近54年粤东北气候干湿状况的时空变化特征

2022-04-29段海花贺发胜杨家军郝建平

广东气象 2022年2期

段海花，贺发胜，杨家军，郝建平

（1.河源市气象局，广东河源 517000；2.东源县气象局，广东东源 517500）

IPCC第5次评估报告指出，随着全球气候的变暖，大部分陆地干旱化趋势日益显著，导致干湿气候区域发生变化，旱涝灾害增加，对生态环境、作物布局和农业生产等产生重大影响［1］。湿润指数是表示气候湿润程度的指标，它是降水量、气温、气压、风速等多种要素的综合反映［2-5］，目前被广泛应用于气候干湿状况评价、生态环境变化等研究中。

以往的研究表明，不同区域的干湿气候变化存在较大差异，其影响也是复杂多样的，并且存在较多的不确定性。胡琦等［4］、申双和等［5］研究发现，中国湿润地区总体增多，东部暖湿化明显，中西部暖干化趋势显著；施雅风等［6］指出，新疆气候干湿状况发生了暖干-暖湿-暖干的转变；王允等［7］认为西南地区湿润指数呈波动下降趋势，变干地区多于变湿地区；姚玉碧等［8］发现，三江源地区地表湿润指数呈增大趋势，降水量、相对湿度和平均最高气温是主导因子；赵晶等［9］指出，江苏干湿气候变化不明显，但降水量的变化对相对湿润度的时空分布起着主导作用。因此，针对各地实际情况，系统研究干湿气候的时空变化规律及其成因，具有十分重要的现实意义。

河源市和梅州市处于广东省东北部的生态发展区，属亚热带季风气候区，光、热、水充足，动植物种类繁多，生物资源丰富。以往的研究仅限于对上述地区降水、气温等因子的单一研究［10-13］，还未有针对气候干湿演变的系统研究报道。系统分析近几十年来粤东北干湿气候的时空变化特征，对进一步科学制定农业发展规划、生态发展区建设目标等具有重要的指导意义。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料为1966—2019年粤东北（指河源、梅州两市）12个国家气象观测站的逐月降水量、平均气温、平均风速、气压、相对湿度等资料。采用气象学标准对四季进行划分：3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。

1.2 方法

气候干湿状况用湿润指数表示，采用《生态质量气象评价规范（试行）》中的计算方法［14］。采用线性倾向估计分析湿润指数的线性变化趋势；用多项式拟合阶段性变化特征；运用Mann-Kendall法结合滑动t检验法对湿润指数进行突变检验。对气象因子和湿润指数进行标准化处理后，运用多元回归方法计算气象因子对湿润指数的相对贡献率。

湿润指数（Km）为

其中，R为计算时段内降水量（mm）；ET0为同期潜在蒸散量（季度、年潜在蒸散量为相应时间段内各月之和）。

月潜在蒸散量（ET0）为

其中，P为平均气压（hPa）；t为平均气温（℃）；d为天数（d）；F为平均风速（m/s）；RH为相对湿度（%）；E为温度t对应的饱和水汽压（mmHg）。

饱和水汽压（E）为

贡献率（W）为

其中，Y为湿润指数标准化后的数值；X1、X2……分别为气象因子标准化后的数值；a1、a2……为回归系数；Wi为第i个气象因子对湿润指数的相对贡献率。

2 结果与分析

2.1 湿润指数的时空变化

近54年粤东北年湿润指数与年降水量的空间分布基本相一致（图1），具有河源自北向南、梅州自西北向东南呈“相对湿润-相对干燥-相对湿润”的分布特征。连平、和平和紫金湿润指数较高，均在2.75以上，其中紫金最高，为2.89，主要是由于上述地区降水相对丰富；五华、兴宁、梅县、焦岭一带湿润指数较低，均在2.25以下，其中五华最低，为1.95，主要是由于上述地区降水相对较少。

图1 1966—2019年粤东北年湿润指数（填色）和降水量（等值线，单位：mm）

从地形角度分析发现，湿润指数较高的区域主要位于地形起伏较大和大型水库、水网密集的地区。地形起伏，有利于大气对流运动的发生发展；水系发达，则为降水的水汽供应带来良好条件。

由图2可知，近54年粤东北年湿润指数与年降水量的气候变化趋势总体相一致，但并不完全同步。粤东北多年平均湿润指数为2.396，最大值为4.475，出现在1984年，最小值为1.503，出现在2012年，两者相差2.972，变异系数达25%。年湿润指数的线性变化趋势呈不显著的下降趋势，但阶段性变化特征明显。1969—1999年湿润指数多为正距平，降水量整体偏多，生态环境较为湿润；2000—2019年湿润指数多为负距平，降水量整体偏少，生态环境较为干燥。

图2 1966—2019年粤东北年平均湿润指数及年降水量变化趋势

从近54年粤东北各站年湿润指数的气候变化趋势分析发现，除平远外的其余各站年湿润指数均呈现逐渐下降的趋势。下降趋势最显著的区域位于河源市西部的连平（R=-0.453、P＜0.001）和河源（R=-0.381、P＜0.01），每10年下降0.185～0.209；其次是位于河源市中、南部地区的龙川（R=-0.341、P＜0.05）、紫金（R=-0.321、P＜0.05）和梅州市的梅县（R=-0.339、P＜0.05），每10年下降0.137～0.156。

由图3可知，粤东北年湿润指数在21世纪初发生转干突变，突变点在2001年，并通过滑动t检验。对各地年湿润指数进行突变分析，发现有7站在20世纪末到21世纪初发生转干突变，其中通过滑动t检验的有龙川和丰顺，突变点分别在1999和2002年。对比突变前后年湿润指数变化，发现粤东北年湿润指数在突变后的2001—2019年比突变前的1966—2000年下降0.466；龙川突变后的1999—2019年比突变前的1966—1998年下降0.705；丰顺突变后的2002—2019年比突变前的1966—2001年下降0.609。

图3 1966—2019年粤东北年湿润指数M-K突变分析

2.2 季湿润指数时空变化

由图4可知，近54年粤东北湿润指数的季节变化和地区差异明显。春季的湿润指数最高，平均为3.988，大值区主要位于河源市北部，最大值为5.022，出现在连平；低值区主要位于梅州市南部，最小值为3.048，出现在五华。夏季次之，平均为3.058，大值区主要位于河源市及梅州市的南部，最大值为4.291，出现在丰顺；低值区主要位于河源市东北部和梅州市中、北部，最小值为2.279，出现在五华。冬季再次之，平均为1.491，大值区主要位于河源市北部和梅州市西北部及东部，最大值为1.804，出现在和平；低值区主要位于梅州市东南部，最小值为0.989，出现在丰顺。秋季最低，平均为1.060，大值区主要位于河源市南部和梅州市东南部，最大值为1.376，出现在紫金；低值区主要位于河源市西北部和梅州市中、北部，最小值为0.925，出现在蕉岭。湿润指数这种不同季节的空间分布特征，主要是由于冬半年粤东北受西风带天气系统影响，降水主要落区在河源北部，夏半年主要受季风和热带系统影响，降水的主要落区在梅州市及河源市的南部。

图4 1966—2019年粤东北各季湿润指数空间分布

从近54年粤东北各季湿润指数的气候变化趋势分析发现，4季湿润指数均呈不显著的下降趋势。春季，除和平站外的11站均呈现下降趋势，其中连平（R=-0.343、P＜0.01）、河源（R=-0.303、P＜0.05）、梅县（R=-0.299、P＜0.05）、龙川（R=-0.282、P＜0.05）下降趋势显著；夏季，连平、和平、龙川、兴宁、河源、紫金、丰顺等7个站呈现下降趋势，其中仅连平（R=-0.365、P＜0.01）下降趋势显著；秋、冬季全区均呈不显著下降趋势。

应用Mann-Kendall法对近54年粤东北四季湿润指数进行突变分析，发现春季连平、龙川、兴宁、梅县、河源、紫金、丰顺在20世纪90年代中期到21世纪初发生转干突变，但仅河源通过滑动t检验，突变点在1994年，转干趋势明显；夏季连平、和平、龙川、丰顺在20世纪70年代末到80年代初发生转干突变，但仅连平、和平通过滑动t检验，突变点在1983年，转干趋势明显；秋季龙川、蕉岭、梅县、河源、紫金在20世纪90年代初发生转干突变，但仅梅县通过滑动t检验，突变点在1991年，转干趋势明显；冬季梅县、河源在20世纪90年代中期到21世纪初发生转干突变，但均未通过滑动t检验。

2.3 月湿润指数时空变化

由图5可知，粤东北湿润指数的各月分布不均匀，与降水量的逐月变化特征基本相一致，1月起连续上升，在6月达到峰值，此后波动下降，10月降到全年最低值。从各站月湿润指数来看（表略），最小值为0.554，出现在12月的丰顺，最大值为5.974，出现在6月的紫金；各站月湿润指数最大值出现在5—6月，最小值出现在10—12月。

图5 1966—2019年粤东北湿润指数及降水量逐月变化

从近54年粤东北各月湿润指数气候变化趋势发现，1、8、11和12月呈弱上升趋势，其余月份均呈下降趋势，其中10月下降趋势最为显著（R=-0.296、P＜0.05），每10年下降0.144。从各站各月湿润指数变化趋势可知，河源4月（R=-0.288）、梅县5月（R=-0.313）、连平6月（R=-0.281）、河源10月（R=-0.303）、大埔10月（R=-0.274）、兴宁10月（R=-0.285）、龙川10月（R=-0.329）呈显著下降趋势（P＜0.05）；连平5月（R=-0.348）和10月（R=-0.383）、梅州10月（R=-0.343）呈极显著下降趋势（P＜0.01）。

应用Mann-Kendall法对近54年粤东北10月湿润指数进行突变分析，发现其在20世纪80年代发生突变，突变点在1984年。湿润指数在突变后的1984—2019年比突变前的1966—1983年下降了0.646，但突变点未通过滑动t检验。

2.4 气象因子对湿润指数的影响分析

1）气象因子气候变化。

从表1可知，近54年粤东北年平均气温呈极显著上升趋势，每10年上升0.196℃；年相对湿度和日照时数呈极显著下降趋势，每10年下降0.57%和34.04 h；年平均风速呈不显著上升趋势。4季平均气温和平均风速均呈上升趋势，相对湿度和日照时数均呈下降趋势。其中，夏、秋、冬季平均气温和夏季平均风速上升趋势极显著，4季的相对湿度和夏季日照时数下降趋势显著。

表1 1966—2019年粤东北各气象因子气候倾向值（10年变化量）

2）气象因子与湿润指数的相关性分析。

从近54年粤东北各气象因子与湿润指数的相关性分析发现，年湿润指数与相对湿度的相关系数为0.409，呈极显著正相关；与平均气温的相关系数为-0.282，呈显著负相关；与日照时数和平均风速的的相关性不显著，相关系数分别为-0.165和-0.084。春季湿润指数与相对湿度的相关系数为0.507，呈极显著正相关；与平均气温、日照时数的相关系数分别为-0.416和-0.498，呈极显著负相关。夏季湿润指数与相对湿度的相关系数为0.357，呈极显著正相关；与日照时数的相关系数为-0.313，呈显著负相关。秋、冬季湿润指数与各气象因子间的相关系数普遍较小，相关性不显著。

3）气象因子对湿润指数变化的贡献率分析。

近54年来，粤东北年、春季和冬季各气象因子对湿润指数变化贡献依次为相对湿度＞平均气温＞日照时数＞平均风速，相对湿度为主要影响因子，贡献率均在0.4以上，而平均风速对湿润指数的影响几乎可以忽略不计，其贡献率均小于0.1。各气象因子对湿润指数变化贡献的夏季排序为相对湿度＞日照时数＞平均风速＞平均气温，秋季排序为相对湿度＞平均风速＞平均气温＞日照时数，平均气温对夏季湿润指数、日照时数对秋季湿润指数的贡献均小于0.1（表2）。结合气象因子气候倾向率和相关系数可知，相对湿度的显著减少和平均气温的显著升高是粤东北湿润指数减小的主导因子。