近50年重庆市气候干湿变化时空特征

孙宇辉，韦　杰,b，黄小燕

(重庆师范大学 a.地理与旅游学院; b.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆　401331)



近50年重庆市气候干湿变化时空特征

孙宇辉a，韦杰a,b，黄小燕a

(重庆师范大学 a.地理与旅游学院; b.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆401331)

摘要：以重庆市34个气象站点1961—2011年降雨、气温、相对湿度等资料为基础，计算了近50 a全市的湿润指数。运用Kriging法将年均气温、降雨和湿润指数的倾向率和倾向系数进行空间插值，并对反映气候干湿变化的年气温、降雨量和气候湿润指数等时空特征进行了分析。结果表明：①近50 a，重庆年均气温呈波动上升趋势，上升速率为0.09 ℃/(10 a)，空间分布上年均气温呈现由西南向东北升高，但整体差异不显著；②降雨量呈波动下降趋势，年均降雨量倾向率为15 mm/(10 a)，空间上有从东南向西北递减的趋势；③重庆市湿润指数总体上略有下降，其空间特征表现为由东南向西北逐渐趋于干旱，下降幅度呈由东南向西北递减趋势，但总体差异性不显著；④气温、降雨与湿润指数相关系数分别为-0.465和0.950。

关键词：湿润指数；干湿变化；空间插值；时空特征；气候变化；重庆市

1研究背景

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第4次评估报告指出，在过去100 a(1906—2005年) 里全球平均气温升高了大约0.74 ℃[1]。全球气候变化已经成为一个不争的事实，其中气候干湿变化是全球气候变化的重要组成部分，因而分析研究区域内气候干湿变化的时空特征对于洪涝、干旱的防治，工、农业生产和人民生活以及社会发展都具有深远影响。马振锋等[2]利用云南、贵州、重庆、四川139个气象站点常规地面观测资料年均值分析认为，西南地区的气候变化与全球性的气候变化表现出非同步性，气候要素在高海拔地区突变时间较早，全球气温突变要比西南地区的气温突变早。贺晋云等[3]、苏秀程等[4]利用修正的Penman-Monteith公式，分析了近50 a西南地区气候的干湿变化特征，发现极端干旱气候存在准5 a和准12 a的周期变化特征，地表干湿状况呈现东湿西干的空间分布特征。刘劲龙等[5]运用趋势系数、气候倾向率和Mann-Kendall趋势检验等方法对四川盆地近55 a气候干湿变化趋势进行分析，认为空间上从西向东由变干趋势逐渐转为变湿趋势，时间序列上没有呈现出显著的变干或变湿趋势。

众所周知，气候干湿度的显著变化将带来物候期改变等一系列自然生态问题，高温干旱等气象灾害的发生更加频繁，其强度也将增强，对农业产生的影响也将更明显。重庆市位于中国第二阶梯上，地处西南腹地，地貌类型以山地为主，地势由西向东逐渐升高，地势起伏大，特殊的地形条件形成了季节变化明显、空间差异显著的气候特征[6]。重庆市因其特殊的地理位置和独特的山地丘陵地形使得气候具有十分显著的局地特征和代表性，因此研究该区的气候变化具有实际意义[7]。以往有关重庆市气候变化的研究[8-13]，主要是对单个气象要素和对具体的气象类型研究较多，对气候干湿变化的研究未见报道。利用重庆市34个气象站点近50 a的气温、降雨和相对湿度数据，计算了气候湿润指数，并利用Mann-Kendall趋势检验方法对气温、降雨、湿润指数进行趋势检验，最后通过Kriging空间插值方法，对气候干湿变化的年均气温、年均降雨量和年均气候湿润指数的时空特征进行了分析。

2资料和方法

2.1资料来源

收集了重庆市境内34个气象观测站1961—2011年逐月气象观测资料，包括气温、降雨、相对湿度等气象指标，数据来源于中国气象局气象信息中心网站(http：∥new-cdc.cma.gov.cn)。

2.2研究方法

2.2.1气候湿润指数

表征一个地区干湿程度, 一般以某地区热量平衡与水分收支的比值来表示, 其倒数称为干燥度指数[14]。本文采用属于水文平衡法的N.N伊万诺瓦(1941)[15]指标，表达式为

(1)

式中：R为月降雨量(mm)；t为月平均气温(℃)；RH为月相对湿度。

2.2.2气候倾向系数和倾向率[16-17]

气候倾向系数表示某气候要素的长期趋势变化的方向和程度，其中年代为一个递增数列，采用1,2,3，…，n表示。如果n个时刻(年)的要素序列与自然数列1,2,3，…，n相关显著，则表示该要素值气候趋势明显，并且依据气候倾向系数的正(负)随自然数列呈线性增加(减少)的趋势。自然序列的气候趋势系数rxt可表示为

(2)

气温倾向率是气象要素的长期变化趋势，采用线性回归方法，当回归系数为正时，说明气候变量随时间的增加呈上升趋势；反之亦然。回归系数的大小反映了上升或下降的速率。根据回归理论，气候倾向系数和气候倾向率有如下关系：

(3)

式中：a1表示气候倾向率；sx和st分别是气象要素序列与自然数列的均方差。

2.2.3Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall(M-K)法是一种非参数检验方法，变量可以不具有正态分布特征，也不受少数异常值的干扰，适用水文、气象等非正态分布的数据。其基本原理是将原始时间序列数据进行重构得到新的时间序列数据，进行标准化后与给定显著性水平下的临界值(如通过显著性水平0.10，0.05，0.01的趋势检验，则其检验值|Z|分别≥1.28，1.64，3.23)相比较，超过临界值则称变化趋势显著，在临界值之内则称变化趋势不显著。M-K法详见参考文献[18]。

3结果与分析

3.1气温时空特征

利用重庆市34个气象站点1961—2011年间逐月平均气温数据，计算了各年平均气温；选取渝西的永川、渝东北的万州、渝东南的黔江等典型台站分别代表重庆的“一圈两翼”不同环境特征，并以1月份和7月份作为典型月份代表重庆市一年中的干季和湿季，分析重庆市各区域近50 a来气温变化趋势规律。

图1　重庆市1961—2011年年均气温和代表站典型月份平均气温变化Fig.1　Variations of mean annual temperature inChongqing and mean monthly temperature atrepresentative stations during 1961—2011

如图1，总体上看，该区域多年平均气温呈波动上升趋势，年平均气温上升速率为0.1 ℃/(10 a)，远小于全国0.25 ℃/(10 a)[18],这可能与所处的区域地貌和植被等自然背景及大气循环系统改变有关。重庆市年均气温大体经历了3个阶段：相对偏暖期(1960—1980年)、相对偏冷期(1980—1990年)、相对偏暖期(2000年以来)。可以认为，近50 a来重庆市年均气温先降低后升高，总体趋势为逐渐增暖。1961—2011年，年均气温最大值18.7 ℃出现在2006年，最小值16.8 ℃出现在1996年，极值比为1.1。重庆市年平均气温的Mann-Kendall趋势检验值1.61

通过对比3个代表台站7月份和1月份的气温年际变化趋势线，可以看出，近50 a，3站点1月份和7月份气温变化整体上较为平稳，说明近50 a间3地气温变化较为稳定。进一步分析发现，渝东北万州站比其余2站气温偏高，黔江站的气温最低，这可能与所处地区的人类活动相关。据图1，万州站最高气温出现在2006年7月份，为31.1 ℃，黔江站最低气温出现在2011年1月份，为1.5 ℃。黔江站1月份气温波动幅度较7月份大，说明1月份气温变化较为剧烈；1月份最高气温和最低气温，分别为1987年的6.6 ℃和1977年的1.2 ℃。永川站7月份气温最高值和最低值，分别为2006年的30.3 ℃和1982年的25.3 ℃，两者之差为5 ℃，说明近50 a间，永川站7月份气温温差不大。

通过计算各气象站点的年均气温、倾向系数和倾向率，云阳县、合川区、大足区、巴南区和石柱县站点的倾向系数为负值，分别为-0.21，-0.12，-0.17，-0.17，-0.11，其余站点均为正值，表明近50 a间除个别区县存在下降趋势外，气温整体呈上升趋势。通过对各站点气温资料的整理发现，研究区(图2(b))年平均气温由西南向东北逐渐升高，整体上年均气温差异不显著。

如图2(b)，研究区西北部的云阳县、合川区、大足区、巴南区和中部的石柱县，气温倾向率偏低为负值，为-0.06～-0.03 ℃/(10 a)，而忠县(0.02)、丰都县(0.06)、彭水县(0.03)气温倾向率为正值，存在上升趋势。东北部的巫溪县、奉节县气温增幅偏高，为0.3～0.6 ℃/(10 a)。东南部的黔江区、酉阳县和秀山县增幅为0.1～0.2 ℃/(10 a)。中部地区的梁平县、垫江县、长寿区、涪陵区、南川区和万盛区增幅为0.04～0.12 ℃/(10 a)。可以看出，研究区域内气温的空间增幅不均，且增幅在-0.06～0.6 ℃/(10 a)。

图2　重庆市1961—2011年年均气温倾向率分布Fig.2　Distribution of annual temperature tendencycoefficient in Chongqing during 1961—2011

3.2降雨时空特征

图3　重庆市1961—2011年年平均降雨量和代表站典型月份平均降雨量变化Fig.3　Variations of mean annual rainfall in Chongqingand mean monthly rainfall at representativestations during 1961—2011

如图3，近50 a研究区年均降雨量呈波动下降趋势，倾向率为-15 mm/(10 a)，即平均每10 a降雨量减少15 mm。1961—1981年与1981—2011年相比，年均降雨量波动幅度较小，但在1997—2001年间降雨变化幅度较大。变化趋势线表明，近50 a降雨量在1966年、2001年和2006年表现为枯水期，而在1982年和1998年表现为丰水期。与图1年均气温变化图相比，重庆市年平均降雨的枯水期大致对应气温的偏暖期，而丰水期对应偏冷期。在这50 a间，重庆市年均降雨量最大值1 434 mm出现在1998年；最小值862 mm出现在2001年，极值比为1.7。 重庆市年均降雨量的Mann-Kendall趋势检验值Z=-1.89，验证了年均降雨量呈下降趋势。1.64<|Z|<2.32，年均降雨量通过信度95%的显著性检验。

整体上，3个代表站点7月份的降雨量的波动幅度明显大于1月份，说明7月份降雨量变化较为剧烈，而1月份降雨量变化较为平稳。对比发现，黔江站1月份降雨量的波动略大于万州站，小于永川站；3个站点7月份降雨量的波动大体一致。降雨量的最大值出现在1982年万州站，为682.8 mm，而最小值为万州站1963年的0.5 mm。万州站7月份降雨量表现为相邻的年份差异较大，1982年和1981年相差最大，为638 mm。黔江站1月份降雨量最小值和最大值出现在1963年和1971年，分别为0.8 mm和45.2 mm；50 a中黔江站7月份多雨年份为1969,1983,2007,2010年。永川站1月份降雨量整体要高于万州站和黔江站，但波动幅度并不是很大；7月份永川站降雨量表现为有些年份急剧上升，而有些年份却显著下降。如1992—1996年呈急剧上升趋势，而1968—1971年呈显著下降趋势。

通过计算各气象站的年平均降雨倾向系数，只有北碚区(0.02)、沙坪坝区(0.01)、渝北区(0.07)和璧山区(0.09) 4个测站为正值，其余各站均为负值，说明在研究区内，只有上述几个测站降雨量呈微弱的增加趋势，其余大部分地区降雨量均为下降趋势。通过观察近50 a间研究区年均降雨量空间分布，发现其多年年均降雨量均在918 mm以上，降雨相对较为丰富，但空间分布不均，局地差异较大，这可能是由于重庆市地形较为复杂。整体上，研究区由东南、东北向西北降雨量逐渐减少，这与西南地区降雨量的空间分布特征相一致[19]。

如图4，彭水县和酉阳县的部分区域，减少幅度分别为24,33 mm/(10 a)，约占研究区总面积16%。年均降雨量减少最多的地区是东北部的巫溪县，为63.5 mm/(10 a)；年均降雨量减少最少的区域为西北部的合川区，减少幅度为0.4 mm/(10 a)。北碚区、沙坪坝区、渝北区和璧山区是年均降雨量增加的区域，增加幅度分别为2.5,1.4,9.3,11.3 mm/(10 a)。这些区域仅占研究区总面积的5%左右。整体上，年均降雨量减少幅度从东南向西北呈递减的趋势。

图4　重庆市1961—2011年年均降雨倾向率分布

3.3湿润指数时空特征

图5　重庆市1961—2011年湿润指数和代表站典型月份平均湿润指数变化Fig.5　Variations of mean annual humidity index inChongqing and mean monthly humidity index atrepresentative stations during 1961—2011

如图5，1961—2011年，研究区湿润指数总体呈缓慢降低趋势。湿润指数近50 a波动幅度较小，这与马振峰[3]得出的结论基本一致，进一步说明重庆市近50 a来气候逐渐趋于干旱。湿润指数反映的干旱年份为1961,1966,1978,1997,2001,2006年，这与年降雨量偏少的年份一致(图5)，说明气候的干湿状况与年降雨量可能存在较强的相关性。2001年和2006年是近50 a间最干旱的2个年份(湿润指数均为0.20)，其次是1966,1978,1997,1961年，其湿润指数分别为0.21,0.22,0.22,0.23。1982—2006年是气候干旱趋势的显著阶段，与其相比，相对较为湿润的年份是1982，1989，1993，1998年，其湿润指数分别为0.31,0.30,0.29,0.30。 年平均湿润指数的Mann-Kendall趋势检验值Z=-2.25，这与上述结论一致，湿润指数呈下降趋势。1.64<|Z|<2.32，通过信度95%的显著性检验。

图6　重庆市1961—2011年年平均湿润指数和湿润指数倾向系数分布Fig.6　Distribution of annual humidity index and tendency coefficients in Chongqing during 1961—2011

整体上看,近50 a间万州、黔江、永川站7月份与1月平均份湿润指数波动趋势大致相同，但1月份平均湿润指数的波动幅度明显小于7月份，且7月份湿润指数要比1月份高，这说明重庆地区夏季较冬季更为湿润，这符合长江流域地区雨热同期的气候变化规律。对比分析，永川站7月份湿润指数波动趋势明显不同于万州站和黔江站，1月份湿润指数波动幅度万州站最小，其次是永川站，最后是黔江站。

将各测站点每隔10 a气候湿润指数进行多年平均，进行空间插值，绘制得到重庆市干湿气候分布图。据图6，重庆市相对干燥区逐年扩大，而相对湿润区逐年缩小，但差异并不显著，说明气候正逐渐趋于干旱。

由图6可知，东南部的酉阳县和秀山县为相对较为湿润区，其湿润指数的多年平均值分别为0.35和0.33；而相对较为干燥区出现在西部的潼南县和东部的巫山县，其湿润指数分别为0.21和0.22。对每10 a气候湿润指数变化进行空间分布分析：酉阳县和秀山县的年平均湿润指数分别为0.38,0.37,0.33,0.34,0.33和0.34,0.34,0.32,0.34,0.32；潼南县和巫山县分别为0.22,0.24,0.22,0.22,0.20和0.22,0.23,0.23,0.22,0.21，可以看出上述区域湿润指数的年际变化并不显著。湿润指数的空间特征表现为东南向西北逐渐趋于干旱，下降幅度呈东南向西北递减趋势，这与年均降雨量的空间分布基本相似。图6(f)显示，所有测站的倾向率均为负值，除璧山站(0.003)以外，说明研究区湿润指数的变化大体呈下降趋势，气候在不断变干。最后由图4和图6对比可知，湿润指数倾向系数分布图与降雨倾向率在空间分布上大致相同，进一步说明降雨量和湿润指数可能存在相关关系。

3.4湿润指数与气温和降雨量的关系

由上述分析得知，在1961—2011年重庆市年均气温逐渐上升，而年均降雨量逐渐下降，得出在近50 a间重庆正处于偏暖少雨时段，这可能是湿润指数逐渐下降的原因。因此通过对湿润指数与年均气温和降雨进行相关分析。分析结果如表1所示，年均湿润指数与年均气温呈显著负相关关系，与年均降雨量呈显著正相关关系，其相关系数分别为-0.465和0.950(在α=0.1的水平上)。

表1　1961—2011年气温和降雨与湿润指数的

4结论

(1) 重庆市气候干湿状况整体上较湿润，但存在着时空差异：从时间上看，在1961—2011年间，年均湿润指数总体上表现为缓慢下降，说明气候正逐渐趋于干旱；空间特征表现为由东南向西北逐渐趋于干旱，下降幅度呈东南向西北递减趋势。但整体上气候的干湿度差异并不显著。

(2) 重庆市近50 a的年均气温表现为年均气温先降低后升高，总体趋势为逐渐增暖。从地理方面看，西北部气温增幅最小，东北部最大，分别为-0.06～0和0.3～0.6 ℃/(10 a)；东南部和中部地区气温增幅约为0.12～0.2和0.3～0.6 ℃/(10 a)和0.04～0.12 ℃/(10 a)，可见其空间增幅不均，且增幅范围在-0.1～0.6 ℃/(10 a)。

(3) 重庆市近50 a的年均降雨量呈波动下降趋势。从空间角度上看，年均降雨量分布不均，整体上由东南部的秀山县向西北部的潼南县逐渐递减。研究区大部分区域年均降雨量减少幅度在2.6～0.5 mm/10 a，但总体上年降雨量减少幅度为从东南向西北递减的趋势。

(4) 重庆市年均气温和年均降雨量与气候干湿度存在显著的相关性，其相关系数分别为-0.465和0.950(在α=0.1的水平上)。

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(编辑：曾小汉)

Spatio-temporal Characteristics of Dry-wet Condition in Chongqing in the Past Five Decades

SUN Yu-hui1，WEI Jie1,2，HUANG Xiao-yan1

(1.Geography & Tourism College, Chongqing Normal University, Chongqing401331, China; 2.Chongqing Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing401331,China)

Abstract:The relative humidity indexes in the past five decades are calculated based on the annual precipitation and temperature data from 34 meteorological stations from 1961 to 2011 in Chongqing. Moreover, Kriging spatial interpolation is conducted for the tendency and tendency coefficients of annual average temperature, rainfall and humidity index in each decade, and on this basis, the temporal and spatial variation characteristics of annual average temperature, precipitation and humidity index which reflect the wet and dry conditions in Chongqing are analyzed. Results show that 1) in the past five decades, the average annual temperature of Chongqing rose with fluctuations, with a rising rate of 0.09 ℃/(10 a), whereas in terms of spatial distribution, the trend rose from the southwest to the northeast yet with insignificant difference; 2) average annual precipitation showed a volatile downward trend with the tendency coefficient of 15 mm/(10 a), and in terms of spatial distribution the trend decreased from the southeast to the northwest; 3) the humidity index declined slightly overall, with the drought growing more intense from the southeast to the northwest, but in general, the difference is not obvious; 4) the coefficient of correlation between humidity index respectively with temperature and precipitation were -0.465 and 0.950.

Key words:humidity index;change of dry and wet stages； spatial interpolation; spatio-temporal characteristics; climate change；Chongqing

中图分类号：P467

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0011-07

doi:10.11988/ckyyb.201500522016,33(05):11-17

通讯作者：韦杰(1979-)，男,四川苍溪人，教授，博士，从事土壤侵蚀与水土保持研究,(电话)023-65362853(电子信箱)wei_jie@mails.ucas.ac.cn。

作者简介：孙宇辉(1991-)，男,吉林白山人，硕士研究生，从事地表过程与流域管理研究,(电话)023-65362853(电子信箱)1215783544@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41471234)；重庆市教委科技项目(KJ1500315)

收稿日期：2015-01-15；修回日期：2015-04-02