves of Mann-Kendall test on annual precipitation mutation in the Jianghan Plain during 1957－2008

4 气温变化趋势分析

4．1 年平均气温变化趋势分析

根据Mann-Kendall检验对时间序列长期变化趋势分析原理，对江汉平原52年的年平均气温时间序列进行了统计，见表3。计算结果z＝5．15，这表明从52年时间序列来看，在显著性水平α＝0．05的情况下，年平均气温变化呈显著的上升变化趋势。同样，对区域各气象站数据进行计算，结果表明，各站的年平均气温都有显著的上升变化趋势，统计值甚至都超过了显著性水平α＝0．01时的临界值，其中以武汉站的年平均气温上升趋势最为强烈。

表3 区域年平均气温变化趋势分析Mann-Kendall检验统计值表Table 3 Results of Mann-Kendall test on trends of annualmean temperature in the Jianghan Plain during 1957－2008

从图3看，年平均气温距平过程线在1994年以前年平均气温变化比较平稳，且多数年份年平均气温小于多年平均气温，这之后年份都大于多年平均气温。因此截取1957－1993年年平均气温时间序列进行Mann-Kendall检验，计算结果表明研究区域37年（1957－1993年）时间序列的年平均气温没有明显的上升变化趋势（z＝1．09）。就单站而言，只有荆州的年平均气温上升变化趋势是显著的。

图3 区域1957－2008年年平均气温距平曲线Fig．3 Anomaly curve of annualmean temperature in the Jianghan Plain during 1957－2008

4．2 年平均气温突变检测

依据Mann-Kendall法对时间序列的突变检测原理，绘制年平均气温统计量曲线，如图4。

图4 区域年平均气温Mann-Kendall检验突变检测统计量曲线Fig．4 Curves of M ann-Kendall test on annualmean temperaturemutation in the Jianghan Plain during 1957－2008

由图4可知，自上世纪80年代中期（1986年）以来UFk值一直处于大于零的状态，表明气温变化一直呈上升趋势，UFk曲线与UBk曲线在1994－1995年之间出现交点，且交点在临界线之间，所以交点时刻就是突变开始的时间。从1996年开始，UFk值持续增大超过了上临界线＋1．96甚至超过了显著性水平α＝0．01时的临界值Uα／2＝2．58，说明发生突变以后上升趋势愈加明显。探究其成因，这次气温突变受到了人类活动的影响。改革开放以来，随着华中地区工业经济的发展，温室气体排放增加、城市化进程致使下垫面地表改变等人为因素导致区域气候逐渐变暖，气温渐变累积到1994年开始发生明显的转折性变异。

表4为不同年代区域气温均值统计表。从表中同样可以看出最近20年来区域年平均气温升高幅度明显增大。

表4 不同年代气温均值统计表Table 4 Average value of annualmean tem perature of different years in the Jianghan Plain

5 结 语

（1）江汉平原区域降水较为丰富，多年平均年降水量为1164．1mm，1983年的降水量高达1 630．0 mm。降水季节性分布不均，降水主要集中在春夏两季。在显著性水平取α＝0．05的情况下，应用Mann-Kendall检验的结果是：区域年降水量没有明显的变化趋势，从季节变化来看，春秋两季降水呈缓和的下降变化趋势，夏季呈上升趋势，但变化趋势不显著，冬季降水有显著的上升变化趋势。

（2）区域多年平均气温为16．7℃，年平均气温呈显著的上升变化趋势，其中武汉站的年平均气温上升趋势最为强烈，这与武汉城市化进程的推进不无关系。研究区域的年平均气温时间序列在1994－1995年间发生了突变，突变以后上升趋势更加强烈。对37年（1957－1993年）的气温时间序列来说，年平均气温没有显著的上升变化趋势。这表明，最近20年来区域年平均气温升高幅度明显增大。这种陡然的增暖变化趋势应该引起足够的重视。

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（编辑：赵卫兵）

Long-term Trends of Precipitation and Tem perature in Jianghan Plain from 1957 to 2008

LUO Qi-hua1，GUO Sheng-lian1，LITian-yuan1，FU Lin2
（1．State Key Laboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2．Hydrology and Water Resources Survey Bureau of the Middle Reach of Changjiang River，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430012，China）

According to themonthly precipitation and average temperature data collected at the five typicalmeteoro-logical stations from 1957 to 2008，the authors analyze the trends of precipitation and temperature in the Jianghan Plain by using Mann-kendall testwith the significance levelα＝0．05．The results show that：there isn’t a remark-able variation trend of annual precipitation time series in the Jianghan Plain．As for the seasonal precipitation，spring and autumn precipitation have a downward trend and summer precipitation has an upward trend，but all of them are not remarkable，only winter precipitation has a remarkable upward trend．Annual average temperature time series have a remarkable upward trend，and the rate increases significantly in recent20 years．There is a ab-rupt change from 1994 to 1995；after that，the upward trend becomes even more fierce．

long-term trend；Mann-kendall test；precipitation；temperature；Jianghan Plain

P467

A

1001－5485（2011）03－0010－05

2010-03-30

罗启华（1983-），男，湖北利川人，助理工程师，主要从事水文学及水资源方面的研究，（电话）027-68773568（电子信箱）qihualuo＠126．com。