定陶县近40年气候变化特征与成因探析

吴玉芳，张艳伟，樊景豪，李瑞英

(1.定陶县气象局，山东 定陶 274100;2.同济大学，上海 200092;3.菏泽市气象局，山东 菏泽 274000)

分析区域气候变化，旨在于了解当地气候变化的特殊性，为提高短期气候预测的准确率、研究物候期的变化、提高作物产量与品质、因地制宜制定防灾减灾措施、保护环境及合理开发利用自然资源等提供基础理论依据。廉丽姝研究山东近40年气候变化，指出山东年平均气温有显著的上升趋势，其中冬季气温增幅最大，与全国气候变化趋势基本一致［1］。王业宏指出近55年山东夏季降水以－15.386 mm/10a的气候倾向率呈下降趋势［2］;陈德英提出济南市近50年日照时数以－129.7 h/10a的气候倾向率减少［3］;张秀珍分析潍坊市气候变化特征，发现该市年降水量以－24.351 mm/10a的气候倾向率减少，气温增温率是0.262℃/10a［4］;王晓默发现兖州近40年年平均气温每10年上升0.27℃，降水的减少率为－6.8 mm/10a，日照时数的气候倾向率是－137.6 h/10a［5］;朱秀红分析了五莲县1961～2005年气候变化特征，结论是该县年平均气温以0.3℃/10a的气候倾向率上升，降水以－16.5 mm/10a的变率减少［6］。以上气候研究表明，山东各地气温、日照时数气候倾向率相差不大，降水地域性特征明显。为了解当地气候变化与山东其他市县的异同点，深入探究气候变化、异常的原因，本文进行详细的分析。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文资料来源定陶气象站1971～2010年地面观测历史记录。气温包括日、月、年平均气温和年平均最高、年平均最低气温;降水包括月、年降水量及年暴雨、大暴雨日数;日照时数包括月、年日照时数;云量包括8时、14时月平均云量。

1.2 分析方法

距平值计算公式为P=X－Y，X为年代或年平均值，Y为近40年同期历年平均值;距平百分率计算公式为M=(X－Y)/Y×100%，其中X与Y同距平值计算公式;分析要素气候倾向率，采用线性回归分析法［7］，建立一元线性回归方程y=b0+b1x，其中回归系数b1为y变化的倾向率;绘制多项式拟合线判断未来趋势;根据年降水距平百分率(MRR)将旱涝灾情分为7个等级:MRR≤－60为特旱、－60＜MRR≤－40为重旱、－40＜MRR≤－20为轻旱、－20＜MRR≤20为正常、20＜MRR≤40为轻涝、40＜MRR≤60为重涝、MRR＞60为特涝［8］;暴雨与大暴雨日依照日降水量(R)判定:100 mm＞R≥50 mm为暴雨日、250 mm＞R≥100 mm为大暴雨日［9］;冷空气等级以过程降温与温度负距平相接合划分:过程降温5℃ ～7℃且温度负距平绝对值≤3℃为一般冷空气、过程降温8℃ ～9℃且温度负距平绝对值等于4℃为强冷空气、过程降温≥10℃且温度负距平绝对值≥5℃为寒潮［10］;本站4次基本观测(2、8、14、20时)中只有8时、14时在日出日落时间内［11］，为分析云量与日照时数的相关性，将8时与14时云量平均作为日平均云量。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征及影响因素

2.1.1 气温的年代际变化 对比分析四个年代平均气温的变化(表1)，春季二十世纪后三年代变化不明显，2001～2010年出现了跳跃式上升，距平由90年代的－0.2℃跃变为+0.7℃;夏季四年代变化较小，2001～2010年的四季平均气温中只有夏季距平为负值;秋季80年代最低，2001～2010年最高;冬季随年代攀升，90年代跳变幅度较大，距平由80年代的－0.4℃升为+0.4℃，2001～2010年较90年代没有明显变化。年平均气温80年代最低，90年代较历年同期略偏高，2001～2010年较前三年代偏高明显。以上分析表明，80年代为低温期，90年代为升温期，2001～2010年为高温期。

表1 定陶县近40年各年代平均气温、距平值(单位:℃)Table 1 Mean annual air temperature and the anomalies in recent 4 decades at Dingtao(℃)

图1 定陶县1971～2010年气温年际变化Fig.1 The distribution of the air temperature of annual mean from the year 1971 to 2010

2.1.2 气温的年际变化 从图1看出年平均气温在历年平均值附近波动，1997年始，在平均线以下的年份较少，年平均气温以0.232℃/10a的增温率升高。年平均最高、平均最低气温增温率分别为0.103℃/10a、0.359℃/10a，可见平均最高与平均最低气温变化是非对称的，气温日较差有变小的趋势，这表明当地气候变暖得益于平均最低气温的上升。四季气温均有升高的趋势(图略)，增温率分别为:春季0.268℃ /10a、夏季0.016 ℃ /10a、秋季0.169 ℃ /10a、冬季0.429℃/10a，冬季升温对气候变暖贡献显著。

2.1.3 气候变暖的相关因素 由气温年代际、年际变化分析看出四季气温变化并不相同，夏季天气较复杂，不仅受大气环流影响，还受到中小尺度系统作用，气温上升幅度小、趋势不明显。分析影响气温的因素，发现气温的变化与冷空气活动有一定的相关性。对比表2与表1，80年代冷空气活动的总次数较70年代稍有增加，强度也略有增大，年平均气温稍有降低;90年代冷空气活动总次数大幅度减少(距平值由80年代的+8次减为－9次)，其中强冷空气与寒潮次数较80年代减少了2次，这恰好与90年代的快速升温相对应;2001～2010年冷空气活动总次数较90年代略有增加，但强冷空气与寒潮的次数较90年代明显减少，2001～2010年的年平均气温在90年代的基础上继续上升，但速度略有减缓。对比分析表明冷空气活动对气候变暖起到减缓或助长的作用，不决定其总体趋势。

表2 定陶县近40年各年代冷空气(包括一般、强冷空气与寒潮)次数与强度(强冷空气与寒潮次数)(单位:次)Table 2 The frequencies and intensities of cold air events(including common，strong and cold waves)occurred in each decade from 1971 to 2010

2.2 降水变化特征及厄尔尼诺事件对降水的影响

2.2.1 降水的年代际变化 分析表3，春季降水量90年代最多;2001～2010年最少，主要原因是2001年的春季仅有0.4 mm的降水量。夏季降水量80年代最少，距平百分率低达－15%，期间有6年距平百分率为负值;2001～2010年最多，距平百分率高达+16%，期间有7年距平百分率为正值。秋冬两季降水量四个年代没有明显差距。年降水量80年代最少，期间有6年距平百分率为负值;2001～2010年最多。夏季与年降水量从多到少年代先后顺序均是:2001～2010年＞70年代＞90年代＞80年代。由此可见，2001～2010年为多雨年代，80年代为少雨年代。

2.2.2 降水的年际变化 由图2看出近40年年降水量最多在2003年，最少在1988年，差值达831.3mm。相邻年份间年降水量相差最大的是2002～2003年，差值达824.6 mm。降水量随年度波动式变化，振幅较大，降水不均匀。结合暴雨、大暴雨日数分布(图3)分析出:1971～1974年、1992～1996年、2003～2010年为多雨期;1975～1991年、1997～2002年为少雨期。年与四季降水量倾向率分别为:13.454 mm/10a、1.425 mm/10a、10.837 mm/10a、0.568 mm/10a、0.002 mm/10a，再比较各降水量曲线的变化形式，发现年与夏季最相似，可见当地降水主要集中在夏季。从年降水量的四阶多项式拟合线看出未来降水有振荡性增加的趋势。

表3 定陶县近40年各年代降水量、距平百分率Table 3 Annual mean precipitation and the anomalies in the recent 4 decades at Dingtao

2.2.3 年度旱涝特征 由降水量距平百分率划定年度的旱涝特征，轻涝的年份是1971～1972、1984、1993 ～1995、2004 ～2005 年;特涝的年份是2003 年;轻旱的年份是1976、1986、1997、1999、2001 年;重旱年份是1988、2002年。总体来看旱涝灾情有明显的阶段性，主要集中在1971～1972年、1984～1988年、1993～2005年，1993～2005年明显加重。结合图2分析旱涝年份夏季降水量，涝的年份均是夏季降水偏多，重旱的年份均是夏季降水偏少，5年的轻旱中，有2年是因为夏季降水偏少，3年因为春、夏、秋三季均偏少。可见年度旱涝特征与夏季降水量关系密切。

2.2.4 厄尔尼诺事件与异常降水的相关性 影响当地降水的因素多而复杂，近期在探析El Nino事件与当地异常气候的关系时发现:近40年夏、秋、冬三季降水量最小值(分别为122.3 mm、22.4 mm、0.2 mm)，均出现在著名的El Nino事件年(1997年、1998年、1983年)［13］;1987年El Nino结束时间下跨至1988年1月［13］，1988年年降水量仅357.1 mm，为40年最少，是重旱年;2002年为较强的 El Nino事件年［14］，年降水量363.8 mm，为40年次少，是重旱年;El Nino出现的次年影响山东的热带气旋偏多［13］，2003年年降水量达1188.4 mm，距平百分率为+79%，是近40年唯一的特涝年。以上分析表明厄尔尼诺事件与当地异常降水相关性较好。

2.3 日照时数变化特征及影响因素

2.3.1 日照时数的年代际变化 比较四年代日照时数(表4)，年日照时数随年代持续减少，2001～2010年较70年代减少461.8 h，40年中有3年低于2000 h，均出现在2001～2010年期间。四季日照时数最多均是70年代，夏、秋、冬三季最少均是2001～2010年，春季最少是90年代;四季中降幅最大的是夏季，2001～2010年较70年代减少了189.9 h，距平百分率由+15%下降至－14%;其次是秋季，2001～2010年比70年代减少128.4 h，距平百分率由+11%降至－13%。

表4 定陶县近40年各年代日照时数、距平百分率Table 4 Annual mean sunlight hours and the anomalies in the recent 4 decades at Dingtao

2.3.2 日照时数的年际变化特征 近40年年日照时数呈波动式且以－135.21 h/10a的气候倾向率不断减少，结合多项式拟合趋势线(图4)，可判定未来年日照时数仍有减少的趋势，但幅度较小。年日照时数降幅较大的时段有两个，分别是:1978～1984年(变化率为－75.256 h/a)、1999～2003年(变化率为－101.97 h/a)。四季日照时数都有减少的趋势(冬、春图略)，倾向率分别是:－16.632 h/10a(春)、－55.236 h/10a(夏)、－37.2 h/10a(秋)、－24.255 h/10a(冬)。可见夏秋两季日照时数的气候倾向决定着年日照时数的总体趋势。

图4 定陶县1971～2010年日照时数年际变化Fig.4 The distribution of annual sunlight hours from the year 1971 to 2010

2.3.3 影响日照时数的因素 近代经济快速发展，工业突飞猛进，资源大量消耗，自然生态环境遭到严重破坏，大气中的气溶胶、灰尘、颗粒物等消光物质越来越多，致使太阳直接辐照度减弱，日照时数呈普遍减少的趋势［3］。众所周知，云与降水是影响日照时数最直观的因素。对比分析年代际日照时数与同期降水量、云量的关系(表3、表4、表5)，春季时数四年代中90年代最少，90年代春季降水量与云量恰为四年代中最多;夏季时数2001～2010年较90年代大幅度减少，对应降水量与云量均大幅度增加;秋季时数2001～2010年减少幅度紧次于夏季，2001～2010年秋季云量较90年代明显增多;冬季云量90年代较80年代明显减少，相应日照时数有少许增加。近40年夏季日平均云量最多与同期日照时数最少均为2007年;夏季日平均云量最少的年份是1997年，夏季日照时数1997年为1979～2010年最大;从日照时数与云量的三阶多项式拟合线(图5、图6)看出，两者存在相关性。分析图4与图2，年日照时数最小值出现在2003年，该年的年降水量恰好是近40年最大。以上分析说明降水量与云量的增减对日照时数减少起到促进或制约的作用，但不能决定其总体趋势。

表5 定陶县近40年各年代平均云量与距平值(单位:成)Table 5 Mean annual cloudage and the anomalies of the recent 4 decades at Dingtao

3 结论

(1)80年为低温期;90年代为升温期;2001～2010年相对为高温期。年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的气候倾向率分别是:0.232℃/10a、0.103℃/10a、0.359℃/10a，平均最高与平均最低气温变化是非对称的，气温日较差有变小的趋势，当地气候变暖得益于最低气温的不断上升;四季气温都有升高的趋势，冬季升温对气候变暖贡献最显著。分析冷空气活动与气温变化的关系，发现冷空气活动对气候变暖起到减缓或助长的作用，但只是叠加效应，不决定其总体趋势。

(2)2001～2010年为多雨年代，80年代为少雨年代。降水量随年度波动式变化，振幅较大，降水不均匀。1971～1974年、1992～1996年、2003～2010年为多雨期，1975～1991年、1997～2002年为少雨期。未来降水有振荡性增加的趋势，气候倾向率为13.454 mm/10a。年度旱涝特征与夏季降水量关系密切，旱涝灾情有阶段性，集中在1971～1972年、1984～1988年、1993～2005年，1993～2005年明显加重。探析El Nino事件对当地降水的影响，发现El Nino与当地降水异常相关性较好。

(3)年日照时数随年代减少，2001～2010年较70年代偏少461.8 h，近10年已有3年低于2000小时。年日照时数以－135.21 h/10a的倾向率减少，未来减幅有变小的趋势。降幅较大的时段有两个，分别是1978～1984年、1999～2003年。四季中夏季日照时数减少最快。分析降水量、云量与日照时数的变化关系，看出降水量与云量的增减对日照时数减少起到促进或制约的作用，并不能决定其总体趋势。

［1］廉丽姝，李为华，朱平盛.山东省近40年气候变化特征［J］.气象科技，2006，34(1):57－61

［2］王业宏，孙兴池，高慧君.山东省近55年夏季降水和平均气温的多时间尺度分析［J］.山东气象，2007，27(3):11

［3］陈德英，李芸，王新堂，等.济南市近58年日照变化特征分析［J］.山东气象，2010，30(1):13

［4］张秀珍，张文煜，宋嘉尧，等.潍坊市近45年气候特征分析［J］.山东气象，2008，28(1):15

［5］王晓默，董 宁，章 磊，等.兖州市近四十年气候变化特征分析［J］.山东气象，2009，29(2):15

［6］朱秀红.五莲县近45年气候变化特征分析［J］.山东气象，2008，28(3):36

［7］徐宗学，隋彩虹.黄河流域平均气温变化趋势分析［J］.气象，2005，31(11):7－16

［8］李华昭，李春光，王延贵，等.济宁市近40年降水特征分析［J］.山东气象，2004，24(4):25－26

［9］章国材.气象灾害风险评估与区划方法［M］.北京:气象出版社，2009:5

［10］朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法［M］.北京:气象出版社，2000:266

［11］中国气象局.地面气象测报业务软件.北京:中国华云技术开发公司，2004

［12］高中教材编写组.地理1［M］.北京:人民教育出版社，2008:46

［13］高晓梅，江静，袁俊鹏，等.影响山东热带气旋的频数与太平洋海温的关系［J］.山东气象，2009，29(2):8－13

［14］韩世刚，周 浩，何 军，等.1960－2006年重庆高温日数时空变化特征［J］.气象，2009，35(9):74