近51年海河流域气候变化特征分析

王永财 ，孙艳玲 ，张 静 ，王中良 ，1b

（1.天津师范大学a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.中国科学院植物研究所，北京100093）

在全球变暖的背景下，气候变化受到国际普遍关注.IPCC第4次会议指出过去50年全球变暖趋势为平均每10a上升1.3℃（1.0～1.6℃/10a），几乎是过去100a的2倍，全球大气平均温度和海洋平均温度均在增加[1].由于气候变化对农业、水资源和自然生态系统等均有很大影响，因此许多学者对区域气候变化进行了研究和探讨.如杨特群等[2]统计分析了黄河流域1951年—2007年气温降水变化情况，指出黄河流域气温在1950—1970年代前比较稳定，1980年代后各区间均呈上升趋势，黄河流域降水在各区间变化特点不尽相同.吉奇等[3]对东北1951年—2000年气温和降水研究表明东北地区年平均气温在以0.6℃/10a的速率上升，降水量以0.27mm/a的速率下降.任朝霞等[4]对西北干旱区1951年—2000年的气温和降水情况进行了研究，结果表明西北干旱区气温上升趋势为0.22℃/10a，上升趋势南北高、中间低，降水量增加速率为3.2mm/10a，并呈现出由东南向西北递增的格局.祁威等[5]对珠穆朗玛峰地区尼泊尔境内1971年—2009年的气候变化情况进行研究，指出1971年—2009年，珠穆朗玛峰南坡线性升温速率为0.25℃/10a，年平均降水量以4.27mm/a的速率增加，但增加并不显著，南坡降水量高于北坡，北坡增温趋势较南坡明显.

作为我国重要的工农业生产地，海河流域气候趋于暖干，持续干旱事件经常发生，给当地经济和社会带来了十分严重的影响[6].海河流域气候的变化特征和气候变化的响应已成为海河流域气候变化研究的主要内容.褚健婷等[7]利用K-S检验等方法分析了海河流域1995年—2004年的降水时空变化特征，结果表明海河流域以太行山和燕山为界，分为山前多雨带、山前平原区和山后少雨带3部分.郝春沣等[8]以海河流域1956年—2005年的气温和降水作为研究对象，对海河流域气温和降水的变化特征和规律进行了分析，指出海河流域近50年气温呈显著上升趋势，而降水呈下降趋势.据王利娜等[9]对海河流域1950年—2010年降水的时空变化特征分析表明：时间上，海河流域总体降水呈减少趋势；空间上，整个流域年降水量由南向西减少.

综上所述，目前对海河流域气候变化的研究成果较多，但主要集中在该区域气温和降水单一方面的时间或空间变化特征，没有从时间和空间2个方面研究气温和降水的变化趋势特征、突变特征和周期性特征，不利于全面综合地把握海河流域气候的时空变化特征和变化规律.已有研究将由气温和降水计算得到的相对湿润指数作为干旱指标，对海河流域1960年—2010年作物生长季干旱的时空特征进行分析，取得了很好的结果[10].因此，本研究以气温和降水量2个气候表征参数作为研究对象，利用海河流域1960年—2010年的气候资料，采用线性倾向估计、Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验和小波分析等方法，分析海河流域气温和降水变化的趋势性、突变性和周期性等特征，以期更全面地揭示其气候变化特征和事实.

1 研究材料与方法

本研究所用资料来源于中国气象科学数据共享服务网，选取分布较均匀、遍布整个海河流域的30个具有完整性、可靠性和代表性的站点，取得每个站点1960年—2010年的月平均气温和月降水资料，统计得到年平均气温和年降水量.为了获得可以代表全流域的均一气温和降水资料，利用反距离加权平均法和泰森多边形法将气温和降水资料展布到全流域，得到近51年的气温和降水量序列.

本研究中对海河流域气候的线性倾向估计以海河流域年平均气温和降水量的距平作为统计量，采用气候倾向率和5年滑动平均分析其气候变化趋势特征，计算结果用Mann-Kendall非参数检验.其中，Mann-Kendall非参数检验可以很好地揭示时间序列的趋势变化，是目前比较常用的分析方法[11]，在长时间序列的数据趋势检验中应用广泛，方法如下：

式（1）和式（2）中：Z 为标准化检验统计量；xj和 xi为序列数据；n是序列数据个数；S为检验统计量，当n≥8时，对S进行近似正态分布，其均值和方差为

海河的气候变化周期性采用小波分析，小波分析是在Fourier分析的基础上发展起来的一种新的时频局部化分析方法，在时间序列研究中，小波分析主要用于时间序列的消噪和滤波、信息量系数和分形维数的计算、突变点的监测、周期成分的识别以及多时间尺度的分析等[15].本研究采用墨西哥小帽小波（Mexican hat function）[16]对海河流域1960年—2010年的年平均气温和年降水量时间序列进行分析，得到海河流域在不同时间尺度上的气温和降水的变化特征，利用小波方差确定主要的振荡周期.

2 结果与分析

2.1 气温变化特征分析

2.1.1 气温变化趋势分析

海河流域1960年—2010年年平均气温变化趋势如图1所示.

图1 1960年—2010年海河流域年平均气温距平变化Fig.1 Annual variation of air temperature anomalies in Haihe River Basin from 1960to 2010

由图1可以看出，海河流域年平均气温呈逐年升高的趋势，近51a来，年平均最低气温出现在1969年，为8.7℃；最高年平均气温出现在1998年，为11.3℃.1960年—2010年年平均气温的增温速率为0.34℃/10a，与郝椿沣等研究的海河流域1956年—2005年0.30℃/10a的年平均气温增温速率结果相似[8]，但明显高于文献[17]中全国1951年—2002年0.22℃/10a的年平均气温的增温速率[17].通过Mann-Kendall非参数检验，1960年—2010年海河流域年平均气温增温趋势通过了0.01的显著性检验，说明海河流域近51年增温趋势非常明显.从5年滑动平均来看，海河流域近51年气温变化波动上升，60年代年平均气温呈下降趋势，下降速率达到1.1℃/10a；70年代开始气温呈波动上升；80年代初期气温变化比较平稳，后期开始上升；90年代气温显著升高，升高速率高达1.4℃/10a；2000年以来，海河流域增温趋势减缓.

海河流域气温的空间变化情况如图2所示.由图2可以看出，海河流域以五台山为中心的西部地区增温趋势最为明显，中部地区增温趋势较为明显，而南部和东北部增温趋势较弱.经Mann-Kendall非参数检验可知，海河流域30个站点中，仅有榆社和承德2个站点未通过α=0.05的显著性检验，其他站点均通过α=0.05的显著性检验，占所有站点的93%，说明海河流域气温上升趋势的显著性.

图2 海河流域气温空间变化Fig.2 Spatial variation of temperature in Haihe River Basin

2.1.2 气温突变特征分析

根据Mann-Kendall突变检验结果分析（图3），海河流域1960年—2010年年平均气温正序列UF在1970年前下降，之后开始波动上升，90年代超过了0.05的显著性水平，说明上升趋势显著.正序列UF和逆序列UB在0.05的显著性水平临界范围内有1个交点，因此可能的突变点为1988年.为了获得正确的突变点和突变发生的时间区域，对上述Mann-Kendall突变检验所得的突变点进行滑动T检验，结果表明1988年的突变超过了0.05的显著性水平.因此，1988年是海河流域年平均气温的突变点，是气温迅速升高的开始.

图3 海河流域年平均气温突变的Mann-Kendall检验Fig.3 Abrupt change of annual average temperature in Haihe River Basin using Mann-Kendall test

对海河流域30个站点进行Mann-Kendall突变检验，结果如图4所示.

图4 海河流域气温突变检验Fig.4 Abrupt change test of temperature in Haihe River Basin

由图4可知，1960年—2010年海河流域30个站点有18个年平均气温发生了突变，突变发生的年份多在1972年—1974年、1986年—1989年和1990年—1994年这几个时间段内；东部地区大部分站点气温发生突变，且突变点集中在1986年—1989年时间区域内.

2.1.3 气温变化周期性分析

从海河流域年平均气温小波图（图5）分析，海河流域近51年的年平均气温存在不同时间尺度的震荡，期间经过了低温、高温、相对低温和相对高温共4个阶段，存在7a左右和10～15a左右2个周期，其中7a左右是主周期，因此可以预测2010年后，海河流域将在2010年以后以7a左右或10～15a为尺度进入偏冷期.

图5 海河流域年平均气温小波分析Fig.5 Wavelets analysis of annual mean temperature in Haihe River Basin

2.2 降水变化特征分析

2.2.1 降水变化趋势分析

海河流域年降水量变化情况如图6所示.

图6 海河流域年降水量距平变化Fig.6 Annual variation of air precipitation anomalies in Haihe River Basin from 1960to 2010

由图6可以看出，近51年海河流域年降水量呈下降趋势，年降水量最高的年份是1964年，为859.6mm；年降水量最小的是1997年，年降水量为370.9mm.从海河流域多年降水变化趋势来看，年降水量缓慢波动下降，1960年—2010年的下降速率为18.9mm/10a，这与任国玉等[16]研究的中国1956年—2002年全国年平均降水量呈上升趋势相反，也低于郝椿沣[8]和王晓霞[18]等分析海河流域年降水量的下降速率22.0mm/10a和27.2mm/10a.经Mann-Kendall非参数检验，海河流域年降水量未通过0.05的显著性检验，进一步说明海河流域降水量呈下降趋势，但下降趋势并不显著.海河流域降水量波动较大，60年代降水量波动下降，但下降较缓，下降速率为7.9mm/10a，70年代和90年代降水量下降较快，而80年代和2000年以来降水量变化较缓.

海河流域降水量的空间变化情况如图7所示.由图7可以看出，海河流域内天津、唐山等东部地区和西部山西地区降水量下降趋势明显，而北部和南部地区降水量下降趋势较弱.经Mann-Kendall非参数检验，五台山、榆社和遵化3个站年降水量通过了0.05的显著性检验，其他27个站点未通过0.05的显著性检验，说明海河流域降水量呈下降趋势，但下降趋势相对不明显.

图7 海河流域降水量的空间变化Fig.7 Spatial variation of precipitation in Haihe River Basin

2.2.2 降水突变特征分析

Mann-Kendall检验结果如图8所示.

图8 海河流域年降水Mann-Kendall检验Fig.8 Abrupt change of annual average precipitation in Haihe River Basin using Mann-Kendall test

由图8可知，1960年—2010年海河流域年降水量的正序列UF在1965年之前上升，后波动下降，1997年后显著下降.正序列UF和逆序列UB在0.05的临界范围内有一个交点，所以1997年可能为突变点，经滑动T检验，结果超过了0.05的显著性水平，因此1997年是海河流域年降水量的突变点，后降水量进入相对较少期.

对海河流域30个站点的降水量进行Mann-Kendall突变检验，结果如图9所示.

图9 海河流域降水的突变检验Fig.9 Abrupt change test in Haihe River Basin

由图9可知，1960年—2010年海河流域30个站点中有7个站点年降水量发生了突变，发生突变时间主要在1980年—1982年和2002年—2005年2个时间区域内，海河流域东北部的青龙、承德和围场年均降水量均发生了突变，且发生突变的时间为1980年—1982年.

2.2.3 降水变化周期性分析

海河流域年降水量小波分析结果如图10所示.由图10可以看出，近50年海河流域降水量变化经过了偏少、偏多、相对偏少和相对偏多共4个震荡阶段，存在5～7a和10～15a 2种周期，其中5～7a为主周期，即海河流域在2010年以后可能以5～7a或10～15a为尺度进入降水偏丰期.

图10 海河流域年降水小波分析Fig.10 Wavelets analysis of annual mean temperature in Haihe River Basin

3 结论

以气候的表征参数气温和降水作为研究对象，从趋势性、突变性和周期性等角度对海河流域1960年—2010年的气温和降水特征进行分析，结果表明：

（1）从变化趋势来看：近51年，海河流域气温显著升高，降水呈下降趋势，年平均气温增温速率为0.34℃/10a，降水量的下降速率为18.9mm/10a；海河流域西部气温上升趋势强于南部和北部，东西部降水量下降趋势较强，而南北部较弱.

（2）从突变性来看：海河流域年平均气温突变点在1988年，降水量突变点在1997年，海河流域30个站点中有18个发生气温突变，且突变点集中在1986年—1989年和1990年—1994年2个时间区域内；有7个站点的降水量发生了突变，突变点集中在1980年—1982年这个时间区域内.

（3）从周期性来看：海河流域年平均气温变化情况包含7a左右和10～15a左右2个周期，其中5年左右是主周期；降水量变化情况包含5～7a和10～15a 2个周期，其中5～7a是主周期.

气候变化极具复杂性，本研究以气温和降水作为研究对象，从气候变化的趋势性、突变性和周期性等角度分析气候变化的特征，只能从中短时期内气候变化的基本特征和规律，对短时期的气候变化作出预测，无法揭示气候变化的动因并对长期气候变化作出预测，因此，气候变化需要更多探索性的研究.

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