丹江流域气候因子变化分析

2017-01-19任寅榜商洛学院城乡规划与建筑工程学院陕西商洛726000

中国水土保持 2017年1期

任寅榜，刘燕，安欣(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000)

丹江流域气候因子变化分析

任寅榜，刘燕，安欣

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000)

气候因子；小波分析；突变分析；丹江流域

利用1970—2015年丹江流域气候因子数据，采用小波分析和Mann-Kendall突变检验法，研究了丹江流域气候因子多时间尺度的周期性变化规律。小波分析结果显示，在大尺度上(23～32 a)气温的年际和季节变化规律一致，但在小尺度上(8～22、3～7 a)变化周期差异明显，且随着时间尺度的缩小，周期变化越来越频繁；降水量的年际和季节变化在不同时间尺度上呈现出不同的规律性，这种规律在大尺度上(22～31 a)相对稳定，在小尺度上(12～21、3～11 a)干湿交替频率增大、时间间隔缩小。Mann-Kendall突变检验表明，丹江流域年平均气温变化总体呈上升趋势，且在1985年增温突变，冬季气温对全年增幅贡献最大，也是年平均气温在1985年后突变增温的主要原因；年平均降水量的增加中夏季的贡献值较大，但其不稳定的变化趋势也是导致年平均降水量变频较大的主要原因；年平均日照时数的减少与年平均降水量的增加有关。

气候因子变化是全球变化的重要组成部分，极易影响人类的生产活动，研究气候因子，了解其变化幅度、变化规律及变化趋势[1]，对于农业生产、生态建设等具有重要意义[2]。通过气候因子的时间序列变化分析，可以反映气候要素多时间尺度的变化周期[3]；利用气候因子突变分析方法，可以反映气候因子从一种稳定状态转变为另一种稳定状态过程中对变化趋势敏感性的响应。相关的研究方法已被国内外学者运用于研究当中，比如：WANG et al.[4]利用小波分析对中国近50年气温变化进行分析，并对未来20年的气温变化趋势进行预测；董婕等[5]利用小波分析和距平分析法，研究了近50年来榆林、西安、安康的气温和降水总体变化特征和变化趋势，揭示了城市气温和降水变化的多时间尺度结构，以及不同时间尺度下气温和降水序列变化的周期和突变特点；宋佃星等[6]利用Mann-Kendall法、滑动t检验法、Yamamoto法对秦岭近50年来南北气候分异进行了突变检验分析；陈华等[7]利用Mann-Kendall检验方法和空间插值方法对汉江流域1951—2003年降水、气温时空变化趋势进行了研究。

丹江流域主要是以中低山为主的土石山区，境内群山连绵交错、山大沟深、峡谷相间排列，地势由西北向东南降低，具有亚热带和暖温带气候特点，气候变化显著，气象灾害以干旱为主，连阴雨和秋封次之，局部地区多暴雨。鉴于此，利用Morlet小波变换分析方法和Mann-Kendall检验法，对丹江流域1970—2015年气候因子的时间变化规律和气候突变特征进行分析。

1 数据来源和研究方法

气象数据资料来自中国气象科学数据共享服务网和多个气象站的日观测资料。根据陕西省商州区、丹凤县、商南县和河南省淅川县4个测站1970—2015年的逐月平均气温、降水量和日照时数等，计算4个测站同期算术平均值得到逐月(季节、年)的气温、降水量和日照时数。对个别缺失的气象数据，根据多年同期的月值数据和同年相邻的月值数据平均值进行修订。

气候因子是气象学研究中的一个重要变量，气象要素的时间、空间尺度在某种程度上具有相关性，因而时间多尺度是气候因子变化的重要特征。本研究利用Morlet小波分析进行时间序列尺度分析，SPSS变量间线性依存关系的回归分析进行气候因子序列变化特点分析，Mann-Kendall检验法对气候因子进行突变分析。小波分析可以清楚地反映时间序列的周期性特征，显示出气候因子变化周期随着研究尺度的不同而发生的相应变化，这种变化一般表现为小时间尺度的变化周期嵌套在大尺度的变化周期之中[8]。Mann-Kendall检验法是一种非参数检验方法，该方法具有计算方便、检测范围广、不会受少数异样点干扰影响的特点，并且能明确突变开始的时间及突变区域，对顺序变量和类型变量效果较好[9]。

2 气候因子变化特征分析

2.1 月变化特征

单项拟合结果能反映各气候因子各月变化趋势(图1)。通过比较拟合的R2值可以看出，月平均气温的三次多项式拟合效果较好(R2=0.94)，月平均降水量的三次多项式也有较为可信的拟合度(R2=0.83)，而月平均日照时数的拟合模型可靠度较低(R2=0.37)，即月平均气温和月平均降水量的倒U形拟合关系具有拟合意义。线性拟合及指数拟合显示，所有气候因子在研究区间内表现出单调上升或下降的趋势。二次多项式和三次多项式的拟合结果表现为先增后减，出现极大值拐点。丹江流域年平均气温为7.6～14.8 ℃，气温年较差在23.1～25.9 ℃之间，气温在6—8月达到最高值；年平均降水量为720.1～845.6 mm，降水主要集中在4—10月，期间降水量占年降水量的84%～89%；年平均日照时数为1 856～2 132 h，其中4—10月的日照时数占年日照时数的61.5%～65.3%。

图1 气候因子月变化曲线拟合结果

2.2 年际变化特征

基于1970—2015年气温、降水量、日照时数等气候因子，通过大量的统计运算得到丹江流域各气候要素的年平均值，并运用Morlet小波分析计算小波系数实部，以Suffer软件绘出小波系数等值线图进行周期分析。在小波分析图(图2)中，白色区域为高值中心，黑色区域为低值中心，分别代表了气候因子——气温、降水量、日照时数的上升和下降趋势。本研究以46年的气候要素为基础进行分析，符合世界气象组织(WMO)提出的30年气象要素可以反映出一地区整体气象情况的规定，具有科学性和应用价值。

年平均气温的变化过程存在23～32、8～22、3～7 a三个尺度的周期变化规律：在23～32 a中出现了冷暖交替的4次震荡，且周期变化在整个分析时段表现得非常稳定；在8～22、3～7 a，冷暖周期变化不明显。年平均降水量变化过程存在21～31、10～20、3～9 a三个尺度的周期变化规律：在21～31 a中出现了干湿交替的5次震荡，在10～20 a中出现了干湿交替的8次震荡，在3～9 a中出现了干湿交替的16次震荡；前两个时间尺度的周期变化在整个分析阶段表现得非常稳定，后一个时间尺度的周期变化在1992年后规律不明显。年平均日照时数变化过程存在24～32、17～23、9～16、3～9 a四个尺度的周期变化规律：在24～32 a间出现了长短交替的4次震荡，在17～23 a间出现了长短交替的5次震荡，且周期变化表现得相对稳定；在9～16、3～9 a间，1995年之前周期变化相对稳定，之后变化规律不明显。

图2 气候因子年变化小波分析

利用Mann-Kendall非参数统计检验法和滑动t检验法来分析丹江流域1970—2015年平均气温、降水量、日照时数等气候因子的突变趋势，反映各气候要素的突变发生时间，见图3。年平均气温的UF(k)和UB(k)曲线在置信度区间95%(α=0.05)内有5个交叉点，分别在1970—1971、1973—1974、1977—1978、1979—1980和1985—1986年间。滑动t检验结果表明，这些交点只有1985—1986年间的通过了95%显著水平检验，说明平均气温在1985年后有暖突变。年平均降水量在整个时间段内，UF(k)和UB(k)曲线在临界线内有2次交叉，滑动t检验表明这些突变点均不在置信区间内，即全部为非突变点。年平均日照时数UF(k)和UB(k)曲线在两条临界线之间变化幅度小，且各交叉点均不在置信区间内，因此突变不明显。

图3 气候因子年变化Mann-Kendall突变检验曲线

注：实线为正序列UF(k)曲线，虚线为逆序列UB(k)曲线，±1.96临界线间为95%置信度区间。

2.3 季节变化特征

气温、降水量、太阳辐射的四季变化存在明显的季节差异性(图4)。丹江流域春季和夏季气温在23～32 a间的变化规律具有高度的周期相似性，均有5次冷暖震荡，但在小尺度上变化规律不明显，周期性弱；秋季气温存在23～32、 12～20、3～10 a三个时间尺度，第一个尺度上出现了冷暖交替的4次震荡，第二个尺度上出现了冷暖交替的7次震荡，第三个尺度上出现了16次震荡，且在第一个时间尺度上周期变化非常稳定；冬季气温的周期变化存在19～32、9～18、3～8 a三个时间尺度，在前两个尺度上分别出现了4次和8次的冷暖交替震荡，且其变化周期相对稳定，在第三个时间尺度上，气温的周期变化存在22次震荡，小尺度上周期变化不稳定。在降水量的季节变化时间尺度上，春季降水量变化不具有明显的周期性；夏季和秋季的周期性变化具有很大的相似性，存在21～32、10～20、3～9 a三个时间尺度，其中在21～32 a出现了干湿交替的4次震荡，在10～20 a出现了干湿交替的8次震荡，在3～10 a干湿交替频率越来越快，时间间隔越来越小；冬季降水量存在13～26、3～12 a两个时间尺度上的变化，前一个时间尺度上出现了5次干湿交替震荡，后一个时间尺度在1995年之前周期性相对稳定，1995年后变化规律不明显。在日照时数的季节变化过程中，大尺度上周期性相对稳定，在小尺度上不明显，即在20～32 a出现了5次长短交替震荡，在3～19 a的长短交替震荡规律性较差。

图4 气候因子季节变化小波分析

春季平均气温的UF(k)和UB(k)曲线在置信度区间95%(α=0.05)内有3个交叉点，分别在1971—1972、1974—1975和1993—1994年间，滑动t检验表明这些点中只有1993—1994年间的交叉点通过了95%显著水平检验，说明春季气温在1993年后有暖突变；夏季气温在整个时间段内，UF(k)和UB(k)曲线在临界线内有2次交叉，滑动t检验表明这些突变点均不在置信区间内；秋季平均气温UF(k)和UB(k)曲线在整个时段段有多次相交，但只有1994—1995年间的处于t检验置信区间内，即1994年为突变点；冬季平均气温检验曲线在1985年相交且处在置信区间内，即1985年后气温突变上升(图5)。

图5 气候因子季节变化Mann-Kendall突变检验

降水量季节变化Mann-Kendall突变检验中，UF(k)和UB(k)曲线除夏季在1974—1975年间交叉并通过t检验在置信区间内，即夏季降水量在1974年后发生突变外，其余季节降水量在临界线间出现多次相交，但均未通过t检验不在置信区间内，即均未发生突变(图5)。

春季平均日照时数UF(k)和UB(k)曲线在1997年交叉，且通过t检验位于置信区间内，说明在1997年后发生突变；夏季平均日照时数UF(k)和UB(k)曲线在2000—2001年间交叉并通过t检验位于置信区间内；秋季和冬季日照时数UF(k)和UB(k)曲线虽有多次相交，但均未通过检验，即均未发生突变(图5)。

3 结果与讨论

丹江流域气候因子各月平均值曲线拟合回归模型显示出月平均气温、降水量、日照时数变化曲线呈倒U形，反映出光、热、水配合较好，但水热时空变化很大，气温和降水的季节差异显著。流域内季风性较强，冬季盛行偏北风，天气干冷；夏季盛行东南风，气温较高，雨量较多；春季是冬季风逐渐减弱、夏季风逐渐增强的过渡时期，雨量增多，气温上升；秋季是夏季风渐弱、冬季风增强的过渡时期，但太平洋副热带高压退却缓慢，极锋停留时间较长，阴雨连绵，气温下降迅速。

气温变化尺度上，年平均气温和季节均温在大时间尺度上(23～32 a)冷暖周期变化稳定，且变化趋势一致，小尺度上(8～22、3～7 a)周期性差异明显。季节均温春、夏、秋三季周期具有相似性，都表现为在大尺度上呈现周期性稳定变化，冬季均温在各时间尺度上表现得更加有规律性。Mann-Kendall分析中，年平均气温UF(k)曲线在1985年出现最低点，并在1986年与UB(k)曲线相交开始突变，表明1985年气温达到最低，随后增温突变。这与高翔等[10]对1959—2009年秦岭山地气候变化趋势的研究结果基本相同，即无论是秦岭北坡还是南坡，年平均气温在1984年前后达到最低，之后气温呈显著增加趋势。同时，UF(k)曲线在1998年后突破了1.96临界线，表明丹江流域年平均气温在1998年后出现显著增温现象，这与李双双等[11]研究全球气候变化条件下秦岭南北气温变化特征中陕南平均气温在1998年后突变增温的结果基本一致。丹江流域气温季节突变表现在冬春两季突变上升显著，夏秋两季突变平缓。春季气温在1993年出现最低点并开始突变增温，也是平均气温在1998年突破临界值的主要原因。冬季气温在1985年出现突变点且气温呈快速上升趋势，相比其他季节，冬季气温在1970—2015年的上升趋势最为明显，对全年气温增幅贡献最大，这也是年平均气温在1985年后突变增温的主要原因。可见，丹江流域年平均气温的上升趋势主要是冬、春两季的增温所致。

降水量的年际和季节变化在大时间尺度上具有规律性，但在小时间尺度上干湿交替频率增大、时间间隔缩小，这种变化与丹江流域自然环境具有显著的相关性。气候类型和地形条件是丹江流域降水量年际和季节在小时间尺度上变化波动较大的主要原因。这与康丽玮[12]研究陕西秦岭地区暴雨频发、暴雨灾害严重等气象灾害的结果相一致。春、秋两季降水量呈现较为一致的减少趋势，减少幅度相对稳定且未发生突变。夏季降水量在1974年出现突变点且在1978年突破临界值，降水量在此阶段内突变增加。冬季降水量在置信区间内未发生突变，降水量呈增加趋势，但趋势不明显。年平均降水量的增加中夏季的贡献值较大，但其不稳定的变化趋势也是导致年平均降水量变频较大的主要原因。

日照时数年际和季节的周期变化具有相似性，均表现在大时间尺度上周期性相对稳定，小尺度上差异显著。日照时数的年平均变化呈下降趋势，季节变化除夏季呈上升趋势外，其余季节变化平缓。日照时数与降水量呈显著的负相关关系。因此，年平均日照时数的减少与年平均降水量的增加有关。

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(责任编辑李杨杨)

2014年国家级大学生创新创业训练计划项目(201411396004)；2014年陕西省大学生创新创业训练计划项目(1808)；陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1214)

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1000-0941(2017)01-0048-05