1991—2020年南靖县气候特征和干旱化趋势分析*

2022-09-01王秋云孟冰祥赵跃宾蔡艺友

海峡科学 2022年7期

王秋云孟冰祥赵跃宾蔡艺友

(1.南靖县气象局，福建漳州 363600；2.漳州市气象局，福建漳州 363001;3.平和县气象局，福建漳州 363700)

IPCC第五次评估报告指出[1]，全球快速变暖已经是一个不争的事实，相对于1961—1990年，1880—2012年全球地表平均气温约上升了0.85℃。近年来，我国很多学者也对全国或区域性的气温变化进行了大量研究，发现100年来我国温度的增暖趋势与全球增暖趋势一致，但不同城市不同区域温度变化特征不尽相同。王遵娅等[2]利用中国740个站逐日数据资料研究发现，近50年来全国平均气温在20世纪80年代以后上升更为明显，全国平均年总降水量波动略有减少，但90年代以后夏季降水增加明显。王胜杰等[3]采用气候倾向率和反距离权重插值等方法，研究发现1961—2020年黄河流域气温表现为极显著升高趋势，降水总体呈下降趋势。王丽萍等[4]运用线性趋势法、Mann-Kendell法等手段，分析得出近50年来河套灌区年平均气温呈逐年上升的趋势。张强等[5]研究发现，近50年来西北地区气温呈显著上升趋势，降水变化空间差异突出，西北地区整体暖干化趋势明显，局部出现暖湿现象。王文静[6]等利用标准化降水指数(SPI)、小波分析等方法，对1960—2013年华南地区的气候变化特征进行分析，发现近54年华南地区年平均气温以0.17℃/10a的速率上升、降水量以8.7mm/10a的速率上升。黄奇晓等[7]研究发现，福建省1980—2017年间平均气温上升趋势显著。林凌等[8]利用1960—2013年福州地区8个国家气象观测站的气温和降水资料，分析得出福州地区8站平均气温、最高和最低气温的季节年际变化均呈上升趋势，降水量的年和季节变化趋势不明显，除闽清和永泰年降水量呈下降趋势外，其他6站的年降水量均呈上升趋势。

南靖县位于福建省南部，博平岭山脉的东南方向，地理坐标为24°26′N～25°00′N，117°00′E～117°36′E。地势呈西北向东南明显倾斜，自西北向东南地貌依次分为中低山、丘陵、台地和平原4种类型，其中丘陵所占比例最大。全县生物资源丰富，农业宜种性广，是国家级、省级商品粮食基地县、全国第二批农产品无公害示范县、高优农业示范区。本文利用1991—2020年南靖国家气象观测站数据，对南靖县近30年降水、气温的气候变化特征进行统计，对在气候变暖背景下该地区的干旱化趋势进行分析，以期为南靖县气候监测和评估、农业生产等提供参考。

1 数据与方法

选取南靖县1991—2020年逐月降水量和气温值为基本数据，采用线性倾向估计法，建立时间与要素值的一元线性回归Yi=bXi+a(i=1,2,...,i+a)关系，对年降水量、年平均气温变化趋势进行分析。以标准化降水—蒸散指数(SPEI)为干旱指标，对气候变暖背景下南靖县干旱变化趋势进行统计。

标准化降水—蒸散指数(SPEI)是一种新的干旱指标[9]，它通过水分亏缺量和持续时间2个要素来描述干旱，以降水量与月潜在蒸发量之差代替了标准化降水指数(SPI)计算的月降水量，结合了SPI的多时空属性和干旱监测指数(PDSI)对蒸发需求变化的敏感性(由于温度变化导致的结果)，是一种新的适用于气候变暖背景下干旱监测与评估的干旱指数。具体计算步骤如下：

①潜在蒸散发的计算[9]：

(1)

式(1)中，T为月平均气温(℃)；I为总加热指数，由12个月的平均加热指数累加得到；m为系数，由I决定，计算方法为：m=6.75×10-7I3-7.71×10-5I2+1.79×10-2I+0.492；K为订正系数，为纬度和月份的函数。

②计算气候水平衡值：

Di=Pi-PETi

(2)

式(2)中，Di为月降水与蒸散的差值，Pi为月降水量。

③使用三参数Log-logistic概率分布模型拟合所建立的数据序列，获得SPEI指数：

(3)

式(3)中，α、β和γ为尺度、形状和初始状态参数。

④D的概率分布函数可以表示为：

(4)

由F(x)可以获得SPEI的标准化数值。根据Abramowitz和Stegun的经典近似理论有：

(5)

表1 基于标准化降水—蒸散指数的干旱等级划分标准

2 结果与讨论

2.1 气候变化特征

2.1.1 降水量随时间变化特征

南靖县1991—2020年多年平均降水量为1731.6mm，降水量最多的年份出现在2006年，达2481.8mm；降水量最少的年份出现在2009年，为1010.5mm，年降水量极差达1471.3mm。图1给出了1991—2020年南靖县年平均降水量随时间变化的曲线，分析发现，南靖降水量以87.0mm/10a的速率呈下降趋势。

图1 南靖县1991—2020年年平均降水量变化及趋势(虚线为线性趋势线)

如图2所示，从季节上看，冬季平均降水量为172.5mm，降水量最多的年份为2006年，达到450.7mm，比平均降水量多278.2mm。降水量最少的年份为2009年，仅有27.9mm，比平均降水量少144.6mm。由曲线发现，近30a冬季的降水量以4.9mm/10a的速率呈下降趋势。春季平均降水量为467.9mm，降水量最多的年份也是2006年，达到889.1mm，最少的年份也是2009年，仅有125.3mm。夏季的平均降水量为795.3mm，近30a夏季的降水量均在400mm以上，最大降水量出现在2000年为1225.9mm，最小降水量出现在2010年为406.7mm，总体来说，夏季为南靖降水量最充沛的季节，但是从时间变化趋势看，夏季降水以91.2mm/10a的速率呈减少趋势，并且通过了α=0.05的显著性检验，说明近30a南靖县夏季降水呈明显减少趋势。秋季的平均降水量为295.4mm，降水量最多的为2016年，达647.4mm，最少的年份为2019年，仅有82.9mm，从变化趋势看，秋季总体呈上升趋势。总体而言，1991—2010年，南靖县的降水量在冬季、春季和夏季呈现减少的趋势，其中夏季降水量呈显著减少，而秋季的降水量呈上升趋势，但上升趋势不明显。

图2 南靖县1991—2020年各季节降水量及趋势(虚线为线性趋势线)

2.1.2 气温随时间变化特征

南靖县1991—2020年多年平均气温为21.6℃，2020年平均气温达22.7℃，为近30a的最大值；最小值出现在1991年，为20.6℃。由图3可见，南靖县气温以0.3℃/10a的速率逐年增高，并且通过了α=0.01的显著性水平检验。从年代变化看，20世纪90年代的多年平均气温为21.3℃， 21世纪初期平均气温略有上升，达21.5℃，进入21世纪10年代后，平均气温上升明显，达21.8℃。由此可见，近30a来南靖县气温呈显著升高趋势，尤其从2010年开始，上升趋势更为明显。

图3 南靖县1991—2020年年平均气温及趋势(虚线为线性趋势线)

从季节上看，1991—2010年南靖县冬、春、夏和秋季的平均气温分别为14.4℃、20.7℃、27.9℃和23.1℃。由图4可见，近30a来南靖县四季气温随时间均呈现上升趋势，冬季气温以0.3℃/10a的速率增长，通过了α=0.05的显著性检验，春季以0.2℃/10a的速率上升，但是上升趋势不明显，夏季和秋季分别以0.3℃/10a和0.5℃/10a的速率升高，且均通过了α=0.01的显著性检验。综上所述，1991—2010年南靖县气温在四季随时间均呈现上升趋势，其中夏季和秋季呈显著上升趋势。

图4 南靖县1991—2020年各季节平均气温及趋势(虚线为线性趋势线)

2.2 干旱趋势变化特征

2.2.1 干旱强度变化特征

根据南靖县1991—2020年气象站点的月降水量及月平均气温值，计算SPEI值，以历年每月SPEI<-0.5平均值的绝对值作为该年的平均干旱强度。由图5可见，除1997年为无旱之外，其他年份均出现了不同程度的干旱，强度最强的年份在2010年达1.72，为中度干旱程度。在1991—2020年间干旱强度以0.16/10a的速率在增强，并且通过了α=0.01的显著性水平检验，说明近30年南靖县的干旱强度呈显著增强趋势，干旱化加剧。从年代际来看，1991—2000年干旱强度值为0.83，为轻度干旱，2001—2010年和2011—2020年的平均干旱强度值分别为1.15和1.17，均达到中度干旱。总体而言，南靖县干旱强度呈增强趋势，且存在明显的年代际变化特征，尤其进入21世纪后，干旱强度持续增强，干旱化趋势明显。

图5 南靖县1991—2020年干旱强度及趋势(虚线为线性趋势线)

2.2.2 干旱月数变化特征

统计历年每月SPEI≤-0.5的月份个数，为当年度出现干旱的月数。如图6所示，1991—2020年间干旱月数的平均值为3.6个月，最小值(为0)出现在1997年，即1997年全年无旱，最大值为6个月，出现在1996年、2003年、2009年、2011年、2020年。从曲线上看，干旱月数随时间呈增加趋势，增加速率为0.7月/10a，并且通过了α=0.05的显著性水平检验，说明近30年南靖县的干旱月数随时间呈显著增加趋势。从年代分布来看，20世纪90年代干旱月数的均值为2.8个月，21世纪10年代的干旱月数均值较上一个年代明显增大，达到4.0个月，进入20年代后均值仍略有上升，为4.1个月，由此可见干旱月数随年代际呈逐步增加趋势。1991—2020年南靖县干旱月数呈增加趋势，尤其从21世纪开始增加的趋势更为明显。