全球气候变暖背景下水城县近30 a气温与降水变化的新特征

2020-08-06张润琼肖艳林

中低纬山地气象 2020年3期

严锐，董瑞，龙园，张润琼，肖艳林

(1.贵州省六盘水市气象局，贵州六盘水 553000；2.贵州省水城县气象局，贵州水城 553000)

0 引言

1750年以来，人类活动导致全球大气中的主要温室气体如CO2、CH4和N2CO等的浓度明显增大，大气中温室气体和气溶胶的不断增加改变了气候系统的能源平衡和大气环流的特征。如今，人类活动导致全球气候变暖是毋容置疑的事实。在全球气候变暖的大背景下，我国很多学者针对中国气候变化尤其在气温和降水方面进行了大量研究。丁一汇[1]通过对中国近百年来的气温变化研究发现，我国地表年平均气温增温趋势与北半球的情况十分相似，我国的平均气温上升0.4～0.5 ℃，相较于全球平均的0.6 ℃略低，但在具体的阶段性和周期性上又有明显的差异，表现为我国气温最高时段主要出现在20世纪40年代，而不是80年代以后。另外，还有研究[2-4]发现我国平均气温增温幅度已高于全球平均增温水平，并且全国各地的降水量变化差异较大[5-9]。如曲迎乐等[6]指出，1980年以后，我国西部降水量有明显的增加趋势，而华北地区降水明显减少，并且我国西部、华北地区的平均降水变化特征与大气环流的变化特征一致。赵传成等[7]发现年降水量变化趋势存在明显的区域差，西北地区的西部与中部的降水量均表现为增加的趋势，而东部为减少趋势。韩熠哲等[8]研究指出青藏高原地区降水分布自西北向东南逐渐增加，且降水日数与降水量在地区分布上呈相同的变化趋势。更有黄荣辉等[9]研究发现我国80年代的气候特征与70年代的存在明显差别，比如长江淮河流域一带自20世纪70年代末起，降水增多，但华南和华北的降水却在减少。

由此可见，我国各地区对全球气候变暖的响应变并不完全相同，在时间和空间的分布上极不均匀。而正如很多研究学者如田广生[10]得出气候变暖所衍生出的环境恶化、气象灾害日趋频繁等问题，不仅影响着人们的日常活动，也同样影响着社会经济发展，尤其对农业生产影响甚大的结论。而对于水城县来说，尽管前人已对其气候特征进行了分析，但研究时段主要集中在21世纪以前，如张艳梅等[11]对六盘水市年降雨量的分布研究发现，降水总趋势除市的东部呈增长趋势外，市的西部和南部呈减少趋势，张锦等[12]利用标准化降水分析得出在1961—2013年中的近5 a水城县极端干旱事件频发。因此，通过对水城县自1986年以来近30 a来的气温与降水变化特征进行分析，可以了解水城县气候特征在全球气候变暖的背景下所出现的新变化，从而为当地政府提高工农业生产经济的决策服务提供科学依据和理论基础。

1 资料与方法

①本文采用的资料为水城县国家基本气象站1986—2015年共30 a的逐日观测资料，包括气温、降水量等气象要素；

②方法包括线性回归、Morlet小波分析、统计T检验等。

2 平均气温的气候特征

2.1 年际变化

由图1可见，水城县近30 a的年平均气温为12.7 ℃，最大值出现在2015年为13.8 ℃，最小值11.8 ℃在1995年、1996年均出现，年际变化最大值达到2 ℃。①从长期线性趋势来看，水城县1986—2015年的年平均气温总体上呈现上升趋势，而1986—2000年期间，年平均气温增长较为缓慢，其变化倾向率仅为0.08 ℃/10 a。其中，1998年年平均气温达到13.3 ℃，较1997年有明显的跃增(此与IPCC第一工作组报告中认为1998年是最暖的一年相符[13])，且在2000年之前，有10 a的年平均气温<12.7 ℃。②进入21世纪后(2001—2015年)，水城县年平均气温的增温速度为前15 a的2倍，2015年平均气温较1986年增幅达1.8 ℃，且在2001年之后的15 a里，有13 a的年平均气温>12.7 ℃。

图1 水城县1986—2015年平均气温的年际变化(单位： ℃)Fig.1 The interannual variation of average temperature in Shuicheng from1986 to 2015 (unit: ℃)

总体来说，近30 a水城县的年平均气温增温速度为0.31 ℃/10 a，高于中国近50 a的平均增温水平0.22 ℃/10 a[2]，且长期线性趋势相关系数达到0.503 3，通过0.01信度的统计T检验，增温趋势十分明显。这与全球气候变暖的宏观背景有密切关系。

从各个季节来看，水城县1986—2015年春季平均气温(图2a)为13.4 ℃，略高于全年的平均值。且春季平均气温的变化倾向率达到了0.48 ℃/10 a，明显高于全年的0.31 ℃/10 a，且其长期线性趋势相关系数达到0.443 2(通过了0.05信度水平的统计T检验)。在1986—2000年，春季的平均气温年际变化起伏较大，但大多数年份低于13.4 ℃，而2001—2015年春季平均气温波动较小，除了2009年的13.1 ℃及2011年的12 ℃外，其余年份的均高于近30 a的平均值。

相比于春季，水城县近30 a夏季平均气温为19.4 ℃(图2b)且年际变化波动较小，最高值为2013年的20.5 ℃，最低值为1986年和1997年的18.7 ℃，尽管水城县夏季气温的年际变率较小，但其气温上升倾向率同样达到了0.24 ℃/10 a，相关系数为0.496 9，亦通过0.01水平信度的统计T检验，呈现出明显的夏季气温稳中有升的气候特征，并在近5 a开始出现年际波动增大的情况。

图2 水城县1986—2015年各个季节平均气温的年际变化(a，春季；b，夏季；c，秋季；d，冬季，单位：℃)Fig.2 The interannual variation of the average temperature of each season in Shuicheng from 1986 to 2015: (a) Spring; (b) Summer; (c) Autumn; (d) Winter (unit: ℃)

水城县近30 a秋季平均气温(图2c)为13.3 ℃，与春季相当，但秋季气温的年际波动幅度较春季小，较夏季大。从长期线性趋势上看来，秋季平均气温总体上以倾向率0.55 ℃/10 a的速度呈显著的上升趋势，高于春季的0.48 ℃/10 a，并且其相关系数高达0.649 6，通过了0.01水平信度的显著性检验。由此看来，水城县的春、秋两季的平均气温在全年的增温趋势中具有重要贡献。

相较于其他三个季节平均气温均高于10 ℃，水城县的冬季平均气温仅有4.7 ℃。从图2d中可看出，冬季平均气温年际波动明显大于其余三个季节，尤其是在2000年后，波动增加最为明显，其中过去30 a的冬季平均气温最高为2010年的6.6 ℃，最低为2008年的2.1 ℃，次高值和次低值分别为2009年的6.3 ℃和2011年的2.3 ℃，上述极值均集中在2000年后的近10 a之中，且超过4 ℃的极值差亦是四个季节中最大的。尽管在长期线性趋势上，水城县冬季平均气温的气候变化倾向率仅为-0.028 5 ℃/10 a，并未表现出显著的下降趋势(相关系数-0.021 91，未通过显著性检验)，但由于年际变率在近年来的显著增大，水城冬季发生极端暖冬与冷冬事件的概率同样在增加。

2.2 周期特征

图3给出了水城县年平均气温的Morlet小波分析结果。由图可见，年平均气温与春季平均气温(图略)变化相似，在20世纪90年代初期至21世纪初期，存在显著的4～6 a变化周期。而夏季平均气温(图略)则仅在2000年代后期以来存在2～3 a的活动周期，虽然Morlet小波分析中在同时段还表现出10～16 a的变化周期，但受到边界变换的影响，可信度较低。秋季平均气温(图略)尽管年际变率较弱，但在活动周期中并未表现出明显的周期变化特征。而冬季平均气温(图略)则与夏季平均气温的显著周期时间段相接近，但二者的变化周期稍有差别，冬季以3～6 a的变化周期为主。

图3 水城县年平均气温的Morlet小波分析Fig.3 The Morlet wavelet analysis of the annual average temperature in Shuicheng

图4 水城县1986—2015年年降水量(a,单位：mm)和降水距平百分率(b,单位：%)的年际变化Fig.4 The annual precipitation of Shuicheng from 1986 to 2015 (a，Unit: mm); The precipitation anomaly percentage of Shuicheng from 1986 to 2015 (b，Unit: %)

3 降水量的气候特征

3.1 年(代)际变化

水城县近30 a(1986—2015年)的年降水量最大值出现在2014年(1 443.0 mm)，最小值为2011年的777.9 mm，年平均降水量(图4a)为1 133.7 mm，而张艳梅[11]研究指出20世纪60—90年代末期水城县的年平均降水量为1 211.0 mm。结合长期线性趋势可看到，年降水量随时间存在一定的减少趋势，但在不同的时间段有不同的阶段性趋势变化。在进入气温偏高的21世纪后(图1)，年降水量振幅的变化相对之前有所增大，表明随着气候变暖，水城县出现大旱大涝的可能性也随之增加。从2005年之后，大多数年份的年降水量低于平均值这一现象亦可看出水城县受到干旱威胁的可能性在增加。从降水距平百分率的年际变化同样可以得到相似的结论，降水异常偏多年2014年的降水距平百分率达到了27.3%，而降水异常偏少年2011年的降水距平百分率为31.4%，且上述极值均出现在近10 a之中，近10 a水城县降水距平百分率的年际变率要远远大于之前的20 a，从而导致了水城县近年来极端旱涝事件频发。

图5 水城县1986—2015年各个季节降水距平百分率的年际变化(柱体)、长期趋势(黑色实线)及其多项式平均(黑色虚线)(a，春季；b，夏季；c，秋季；d，冬季)Fig.5 The interannual variation (the column), the long-term trend (the black solid line) and the polynomial average (the black dotted line) of precipitation anomaly percentage of each season from 1986 to 2015: (a) Spring; (b) Summer; (c) Autumn; (d) Winter

对于春季来说，水城县近30 a的春季平均降水量(图略)为205.0 mm，最大值出现在1990年，为314.0 mm，较常年偏多53.2%；最小值出现在2011年，为65.8 mm，较常年偏少67.9%(图5a)，且从长期线性趋势上并未体现出明显的变化趋势。此外，尽管春季气温在近年来明显偏高，但其年际变率亦未较之前时段有明显增加，在这一点上明显不同于年降水量的变化特征。

由于水城县夏季平均降水量为620.7 mm，在全年降水量中的占比可达到50%以上[12]，所以夏季降水量的多寡亦关系到水城全年降水的旱涝分布。在过去的30 a中，夏季降水量以超过20 mm/10 a的变化倾向率下降(图略)。由水城县夏季降水距平百分率的年际变化中(图5b)可见，近30 a来，尽管夏季降水偏多的年份数要稍多于偏少的年份，但降水偏少年份的降水距平要明显大于偏多年份，从而说明水城县夏季尽管降水容易偏多，但相对来说，在其夏季降水偏少时更容易发生严重的干旱事件。此外，水城县夏季降水还存在明显的年代际变化，20世纪80年代末期至90年代中期、2000年代中后期至今为降水偏少的时段，而1990年代末至21世纪初为降水偏多的时段。

而秋季平均降水量为253.1 mm，对年降水量贡献为22.3%，仅次于夏季(图略)。从长期线性趋势上可见，秋季降水量也存在一定的下降趋势，但其变化规律明显分为两个阶段，1990年代秋季降水明显偏多，偏多年份占到8成左右，而在进入2000年代以后，秋季降水开始明显偏少。

而水城冬季降水量的长期趋势则与其他三个季节明显不同(图略)，近30 a呈显著的上升趋势，变化倾向率达到4.85 mm/10 a，相对于平均降水量仅有54.9 mm的冬季来说，已接近平均降水量的10%，由此也说明，水城县年平均降水量在近30 a来的增长趋势主要是来自于春、夏、秋三季降水量的贡献。从年际和年代际变化上来看，水城县冬季降水量最大值出现在1995年(89.7 mm，较常年偏多63.4%)，最小值出现在2010年(27.4 mm，较常年偏少50.7%)。并且在1990年以前为明显的冬季少雨期，在之后的20来年中，水城冬季降水量除了2010年左右出现了短暂的少雨时段，其余时期明显偏多。

3.2 月际变化

从图6可看出，水城县全年降水量呈明显的单峰型分布，以12月最少，仅15.7 mm，而以6月最多，达到226.5 mm，可谓是干湿分明。其中夏季(6—8月)是水城县全年的雨水集中期，也属于水城县的主汛期范畴，夏季降水量占到了全年的54.7%，若从整个雨季(汛期)5—9月来看，水城县雨季降水量为877.1 mm，可占到全年降水量的77.4%，而包含冬季在内的11月—翌年3月是全年的少雨期，亦是水城县的旱季，上述5个月的降水量仅有112.8 mm，是6月降水量的一半，占全年降水量的9.9%。

图6 1986—2015年水城县平均月降水量(单位：mm)Fig.6 The average monthly precipitation of Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: mm)

3.3 周期特征

为分析水城县降水的周期活动特征，图7给出了1986—2015年年平均降水量的Morlet小波分析结果。由图可见，水城县年平均降水量在2009年之前没有显著的变化周期，而在进入2010年代以后存在2 a左右的显著变化周期。春季降水量则在20世纪90年代初期分别具有准2 a和准4 a的变化周期，其中以准2 a最为显著，之后在2000年代中后期存在4～8 a的变化周期。与年平均降水量变化相似，水城县近30 a的夏季平均降水量(图略)在2011年之前没有显著的变化周期，而在近几年期间存在2 a左右的显著变化周期，另外，在1990年代所存在的准8 a和超过16 a的变化周期由于受到小波变换边界的影响，可信度较低。秋季平均降水量(图略)则只在2000年中后期存在2～4 a的变化周期，其中又以准2 a左右的变化周期更为显著。水城冬、春两季平均降水量的变化周期相似(图略)，分别为20世纪90年代中后期的2～3.5 a变化周期与2010年代前后4～6 a的变化周期，其中以20世纪90年期中后期的2～3 a左右的变化周期更为明显。

图7 水城县年平均降水量的Morlet小波分析Fig.7 The Morlet wavelet analysis of the annual average precipitation in Shuicheng

4 年极端气温和极端降水气候特征

4.1 年极端气温气候特征

由表1可知，水城县在1986—2015年间，极端最高气温为1991年6月1日的32.9 ℃，极端最低气温为1999年1月12日的-12.6 ℃。同一月份，极端最高气温与极端最低气温的差值在23.8(7月)～37.9(3月)℃之间。近30 a，水城县全年各月之间的极端最高气温差值仅有10.9 ℃，而极端最低气温可相差达21.5 ℃，月极端最高气温的最小值出现在12月，而月极端最低气温的最大值则出现在6月。对比图8和表1可发现，冬季期间的极端最高气温与极端最低气温之间的差值则普遍比夏季期间的大，亦与前文中所分析的冬季更易出现极端暖冬或冷冬事件的结论相一致。

表1 1986—2015年水城县各月极端气温气候统计特征(单位：℃)Tab.1 The statistical characteristics of extreme temperature of each month in Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: ℃)

从年极端气温所出现的月份分布统计结果来看(图8)，水城县极端最高气温在春、夏、秋三季均可出现，但以5月的10次最多，占33.3%；其次是4月份，共有6次，占20%，其中1999年极端最高气温29.3 ℃在5月、6月各出现一次。与前文中全年最高平均气温处于夏季不同，水城县极端最高气温出现在春季和初夏的次数最多，3—6月共有25次，占比高达80.6%。而相对比极端最高温，年极端最低温所出现的月份则主要集中在冬季(12月—翌年1月)，其中以1月份为最多，共有18次，占到了60%，其次是12月份的有7次，占23.3%。

图8 1986—2015年共30 a逐年极端最高气温和极端最低气温所在月份的统计分布Fig.8 The statistical distribution of the extreme maximum temperature and extreme minimum temperature month by year from 1986 to 2015

4.2 月极端降水气候特征

对1986—2015年间水城县各个月的降水量极值进行统计发现(表2)，在4—9月，水城县月降水量最低值为7.5 mm(1994年4月)，甚至低于寒冬1月份的最低值7.7 mm，最高值为365.2 mm(2014年6月)，且整个夏季6—8月的最高值均在300 mm以上；而对于非汛期期间的10月—次年3月来说，最多降水为217.4 mm(2006年10月)，除此之外的5个月的降水量最高值均在100 mm以下，而最少降水仅有2.0 mm(1997年11月)。从最高值与最低值之间的差距来看，同一月份，极端最多与最少的降水量差值在31.9～277.4 mm之间，其中7月极端降水量相差最多，2月相差最少，这也与前文中水城县干湿分明的季节分布结论相一致。

表2 1986—2015年水城县各月降水量极值的气候统计特征(单位：mm)Tab.2 The statistical characteristics of extreme precipitation of each month in Shuicheng from 1986 to 2015 (unit: mm)

4.3 暴雨日数气候特征

从图9中可见，1986—2015年水城县暴雨日数共有65 d，年均暴雨日数2.2 d，从月际分布(图9a)来看，水城县暴雨日数基本集中出现在主汛期(6—8月)，共有51 d，占到全年的79%，其中6月的暴雨次数最多，达到了22 d，占比34%，而包括冬季在内的11月—翌年3月无暴雨天气出现。此外，图9b还给出了水城县暴雨日数的年际变化，由图可见，在2000年以前，水城县年暴雨日数分布相对平稳，除了1988年暴雨日数为0，其余年份暴雨日数均在1～3 d之间，而在进入21世纪以后，伴随有气温的升高(图1，图2)，水城县的年暴雨日数也开始进入了波动较大的时段，在无暴雨日数年份增加到3 a(2003年，2013年，2015年)的同时，最大年暴雨日数亦增加大4次以上，其中2005年和2014年更是分别出现了5 d和7 d的暴雨日数，结合前文的分析可知，尽管水城县的年降水量在近30 a存在显著的减少趋势，但在全球变暖的气候环境下，当地发生极端降水的事件却在异常偏多。

5 结论

本文采用多种气候统计方法，对水城县气温、降水的气候特征进行了分析，得到结论如下：

①水城县年平均气温为12.7 ℃，并在近30 a来呈现显著的上升趋势，其中除冬季外，其余三季的平均温度对年平均气温的增加起到了重要作用。在年际变化上，春季和冬季的平均气温在2000年以前和2000年以后均存在较大的年际变率，说明水城县的春季在2000年以前极易发生冷暖春事件，而冬季则在近15 a来更容易发生极端暖冬与冷冬事件。从周期变化上来看，水城县年平均和春季平均气温在1990年代初期至2000年代初期存在显著的4～6 a变化周期。

②水城县的年平均降水量为1 133.7 mm，并在近30 a来存在一定的减少趋势，但与气温不同，其中仅有夏、秋两季的降水存在显著的减少趋势，冬季降水则是明显的增加，并且夏、秋两季的降水占到了全年的75%以上，从而与全年降水量的变化特征息息相关；此外，在气候变暖的背景之下，水城县夏、秋季的降水在2000年以来年际变率显著变大，从而导致当地更容易出现极端的旱涝事件。