1960年～ 2012年长江下游流域气候变化特征分析

周北平，薛华星，苟 尚，陈 挺，许晓珂，刘达宝

(1.南京信息工程大学大气科学学院气象台，江苏南京210044；2.民航深圳空中交通管理站气象台，广东深圳518128；3.兰州中心气象台，甘肃兰州730020；4.中国气象局气象探测中心，北京100081)

1960年～ 2012年长江下游流域气候变化特征分析

周北平1，薛华星2，苟 尚3，陈 挺4，许晓珂1，刘达宝2

(1.南京信息工程大学大气科学学院气象台，江苏南京210044；2.民航深圳空中交通管理站气象台，广东深圳518128；3.兰州中心气象台，甘肃兰州730020；4.中国气象局气象探测中心，北京100081)

利用1960年～2012年长江下游地区34个气象站逐日资料，采用线性回归、bootstrap、Mann-Kendall检验、样条插值等方法，分析长江下游地区的极端气温和极端降水的变化特征。结果表明，1987年后极端低温日数开始减少，极端高温日数开始增加，且极端高温和极端低温都呈现显著上升趋势，极端低温的上升趋势更为明显；长江下游极端降水频次和强度存在明显的年代际差异，2000年以后极端降水频次有所减少但强度并未减弱。城市化对于城市降雨量的影响呈现出逐年变大的趋势，也使得城市周边地区的降水也出现一定的增大趋势。

特征分析；气候；极端气温；极端降水；变化趋势；长江下游流域

气候变化背景下，长江水系极端气候、水文事件频率和强度可能增加，加剧长江水系水资源系统的脆弱性，影响现有水利工程和水灾害应急管理系统[1-2]。舒卫民等[3]从三峡水库降雨和径流的相关分析得出径流与降雨的相关性较好，降雨与径流基本具有相同的变化趋势的结论。郭坚[4]对雅砻江锦屏二级水电站建立了局地气候与海拔高程、河流水面宽度之间的关系方程。经验证，三者具有较好的相关性。由于长江水系辽阔，不同地区在地形、地理位置、气候条件上的差异性明显，国内诸多学者针对长江水系的不同区域范围的气候特征进行研究主要集中在长江上游、长江中下游、江淮流域等较大区域范围，单独对长江下游流域的极端气候特征的研究相对较少。鉴于此，本文利用长江流域下游34个气象站1960年～2012年的逐日降水资料，探究过去53年来长江下游地区极端气温和极端降水的变化趋势，并且以上海为例，探讨城市化对长江下游流域地区气候特征的影响。

1 资料与方法

1.1 资料

长江下游地区作为本文的研究区域包含江苏全省、浙江杭嘉湖地区、上海市以及安徽省的合肥、芜湖、滁州、马鞍山和铜陵五个地级市所辖区域。所用资料为地面气象观测资料，来源于国家气象信息中心，选取长江下游地区共34个观测站(站点分布图略)，序列均一性都已经过检验。本文的研究时段为1960年1月1日到2012年10月31日共53年。

1.2 研究方法

气候变化对水资源的影响主要表现为降水事件在时空分布上的不均匀性和不稳定性以及气温升高导致的蒸散发量以及水文应对气候变化的脆弱性。因此，研究主要从极端气温和极端降水两方面展开分析。

本文主要用到的方法有bootstrap[5]、Mann-Kendall[6-7]方法、一元线性回归和样条插值等方法；文中极端高温、极端低温、极端高温日数、极端低温日数都是本文定义的用于反映气温气候变化的要素。对于极端高(低)温，首先用bootstrap方法求出当年日极端高温(低温)的阈值(阈值选取为95%)，当日平均气温大于日极端高温(小于极端低温)阈值时，即为日极端高温(低温)，然后对当年的日极端气温做平均，得出当年的极端高温(低温)；对于极端高温(低温)日数，首先用bootstrap方法求出所求年份的日极端高温(低温)的阈值(阈值选取为95%)，然后根据阈值求得每年的极端高温(低温)日数；极端降水指数则选取极端降水频次、极端降水总量和R95T。其中，R95T为Frich等[8]提出的定义降水极端的指数，表示超过95%百分位降水占总降水量的百分率，是极端降水量与降水量比值的百分数。

城市化分析所用方法如下：首先将上海龙华站作为城市，吴县东山站作为区域气候背景；在计算上海龙华站(58367)和吴县东山站(58358)的年平均降水量后，根据所得结果选取基准年。其余年份与基准年的变化值为该年平均降雨量变化率，因此城市化对上海降雨量的影响值ΔR可由下式[9]计算。即

ΔR=ΔRa-ΔRb

(1)

式中，ΔRa为上海龙华站各年份降水量与基准年的变化值；ΔRb为吴县东山站各年份降水量与基准年的变化值。之后再计算上海龙华站年降水变化率ΔRax与吴县东山站的年降水变化率ΔRbz，二者的差值得到增雨率ΔR=ΔRaz-ΔRbz。由此可由下式得到城市化对于降水增加的贡献率

P=|ΔR/ΔRaz|×100%

(2)

2 结果与分析

2.1 极端气温的变化特征

本文对长江下游流域的极端高温日数、极端低温日数、极端高温和极端低温4个要素进行分析(见图1)。

图1 长江下游流域地区极端气温日数的MK检验

从图1可以看出，极端高温日数与极端低温日数在1987年附近都有一个明显的突变点，并且从极端高温日数与极端低温日数的变化趋势看，其变化趋势刚好是相反的，极端高温日数在1987年以前没有很明显的变化，而1987年以后开始显著增加，并且在2000年后通过了95%的显著性检验，而极端低温日数则相反，在1987年以前虽然也呈现变化不明显的情况，但在1987年以后极端低温日数开始显著减少，并且在20世纪90年代初期就已经通过了95%的显著性检验。由此也可以看出，全球变暖效应在长江下游流域地区的极端气温日数上有一致的体现。

图2为长江下游流域地区极端气温的年际变化及其线性回归，可以看出，无论是极端高温还是极端低温，都有升高的趋势，通过了95%的显著性检验。其中极端高温最高的5年分别是2003年、1966年、2010年、1978年和2007年，而2000年以后占了3年，其中2003年达到了38°C以上；极端低温最低的5年分别是1969年、1980年、1976年、1967年及1972年。可以看出，20世纪90年代以后极端低温和高温都偏高，而且其增长趋势也非常明显。因此，从极端气温中也可看出，长江下游流域的极端气温上升趋势与全球变暖趋势非常一致。

图2 长江下游流域地区极端气温的年际变化及线性回归

2.2 降水的变化特征

由于前人对降水的研究较多，长江下游流域地区降水的变化特征在这里仅作较为简略的概述。长江下游流域地区的极端降水强度与极端降水频次的年际变化较为相似，在20世纪60年代初期，极端降水强度与极端降水频次都处于较大值，20世纪60年代后期到20世纪70年代初期却都处于较小值。其中，1978年是1960年～2012年中降水最少的年份；20世纪80年代初期极端降水强度和频次均处于上升期，80年代末期到90年代初期呈现先下降后上升的走势；20世纪90年代中后期以后到21世纪的2012年极端降水频次变化幅度较小，而极端降水强度在2005年以及2007年有较大值。

近53年来R95T的变化与极端降水量、极端降水频次具有较为相似的年际变化特点(见图3)。R95T较大年份与极端降频次、极端降水量较大年份相对应，其最小值为1978年的21.5%，最大值为1962年的41.2%。53年中R95T的变化倾向率为0.7%/10a，并通过了95%的显著性检验。这些说明长江下游流域地区的降水正变得更为异常。

图3 长三角地区R95T的时间变化曲线

2.3 城市化对气候变化的贡献

城市化改变了城市下垫面热力和动力性质，从而对局地的气温、降水等气候因素产生影响。上海市是我国的特大城市，城市化率全国最高，是城市化效应影响最为明显的城市之一。本文采用城郊对比法，选取上海龙华站作为城市化效应最明显的代表站，选取同纬度距离较近的东山站作为城市化效应不明显的对比站，讨论城市化对气候变化的贡献。

2.3.1 城市化对气温变化的贡献

由东山站和上海龙华站的高温日数、极端高温、低温日数、极端低温的年际变化可以看出(见图4)，郊区与市区站有比较一致的波动和年际变化规律；变化趋势上市区站的升温趋势更为显著，气候倾向率也明显大于郊区站。

高温日数、极端高温在20世纪80年代以前市区站基本低于郊区站，而从80年代开始市区站便逐渐追平郊区站并在90年代开始超过郊区站，2000年以后市区站与郊区站的差距不断扩大；极端低温日数在20世纪60年代到80年代市区站基本高于郊区站，90年代开始市区站低温日数减少的速率加快并在2000年以后已基本低于郊区站；极端低温表现上，市区站20世纪80年代以前都基本低于郊区站，随着时间变化两者之差不断缩小，到20世纪90年代以后市区站和郊区站的极端气温变化几乎同步。

由此可知，上海城市化效应对极端高温和极端低温都有影响。假设东山的极端气温变化为气候背景变化的结果，则城市化效应使得上海极端高温和低温上升更快，表现为市区站高温日数、极端高温和极端低温上升速率快于郊区站，低温日数下降速率快于郊区站(见表1)。

从上海城市化效应所引起的高温日数、极端高温、低温日数以及极端低温的年际变化(图略)可知，20世纪80年代以后城市化效应引起的高温日数和极端高温上升最为明显和稳定，低温日数减少最明显的时段也是在这一时期内，正好对应上海市高速发展期。由计算结果可知上海城市化效应所引起的气候倾向率(见表1)。近53年间，由于上海的城市化效应使得上海的高温日数增加了18.5 d，极端高温上升了2.8 ℃，低温日数减少了18.5 d，极端低温上升了1.1 ℃。由此计算出城市化效应所引起的气候倾向率变化分别占总体变化的85%、77%、61%和37%。

图4 郊区东山站和市区龙华站的极端温度年际变化

高温日数趋势/d·(10a)-1极端高温趋势/℃·(10a)-1低温日数趋势/d·(10a)-1极端低温趋势/℃·(10a)-1气候倾向率4.10.66-5.70.51城市化效应引起的气候倾向率3.50.51-3.50.19

2.3.2 城市化对降水变化的贡献

从1956年到2012年的年平均降水值可以看出，城市降雨量随时间的变化与区域背景降雨量随时间的变化趋势还是有些许差别。上海龙华站的降水量随着年代的推移而逐渐增加，尤其是到了1990年以后涨幅明显增加。吴县东山站的降水量在1966年至1970年达到年际变化最低值，之后逐渐上升，在1996年至2000年达到峰值，而后又下降，总体呈现随年代波动增加。另外，上海龙华站的年降水量自1970年之后，在2000年至2005年达到峰值，年均涨幅为9.67 mm/a，而吴县东山站自1970年后至达到降水量峰值的年均涨幅为10.61 mm/a。因此，从年均降水量来分析，上海城市和区域气候背景降水量从1970年开始都有了明显的增幅。

为了进一步来探究城市化发展对城市降水量的影响，通过各年份与基准年的变化值得出城市化对上海城市化的影响，图5给出了城市化和区域气候背景对上海城市降水量的影响。由图5可看出，1960年到1970年间城市化与区域气候背景对降雨量的影响都为负效应，而1980年后城市化与区域气候背景对城市降雨量的影响逐渐为正效应。这与20世纪80年代改革开放后，城市的迅速发展有关。同时，吴县东山站，也就是区域气候背景的影响明显要高于城市化。这是因为在长江下游流域地区这样一个经济相对发达区域，其周边农村郊区的城市化进程相较于已经发展起来的大城市是稍快的，因此对于城市降水也会有很大的影响。尤其是在20世纪90年代，在图中也得到了对应。

图5 1956年至2012年上海城市化和区域气候对降水量的影响

通过式(1)计算得出了城市化影响对上海降雨量的影响值，再将其进行线性拟合得到了如图6所示的结果。从图6可以明显看出，城市化对于城市降雨量的影响呈现出逐年变大的趋势，尤其是1975年以后，影响值大于零，这与年均降水量的统计表格也有很好的对应。与此同时通过对增雨率的计算显示，城市化对于降雨量的增加也起着很大的作用，降雨量的增加比例逐年增加，增雨率以大约1.3%的速率逐年递增。通过式(2)又得到城市化对降水量的贡献值为40.01%。

图6 城市化影响值及其拟合结果

3 结 论

温带地区水文情势对温度、降水的变化都较敏感，研究长江下游流域地区极端气温和极端降水的气候特征能够为长江下游流域地区的水利工程、合理开发利用气候资源等提供科学依据。因此，本文根据长江下游流域地区1960年～2012年逐日资料，对长江下游流域地区的极端气候进行分析，结论如下：

(1)极端低温日数在1987年后开始减少，极端高温日数在1987年后开始增加，并且极端高温和极端低温都呈现显著的上升趋势，极端低温的上升趋势更为明显。

(2)极端降水频次和强度存在明显的年代际差异，20世纪60年代初期到70年代初极端降水事件减少、强度减弱，80年代后期两者都缓慢上升，2000年以后极端降水频次有所减少但强度并未减弱，降水变得更为异常。

(3)20世纪80年代以前上海市区的高温日数和极端高温低于上海郊区，从80年代开始市区高温日数和极端高温开始超过郊区站，2000年以后差距不断扩大；可以看出，城市化效应使得上海极端高温和低温上升更快，表现为市区高温日数、极端高温上升速率快于郊区。

(4)从降水上看，1960年到1970年之间城市化与区域气候背景对降雨量的影响都为负，在1980年后城市化与区域气候背景对城市降雨量的影响逐渐为正效应。可以看出，城市化对于城市降雨量的影响呈现出逐年变大的趋势，使得城市周边地区的降水也出现一定的增大趋势。

[1] 夏军, 刘春蓁, 任国玉. 气候变化对我国水资源影响研究面临的机遇与挑战[J]. 地球科学进展, 2011, 26(1)： 1- 12．

[2] 彭辉, 刘帅, 马国栋. 极端降水条件下土石坝漫坝风险研究[J]. 水力发电, 2015, 41(8)： 30- 35．

[3] 舒卫民, 李秋平, 王汉涛, 等. 气候变化及人类活动对三峡水库入库径流特性影响分析[J]. 水力发电, 2016, 42(11)： 29- 33．

[4] 郭坚. 雅砻江锦屏二级水电站局地气候影响分析[J]. 水力发电, 2008, 34(8)： 1- 7．

[5] EFRON B. 1979: Bootstrap methods: Another look at the Jackknife[J]. The Annals of Statistics, 1979, 7(1): 1- 26．

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[9] 王丽娟, 查良松. 郑州市50年来的气候变化及城市化对其贡献率[D]. 芜湖： 安徽师范大学, 2010.

CharacteristicsofExtremeClimateinDownstreamCatchmentofYangtzeRiverduring1960-2012

ZHOU Beiping1, XUE Huaxing2, GOU Shang3, CHEN Ting4, XU Xiaoke1, LIU Dabao2

(1. Weather Forecast Training Center, Institute of Atmospheric Sciences, NUIST, Nanjing 210044, Jiangsu, China;2. Meteorological Observatory of Shenzhen Air Traffic Management Station, Shenzhen 518128, Guangdong, China;3. Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, Gansu, China;4. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)

The daily temperature and precipitation data of 34 meteorological stations during 1960-2012 in downstream catchment of Yangtze River are based to analyze the characteristics of extreme temperature and precipitation in downstream catchment of Yangtze River by using linear regression, bootstrap, Mann-Kendall test and spline interpolation method. The results show that: (a) the extreme low temperature days began to decrease and the extreme high temperature days began to increase after 1987, the extreme high temperature and extreme low temperature also has a significant upward trend and the extreme low temperature trend is more obvious; (b) the frequency and intensity of extreme precipitation has significant diffidence between decades, the frequency of extreme precipitation after 2000 has decreased but the intensity has not weakened; and (c) the impact of urbanization on urban rainfall is increasing year by year, and the precipitation in surrounding areas of city is also increasing．

characteristics analysis; climate; extreme temperature; extreme precipitation; variation tendency; downstream catchment of Yangtze River

P446

A

0559- 9342(2017)09- 0026- 05

2017- 01- 04

中国气象局气象探测中心项目(KLAS201103)，国家自然科学基金资助项目( 41005047)

周北平(1982—)，男，江苏徐州人，工程师，硕士，主要从事多元资料融合与分析； 薛华星(通讯作者)．

(责任编辑陈 萍)