1960—2017年山西省降水和气温的时空变化特征分析

杨 倩，刘登峰，孟宪萌，黄 强，林 木

(1.西安理工大学水利水电学院 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048;2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074;3.中央财经大学统计与数学学院，北京 100081)

在全球气温不断升高的背景下，气候变化对中国水资源的时空分布产生了很大的影响，引起了国内外广泛的关注[1-3]。降水和气温是主要的气候因子，分析其时空变化具有重要意义。受全球变暖和人类活动等多种因素的共同影响，导致很多地区降水呈减少趋势，而气温却呈升高趋势，这种趋势长期下去，势必会对生态环境产生很大的破坏。栾金凯等[4]采用线性趋势估计和滑动平均法对山东省1961—2015年的降水量进行了趋势分析，表明山东省降水量呈减少趋势。赵路伟等[5]对河南省1961—2014年的降水和气温进行分析，发现降水呈略微减少趋势，减少速度为7.62 mm/10a，气温呈显著上升趋势，上升速度为0.18℃/10a。王月红[6]对陕西省1960—2013年的气象资料进行分析，发现年降水量以8.78 mm/10a的速度下降，气温以0.23 ℃/10a的速度上升。王心睿等[7]采用Kendall秩次相关检验法对陕北荒漠区榆林站1951—2013年的降水量进行趋势分析，发现降水量呈不显著递减趋势。

山西省是中国重要的能源和化工基地，大气污染防治形势严峻，而气象条件对于大气污染防治具有重要影响。在山西省降水和气温变化的研究中，赵桂香等[8]采用滑动平均法对山西省1957—2003年的降水和气温变化趋势进行分析，发现降水总体呈减少趋势，递减率为17.3 mm/10a，气温呈增加趋势，增长率为0.15 ℃/10a；张国宏等[9]采用趋势系数、Mann-Kendall突变检验和小波分析法对山西省1961—2005年的降水资料进行了分析，发现年降水量呈显著下降趋势，具有明显的周期振荡，从1977年发生突变，由多雨时段转为少雨时段；张丽花等[10]分析了山西省1961—2012年的气温变化，发现气温以0.33℃/10a的速率上升，极端最低气温的上升速率高于极端最高气温，极端最低气温在山西省气温上升中起主要作用。对比赵桂香等[8]及张丽花等[10]的研究成果，发现水文序列长度增加了10 a，气温增加率却从0.15 ℃/10a变为0.33 ℃/10a。水文资料序列的长度会影响分析结果，需要采用尽量长的序列进行分析[11]。目前，有关2012年以后山西省气象要素变化的研究很少，对每个气象站点的观测数据进行趋势、突变分析的研究也很少，而近几年的气象条件对于整体规律的分析可能具有一定影响。

本文利用山西省18个气象站近58 a来的年降水和气温数据，采用空间插值法、滑动平均法、Kendall秩次检验、有序聚类分析法、累积距平法、R/S分析法方法，对山西省的降水、极端最高(低)气温和平均气温的空间分布、趋势变化、突变及持续性进行分析。

1 研究区域和数据

本文选用山西省18个气象站1960—2017年的降水量、极端最高(低)气温、平均气温数据均来源于中国气象数据网，其中长治站缺测1960—1972年的气象数据，采用相关分析法对缺测数据进行插补，以保证数据的完整性。山西省DEM图和气象站点分布见图1，地势东北高西南低，气象站点在研究区内分布比较均匀。

2 研究方法

2.1 趋势识别与检验

本文先选用滑动平均法对降水和气温序列进行趋势分析，再用Kendall秩次相关检验法进行显著性检验。构造统计量:

(1)

(2)

(3)

图1 山西省DEM和气象站点分布

2.2 突变成分识别

识别检验突变点的方法众多，如M-K值秩和检验、游程检验法、有序聚类分析法、滑动t检验法、累积距平法等，不同的分析方法可能会得出不一样的结果，方法使用不当，也有可能得出错误的结论[12-14]。因此，在进行突变分析时，可以选择多种方法进行比较分析[15]。本文选用有序聚类分析法和累积距平法对降水、极端最高(低)气温和平均气温进行突变识别与检验。累积距平法是计算每个时刻的距平值，并绘制累积距平曲线，根据起伏情况可以大致判断出突变点[16]。有序聚类分析法的实质是通过寻求最优分割点，以使同类之间离差平方和最小，而类与类之间离差平方和最大，从而来推断水文序列最有可能的突变点[12,17]。总离差平方和为：

Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(4)

2.3 持续性分析

重标极差分析法通过计算赫斯特指数H来表示水文序列的持续性，0

3 结果分析

3.1 降水和气温的空间分布

以18个国家基本气象站的数据为基础，采用空间反距离权重插值法，对山西省58 a的年均降水量、极端最高气温、极端最低气温、年平均气温进行空间插值，得到对应的空间分布(图2)。

从图2a整体上可以看出，山西省东部地区年均降水量明显大于西部地区，具有明显的经向性，五台山站海拔高达2 208.3 m，具有独特的地势，是降水量最多的站点，年均降水量为750 mm，阳城站、长治站的降水量次之，年均降水量分别为595、573 mm，位于山西省西北部的大同站、右玉站和河曲站降水量则相对很少，利用泰森多变形法求出山西省多年平均降水量为506 mm。从图2b极端最高气温分布情况可以看出，分布在山西省西南部的运城、侯马、临汾是极端最高气温最高的3个站，由于这些地区夏季受太平洋暖气流控制，盛行东南季风，多年平均极端最高气温均高达38.7 ℃，五台山年均极端最高气温仅为20.2 ℃，山西省多年平均极端最高气温为34.8 ℃，极端最高气温整体上从西南向东北递减。图2c极端最低气温的空间分布情况与图2b极端最高气温的分布情况大体一致，即极端最低气温从西南部向东北部递减，具有明显的纬向性，有随纬度的增加而减少的趋势，五台山、五寨、右玉极端最低气温均小于-30℃，为冬季极端寒冷区，山西省的多年极端最低气温为-20.6 ℃。图2d多年平均气温分布也是从西南向东北递减，山西省的多年平均气温为9℃。

3.2 降水和气温变化趋势分析

采用滑动平均法和Kendall秩次相关检验法分析出来的山西省18个气象站点的降水量和气温变化趋势见图3。大同、五寨、兴县、原平4个站的降水量呈增加趋势，但趋势都不显著，其它站的降水量呈减少趋势，仅有五台山的降水量减少趋势显著。除了原平和长治的极端最高气温呈减少趋势外，其他站的最高气温呈增加趋势，且五台山、太原、隰县3个站增加趋势显著。河曲、榆社、隰县的极端最低气温呈减少趋势，其他站的最低气温都呈增加趋势，且河曲、榆社的最低气温呈显著降低趋势，五台山、五寨、原平、离石、太原、临汾、运城、侯马、阳城呈显著上升趋势。所有站点的年平均气温都呈增加趋势，除了榆社、河曲增加趋势不显著外，其他站都显著增加。

a)山西省多年平均降水量空间分布

c)山西省多年平均极端最低气温空间分布

b)山西省多年平均极端最高气温空间分布

d)山西省多年平均气温空间分布

图2山西省多年平均降水和气温空间分布

a)山西省年降水量变化趋势

c)山西省年极端最低气温变化趋势

b)山西省年极端最高气温变化趋势

d)山西省年平均气温变化趋势

图3山西省降水量和气温变化趋势

1960—2017年山西省多年降水量介于310～760 mm之间，降水量呈下降趋势，递减率为9.6 mm/10a，下降趋势不显著。但其降水量递减速率大于与之临近的河南省[5](7.62 mm/10a)和陕西省[6](8.78 mm/10a)。1964年是58 a中降水量最多的一年，达760 mm，1997年是降水量历年来最少的一年，仅为312 mm，极端最低气温介于-24℃～-15℃之间，多年平均极端最低气温为-20.6 ℃，最低极端气温呈显著上升趋势，上升速率为0.5 ℃/10a。1998年是极端最低气温最低的年份，2007年是极端最低气温最高的年份。极端最高气温介于32℃～39 ℃之间，多年平均最高气温为34.8 ℃，最高气温也呈显著上升趋势，上升速率为0.243 ℃/10a，极端最高气温最高是2005年，最低是1964年。年均气温在7.2 ℃～10.5 ℃之间，也呈显著上升趋势，上升速率为0.34 ℃/10a，超过了中国平均温升幅度(0.25 ℃/10a)，也明显高于临近的河南省[5](0.18 ℃/10a)和陕西省[6](0.23 ℃/10a)。平均气温最高和最低的一年分别是1999年和1984年。极端最低气温的上升速率明显高于极端最高气温，说明山西省极端最低气温的上升在全省气温上升中起重要作用。

3.3 突变分析

采用累积距平法和有序聚类分析法对降水资料和气温资料进行突变分析，综合两种方法，可知降水资料在1978年发生显著性突变，最高气温在1996年发生突变，最低气温在1985年发生突变，平均气温在1996年发生突变。采用同样方法对每个气象站的降水和气温观测资料进行突变分析，结果见图4。发现78%的降雨站点在20世纪60—80年代发生突变，仅有4个站在2000年以后发生突变。极端最高气温站点突变时间分布较有规律，晋西南部(三大盆地)、中西部、东北部地区站点在90年代发生突变，3个站点在2000年以后出现突变。各站点极端最低气温突变时间与极端最高气温突变时间完全不同，有7个站点在70年代发生突变，6个站点在2000年以后突变。80.33%左右的站点在20世纪90年代平均气温发生突变，多集中在1996年，这与山西省平均气温在1996年出现突变一致。

a)降水

c)极端最低气温

b)极端最高气温

d)平均气温

图4山西省气象要素突变分析

3.4 持续性分析

采用R/S分析法分别对山西省年降水量、年极端最高气温、年极端最低气温、平均气温进行持续性分析，赫斯特系数分别为0.314、0.247、0.346、0.475，均小于0.500，表明山西省未来年降水量可能会呈增加趋势，年极端最高(低)气温和年平均气温可能会呈减小趋势。

4 结论

本文对山西省1960—2017年平均降水量、极端最高气温、极端最低气温和平均气温进行空间分析，并对每个气象站的降水和气温数据进行趋势分析、显著性检验及突变分析，最后对降水和气温数据进行持续性分析，并得出如下结论。

a)山西省多年平均降水量空间分布为东部明显大于西部，具有明显的经向性，五台山站因其海拔优势，是降水量最丰富的站点；多年平均极端最高(低)气温和平均气温空间分布大体一致，具有明显的纬向性，纬度越高气温越低。

b)近年来，山西省年平均降水量呈不显著下降趋势，在18个气象站中仅有4个站的降水量呈不显著上升趋势，其余站的降水量都呈减少趋势。年极端最高、低气温和年均气温都显著上升趋势，上升速率分别为0.243、0.500、0.340℃/10a。大部分站点的极端最高气温和极端最低气温呈增加趋势，且有50%的站点极端最低气温呈显著上升趋势，所有站点平均气温都呈上升趋势。

c)降水量在1978年发生显著性突变；极端最高气温和年平均气温在1996年发生突变；极端最低气温在1985年发生突变。不同气象站的降水和气温突变时间有所不同。

d)山西省未来降水量可能出现上升趋势，气温可能出现下降趋势。