1961-2018年荆州市气候变化特征分析

2020-11-09高华东邓艳君费强杨青青刘诗慧

湖北农业科学 2020年16期

高华东　邓艳君　费强　杨青青　刘诗慧

摘要：为研究荆州市气候时空变化特征，利用荆州市6个国家气象站1961-2018年日平均气温、逐日降水量和日照时数资料，采用线性倾向估计法、累积距平法、M-K突变检验法分析了荆州市主要气候要素时空变化特征。结果表明，近58年来荆州市增温趋势非常明显，20世纪90年代以来尤为显著;降水量总体呈增加趋势，但年际间波动较大;年日照时数明显减少。荆州市增温主要在2-5月和9-12月;7月降水量增加趋势明显，降水量减少主要集中在秋季;夏季日照时数明显减少是荆州市光照变差的主要原因。荆州市各站气候要素变化趋势基本一致，仅松滋站年降水量呈减少趋势，与荆州市整体变化趋势相反。随着气候变暖，荆州市热量资源明显增加。

关键词：气候要素;变化特征;突变检验;荆州市

中图分类号：P467 文献标识码：A

文章编号：0439-8114 （2020） 16-0066-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.013 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

《IPCC全球升温1.5℃特别报告》指出，全球升温趋势为（0.2±0.1）℃/10年，目前全球平均温度比工业化前约高1℃[1]。已有研究表明，中国地区气候变化与全球气候变化总趋势是一致的[2-5 ]。任国玉等[2]指出1951-2001年中国平均地表气温上升趋势为0.22℃/10年，变暖幅度约为1.10℃，明显大于全球或半球同期水平，长江中下游地区降水量呈增加趋势，全国日照时数显著减少;孔锋等[3]研究发现1961-2014年中国平均气温增加趋势为0.26℃/10年。荆州市地处湖北省中南部，江汉平原腹地，属于亚热带季风湿润气候区，是热带海洋气团和极地大陆气团交替控制和互相角逐交绥的地带，是著名的鱼米之乡。对于荆州市的气候变化方面已有不少研究，吴燕辉等[6]指出1958-2004年江汉平原平均气温增加趋势为0.25℃/10年，变暖趋势十分明显;魏宝华等[7]研究发现1960-2005年湖北省各地区平均气温普遍呈不同增加趋势，江汉平原降水量有增加的趋势;刘可群等[8]指出1960—2004年江汉平原东南部的年降雨量呈明显增加趋势。这些研究主要是选取气温或降水作为气象要素指标，所用气象要素资料的年限较短。本研究利用荆州市6个国家气象站1961-2018年日平均气温、逐日降水量和日照时数等资料，研究了荆州市气温、降水、日照、积温的变化趋势和突变特点，以便全面认识全球气候变暖背景下的荆州市主要气象要素变化状况，以期为地方政府部门合理利用气候资源安排农业生产、促进生态文明建设等提供参考。

1资料与方法

1.1资料来源

所用资料为湖北省荆州市6个国家气象站（图1）1961-2018年日平均气温、逐日降水量和日照时数，该数据由湖北省气象信息与技术保障中心提供。

1.2 研究方法

对荆州市年平均气温、降水量、日照时数的年、月变化进行了研究。采用线性倾向估计法和累积距平法分析气候要素序列的变化趋势[9];采用Mann-Kendall法判断气候要素序列的突变时间[9];采用5d滑动平均法确定0℃（喜凉作物）和10℃（喜温作物）界限温度的起止日期[10]，从而计算稳定通过0℃和10℃的活动积温[11];采用反距离加权法（IDW）进行空间插值，并用ArcGIS 10.0进行空间表达。

2结果与分析

2.1 年气候要素变化特征

2.1.1 气温1961-2018年荆州市年平均气温为16.9℃。由图2可知，近58年来荆州市年平均气温序列呈上升趋势，线性倾向率为0.29℃/10年，通过了0.01水平的显著性检验，变暖趋势相当明显，高于全国平均水平[3]。用Mann-Kendall法对1961-2018年荆州市年平均气温进行突变检验分析，1961-1971年UF曲线呈现波动下降趋势，1972年后呈现上升趋势，在1997年超过了显著性水平0.05的临界线，UF、UB曲线相交于1996-1997年，交点位于显著性水平0.05的临界线之间，是荆州市年平均气温突变的开始。突变前，1961-1996年荆州市年平均气温为16.5℃;突变后，1997-2018年荆州市年平均气温为17.6℃，前后相差1.1℃虞海燕等研究得出2007年是中国有记录以来的最暖年，但基于本研究使用的时间序列数据已延伸到2018年，可以看出，2013年是荊州市最暖的一年，年平均气温为18.2℃，而1998、2007、2017年为次暖年，年平均气温都为18.0℃。

由图3可以看出，荆州市各站年平均气温均呈增加趋势，线性倾向率为0.24～0.36℃/10年，均通过了0.01水平的显著性检验。监利站的增温幅度最大，线性倾向率为0.36℃/10年，荆州站的增温幅度最小，线性倾向率为0.24℃/10年。

2.1.2 降水量 1961 -2018年荆州市年降水量多年平均值为1219.0mm。由图4可知，近58年来荆州市年降水量总体呈增加趋势，但年际间波动较大，线性倾向率为18.9 mm/10年，未通过0.05水平的显著性检验。这一结论与张峻等[13]得出的长江中下游地区1958-2017年降水量呈上升趋势（22.1mm/10年）的分析结果基本一致。

从分段变化来看，1961-2018年荆州市年降水量序列可分为以下5个时段：第一阶段为1961-1979年，荆州市年降水量年际间波动较大，累积距平总体呈下降趋势，表明此阶段为降水偏少期;第二阶段为1980-1995年，荆州市年降水量累积距平具有明显的周期性变化，经历了增多-减少-增多-减少的变化趋势，以3～5年的短周期旱涝交替为主要特征;第三阶段为1996-2004年，累积距平在波动中呈上升趋势，此阶段为降水偏多期;第四阶段为2005-2014年，累积距平呈下降趋势，此阶段为降水偏少期;第五阶段为2015-2018年，累积距平呈增加趋势，此阶段为降水偏多期。

由图5可以看出，荆州市年降水量中东部呈增加趋势，西部呈减少趋势，线性倾向率为-10.0～47.3mm/10年，仅石首站通过了0.01水平的显著性检验。松滋站年降水量变化趋势与荆州市整体趋势相反，线性倾向率为-10.0mm/10年;石首站年降水量增加趋势最大，线性倾向率为47.3mm/10年。

2.1.3 日照时数 1961-2018年荆州市年日照时数的多年平均值为1765.0h。由图6可知，近58年来荆州市年日照时数序列呈波动下降趋势，线性倾向率为-64.1h/10年，通过了0.01水平的顯著性检验，减少趋势十分明显，这与张立波等[14]得出的长江中下游地区的年平均日照时数总趋势明显减少（-68.2h/10年）的研究结果一致。用 Mann-Kendall法对1961-2018年荆州市年日照时数进行突变检验分析，UF曲线呈波动下降趋势，在显著性水平0.01的临界线之间，UF、UB曲线相交，突变点位于1983-1984年，这与张立波等[14]得出的湖北省中南部年日照时数在20世纪80年代后明显减少的结果一致。突变前，1961-1983年荆州市年平均日照时数为1887.4h，突变后，1984-2018年荆州市年平均日照时数为1684.6h，前后相差202.8h。值得注意的是，突变后阶段，2013年荆州市年日照时数高达1999.7h，比多年平均值高234.7h，同时2013年也是荆州市最暖的一年，表明2013年是荆州市有记录以来光热资源最丰富的一年。

由图7可知，荆州市各站年日照时数均呈显著减少趋势，线性倾向率为-89.1～-32.6 h/10年，均通过了0.01水平的显著性检验。监利站减少趋势最大，线性倾向率为-89.1 h/10年，洪湖站减少趋势最小，线性倾向率为-32.6 h/10年。

2.2月气候要素变化特征

2.2.1气温荆州市逐月平均气温呈单峰型分布，峰值出现在7月（28.5℃）、8月（27.9℃），1月（4.4 ℃），年较差较大。图8a显示，1-12月平均气温均呈升高趋势，2-5月和9-12月月平均气温升高趋势明显，其他月份气温升高趋势不明显，这使得荆州市气温年较差表现为减小的趋势。

2.2.2 降水量荆州市各月降水量分布不均匀，全年70.8%的降水都集中在3-8月，6月（190.3mm）降水量最多，12月（31.1 mm）降水量最少。图8b显示，月降水量线性倾向率为正值的月份有1-2月、4-7月和11月，主要集中在冬季和夏季，其中，7月增多趋势最显著;3月、8-10月和12月线性倾向率为负值，主要集中在秋季。这种变化特点使得荆州市年内降水量分配趋于更不均衡。

2.2.3 日照时数荆州市逐月日照时数分布与逐月平均气温基本一致，表现为单峰型，峰值出现在7月（230.8 h）、8月（226.0 h）、2月（88.9h）。图 8c 显示，近58年来各月日照时数线性倾向率在1月、6-9月减少趋势非常明显，4月日照时数线性倾向率为正值，但未通过显著性检验。表明夏季日照时数明显减少是荆州市光照变差的主要原因。

2.3 年积温变化特征

由图9可知，1961-2018年荆州市年≥0℃、≥10℃积温的多年平均值分别为6149.1（℃·d）和5 370.3 （℃·d），58年间增加趋势非常明显，均通过了0.01水平的显著性检验。用Mann-Kendall法对1961-2018年荆州市年≥0℃、10℃积温进行突变检验分析，20世纪80年代中期，UF曲线均持续上升，并分别于1997年和2000年超过了显著性水平0.05的临界线，在显著性水平0.05临界线之间，UF、UB曲线交点均位于1996-1997年，是两者突变的开始。突变前，1961-1996年荆州市年>0℃、≥10℃积温分别为5993.5 （℃·d）和5226.8（℃·d）;突变后，1997-2018年荆州市年≥0℃、≥10 ℃积温分别为 6 403.8 （℃·d）和5 605.2 （℃·d），两者分别相差410.3 （℃·d）和378.4 （℃·d）。可见，随着气候的变暖，荆州市热量资源明显增加。

3小结与讨论

3.1 小结

通过对荆州市6个国家气象站1961-2018年的日平均气温、逐日降水量和日照时数时空变化特征进行分析，得出以下主要结论。

1）近58年来，荆州市年平均气温明显升高，线性倾向率为0.29℃/10年，20世纪90年代以来增温尤为显著。年平均气温在1996-1997年发生突变，突变后与突变前阶段年平均气温相差1.1℃，增幅相当大。年降水量总体呈增加趋势，但年际间波动较大，线性倾向率为18.9 mm/10年;1961-1979年、2005-2014年为降水偏少期，1996-2004年、2015-2018年为降水偏多期，1980-1995年则以3～5年的短周期旱涝交替为主。年日照时数明显减少，线性倾向率为-64.1h/10年，突变点在1983-1984年，突变后与突变前阶段年日照时数相差202.8h。

2）各月平均气温、降水量、日照时数均呈单峰型分布，月平均气温7月最高（28.5）℃，1月最低（4.4℃）;月降水量6月最多（190.3 mm），12月最少（31.1mm）;月日照时数7月最多（230.8h），2月最少（88.9 h）。增温主要表现在2-5月和9-12月;7月降水量增加趋势明显，降水量减少主要集中在秋季;夏季日照时数明显减少是荆州市光照变差的主要原因。

3）地域上，荆州市各站年平均气温均呈增加趋势，线性倾向率为0.24～0.36℃/10年;年降水量中东部呈增加趋势，西部呈减少趋势，线性倾向率为-10.0～47.3mm/10年;年日照时数均呈显著减少趋势，线性倾向率为-89.1～-32.6 h/10年。

4）随着气候变暖，荆州市热量资源明显增加，≥0℃、≥10 ℃积温的变化趋势和突变时间与年平均气温的变化趋势表现一致。

3.2讨论

本研究中荆州市平均气温上升趋势显著，线性倾向率为0.29℃/10年（P < 0.01），该结果略高于前人的研究结果[6]，其主要原因为站点选择和气候要素序列起止时间等方面存在差异。彭少麟等[15]研究发现城市化发展使得城市热岛效应日趋严重，唐国利等[16]研究表明城市热岛效应对湖北省等地区近40～50年的地表平均气温影响很明显，如果剔除城市热岛效应对气温的影响，荆州市的增温速率将小于0.29℃/10年，此结果有待今后进一步研究。

在全球气候变暖的背景下，荆州市气候变化表现为气温升高、降水量增加、日照時数减少的趋势，20世纪90年代以来“暖湿”特征明显。丰富的热量、充沛的降水、充足的光照，雨热同步与农作物生产季一致的气候条件，使荆州市适宜多种农作物生长发育。可因势利导扩大复种指数，合理规划农业生产，充分利用气候资源，挖掘农业气候资源潜力，结合气候资源的开发和生态文明建设，大力发展特色湿地生态农业，开展稻虾、再生稻、特色水产等农产品气候品质认证，建立有气候特色的地方优质农产品品牌，实现农业经济的可持续发展，是荆州市未来农业发展的方向。

气候变化为农业生产带来机遇的同时，也带来了一系列的问题。有研究表明气候变暖会使水稻、小麦等作物生育期缩短，造成部分地区产量下降[17-19]。熊伟等[20]研究发现，1981-2007年随着太阳辐射减少湖北省水稻产区水稻产量也表现出减少的趋势。近年来洪涝、干旱、高温热害、低温冷害等极端天气气候事件的频率和强度明显增强，对农业生产的稳定性产生了不利影响[21-24]。霍治国等[25，26]对中国农作物病虫害的研究发现，气候变暖、降水异常会导致区域病虫害发生与灾变程度加剧，危害损失加重。

尤其值得注意的是，上述研究表明，2013年是荆州市有记录以来光热资源最丰富的一年，在6月15日，即常年梅雨发生初始阶段，西太平洋副热带高压脊线就过早北跳至30°N附近，且西伸至四川盆地。长江流域受其影响，出现较大范围的持续晴热高温天气，6月16-20日荆州市出现日平均气温连续5d≥30℃、4d最高气温达35.9～37.8℃的有害高温，对早稻抽穗扬花十分不利。同时6月中旬日照时数较常年偏多9成，在气温、地温高亢（地面极端最高温度达66.1℃）的情况下，对棉花、蔬菜易引起日灼。6月23日荆州市由晴热高温转梅雨，至6月底，又出现此起彼伏的强降水天气，其雨量大到暴雨、局部大暴雨，引起了局部洪涝。因此，气象灾害的研究及科学预测，对合理利用气候资源安排农业生产显得尤为重要。

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