1973—2022年山东省气候变化特征

尹海姣,张振卿,王 伟

(1.天津师范大学地理与环境科学学院,天津 300387;2.天津师范大学京津冀生态文明发展研究院,天津 300387;3.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

0 引言

全球气候变化波及大气圈、水圈、冰冻圈和生物圈,影响着地表环境和生态系统演化[1],是当前广泛关注的热点问题。IPCC第六次评估报告指出,近几十年地球表面平均温度比19世纪末高出1.1 ℃,同时还伴随着日益频发的寒潮、热浪、洪水等极端气候事件[2-4]。此外,一些气候模拟研究也表明未来全球持续变暖将导致极端气候事件进一步频发,并对人类社会和经济发展造成更严峻威胁[5]。因此,为准确预测气候变化趋势及其影响,亟待深入了解气候变化特征与规律。

研究表明,近几十年以来,我国年均温总体上呈上升趋势,年降水量整体呈下降趋势,其中以华北、西北和东北地区的干旱化趋势为主[6]。位于华北地区的山东省人口稠密,且作为当地支柱产业之一的农业与气候条件关系密切[7,8],因此气候变化是影响当地民众生活和社会经济发展重要因素之一。近年来,国内学者对该区域气候变化开展了一些研究,多数结论显示随着全球变暖山东省年均温也呈现不断升高趋势,且伴随着年降雨量的突变性不断增强,受气候变化影响下的区域经济和环境也遭受了严重损失[9-12]。此外,近几十年来山东省不同地区年均温虽都在全球变暖影响下显著升高[13-15],但不同地区气温和降水变化幅度,以及极端降水强度和频率[16],也呈现显著空间差异[17-19]。上述研究分别从不同角度揭示了山东省不同地区在不同时段气温降水变化、极端降水过程,因此本文从时间维度分析山东省气温和降水的周期性和突变性演变规律,以期在当前全球变化日益加剧条件下科学预测未来气候变化和指导社会可持续发展提供科学理论依据。

1 研究区概况

山东省处于我国华北地区,位于第三级阶梯,地形复杂,平均海拔约为40 m,基本地貌类型都有分布,以丘陵和平原地形为主,山东境内海拔最高处为泰山,高达1 532.7 m。山东在34°22.9′ N～38°24.01′ N,114°47.5′ E～122°42.3′ E之间,东西跨度721.03 km,南北跨度437.28 km,全省陆域面积15.58万km2。当地气候属于暖温带季风气候,夏季盛行偏南风,炎热多雨,冬季多偏北风,寒冷干燥;春季天气多变,干旱少雨;秋季天气晴爽,冷暖适中。山东省东部深入渤海、黄海的区域属于湿润区,西部陆地属于半湿润区。

2 数据来源

气象数据下载于美国国家海洋和大气管理局网站(NOAA,https://www.ncei.noaa.gov)的逐日降水和气温数据,如图1所示,站点分布比较均匀,具有很强的代表性。但是下载的数据存在缺失值,1999年缺少前八月的降水,为保证结果准确性,在数据处理过程进行了必要的取舍和插值。根据1973—2022年11月的逐日降水、气温数据资料,研究山东省济南站、淄博站、潍坊站等27个气象站50年的气温降水情况,计算出月、四季和年降水数据。其中四季包括春、夏、秋、冬,春季为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12月—次年2月。

图1 山东省气象观测点位置分布图

3 研究方法

3.1 距平分析

距平是某一系列气象数值中的某一个数值与平均值的差,分为正距平和负距平,用来判断气象数据偏离平均水平的程度。累计距平法是一系列距平值的总和,用此方法可以判断气温和降水的变化趋势。

(1)

(2)

3.2 滑动平均

滑动平均法又称为移动平均法,用递推形式进行计算局部平均,可以减少数据的波动性,此方法可以增加数据的稳定性,更加明确地看出演变规律。

(3)

其中,Xi为i时刻的气候数据,Hi为i时刻的滑动平均值。一般情况下使用的滑动平均法以3年滑动或5年滑动为主,由式(3)可知,此次研究采用的是3年滑动平均法,可通过斜率辨别变化趋势。

3.3 小波分析法

小波分析法是用来分析降水周期性的方法,利用MATLAB R2018b软件中波段分析工具将降水信息或者降水距平信息进行拓展和转化,通过形成多时间尺度的信号[20],小波变换的系数可以用来判断这种多时间尺度下的降水特征,借助Origin2021的等高线绘制工具制作小波系数图,得到关于不同时间序列的变化特征[21]。使用小波分析能够实现对多时间尺度下降水特征的研究,摆脱了单一时间尺度的局限性。

4 结果及讨论

4.1 气温、降水线性变化规律

在1973—2022年50年间,观测结果显示气温呈现波动上升趋势,近50年来平均气温为13.1 ℃,山东省年均温最低值出现在1974年,为11.9 ℃,年均温最高值出现在2022年,为15.6 ℃;降水总体上呈现先下降后上升的趋势,整体变幅较大,年降水量最大值出现在2021年,为1 024.51 mm,除1999年外,年降水量最低值出现在1989年,为406.57 mm。

气温、降水具有年际变化,降水的变化尤为明显,如图2所示。20世纪70年代至21世纪之前气温低于平均水平,为低温期;在21世纪之后,气温恢复正常水平且逐步升高,为高温期;降水的变化总体上可以划分为20世纪70年代降水较多,但已有数据显示降水先减后增,为多雨期;80年代降水量减少,为少雨期;20世纪90年代末21世纪初降水量回升后下降,21世纪之后降水量回升,为多雨期。从短期来看,山东省降水具有阶段性和间歇性,而气温则稳定上升,气候变化尤其是降水的不稳定性增加。

图2 气温、降水距平分布图

综上,气温和降水在不同的时期呈现的变化状况不同,气温具有两个变化期,总体上以2000年为分水岭,气温出现明显升高,降水的状况较为复杂,降水震荡的周期性明显,以三个阶段的下降和三次回升为主,旱涝状况具有交替性。

春、夏、秋、冬四季的气温变化不显著,遵从年均温变化规律,呈现小幅度波动上升,如图3所示。春季平均气温最高值出现在2014年,达14.9 ℃,最低值出现在1980年,为11.1 ℃,1996年之前气温的变化幅度大于1996年之后,2013—2022年的增温快于1997—2009年;夏季1978—1993年气温波动下降,2008—2020年波动上升,夏季平均气温最大值出现在2018年,达26.06 ℃,最低气温出现在1978年;秋季50年间的平均气温为14.4 ℃,平均气温最高值出现在1998年,为16.3 ℃,1981年出现最低值,为12.9 ℃,2012年之后气温增长速率加快,1986—2008年气温变化幅度较大;冬季平均气温在0 ℃上下波动,1986年之前气温大多在0 ℃以下,1986年之后气温多在0 ℃以上徘徊,但在2013年出现极小值平均气温低至-1.18 ℃,1979—1986年气温出现波动下降,1988—1998年气温变化较缓慢,2013年之后气温增幅最大。

图3 四季气温变化趋势图

降水的四季变化规律远复杂于气温,降水量的变幅情况存在季节独特性,如图4所示。其中春季降水量保持在30～220 mm,1973—2001年春季降水大部分低于平均降水量,2001年之后降水量大多高于平均降水量,2018年出现近50年降水最大值之后降水量波动下降;夏季降水量最多,经历了三个降水下降阶段,1978年降水高达627.4 mm,成为近50年来降水极大值,1978—1989年降水趋于减少且降幅较大,1996—2002年波动下降,2007—2014年是降水波动下降的第三个阶段,2014年之后降水开始波动上升;秋季降水以2002年为界限,之前降水量震荡幅度较小,之后降水量变化较剧烈,后期降水开始逐渐增加,到2021年出现近50年秋季最大降水均值369.3 mm;冬季降水的上升趋势最不显著,降水最高值出现在2020年,为90.1 mm,最低值出现在1999年,为3.5 mm,1973—1988年降水量变幅较小,1988—2006年降水变化量具有很强的波动性,2006年之后降水量波动上升。

图4 四季降水量变化趋势图

因此,从四季降水变化看,1999—2002年为降水波动期,夏季降水量多于秋季,冬季的降水量最少,春、冬两季降水的变化区间较小,在此期间发生洪涝灾害的可能性很小,而夏、秋两季的降水变化区间较大,且50年间降水振幅较大,在山东省干旱的大背景下,降水突增易引发洪水等气象灾害,关注山东省夏、秋两季降水量变化状况是当今研究重点。

4.2 相关性、主成分分析

山东省的气温和降水受地形、海陆位置、区域环境等因素的影响较大,存在区域差异,如图5所示。山东省东西跨度721.03 km,跨经度约8°,南北跨度437.28 km,跨纬度约4°,经纬度的变化对气温降水的影响较小,海拔的影响主要表现在垂直方向上,与气温存在明显的负相关,与降水存在正相关。

图5 气候要素相关性分析图

如图6所示,泰山地区与山东其他地区存在较大的差异性,位于胶东半岛的威海、长山头、长岛等地区,鲁西南地区的菏泽、费县、兖州地区,鲁中地区的潍坊、淄博、沂源地区各项指标存在较强的相似性,其余地区受到当地区域小环境的影响,与附近地区相比气温与降水存在一定的差异。

图6 气候要素主成分分析图

4.3 周期性分析和突变性检验

气温和降水数据的不稳定性在一定程度上成就了气候周期性的形成,如图7所示。由图7可知,在0～32年时间尺度下,气温的主周期为29年,在此时间尺度下气温的振荡周期约为20年,主要经历了两个完整周期,1974—1983年气温相对较低,1984—1993年气温开始出现上升的趋势,1994—2002年该时段气温处于小低谷,此时气温的周期性并不明显,2003—2012年气温相对较高,2013—2022年气温处于振荡周期的负值。

图7 年均温小波系数实部值分布图

降水量数据的变化也具有较强周期性,山东省的降水在0年时间尺度至32年时间尺度中,29年时间尺度下降水的周期约为18年,20年时间尺度下降水的周期约为13年,这两个时间尺度下周期震荡性最明显。如图8所示,在29年时间尺度下经历了两次完整交替,此时2022年和2023年处于降水由少到多的趋势。在20年时间尺度下,主要经历了4个交替,与29年时间尺度下不同的是,2022年正处于降水由多变少的时期。

图8 降水量小波系数实部值分布图

M-K(Mann-Kendall)检验法是一种可以用来检测气候突变的方法,通过判断交点诊断和检测气候是否存在突变及突变产生的时间,由于此方法不受个别异常值的干扰[22],因此反应的结果误差较小。本文借助MATLAB R2018b软件用此方法对1973—2022年50年的年降水量和年均温数据分析,选取的置信区间为U∈[-1.96,1.96],结果如图9所示。由图9(a)可知,年均温在1975年前呈现不显著的下降趋势,由于数据数量的限制所以此时间段该判断科学性不足,在1975—1998年间年均温处于不显著的上升阶段,1998年之后气温开始显著上升,UF与UB存在多个交点但均不在α=0.05显著性水平临界线内,因此在此水平下气温的变化不存在突变。

图9 M-K检验图

图9(b)可知,2004年之前降水下降变化趋势不明显,2004年之后降水上升变化趋势不明显,UF和UB存在多个交点且都在α=0.05显著性水平临界线内,开始发生突变的时间即第一个交点是在2003年,此时降水量突然增加。2003年山东省各地区降水量数据也印证了上述结论,山东省各地降水量都有所上升,部分旱地降水量较常年的300多毫米上升到了600 mm,其中降水量明显增多的市区为菏泽市、日照市和济宁市。以菏泽市为例,由于2003年夏、秋季降水增加,出现了十年难遇的洪涝灾害[23,24],导致粮食作物播收时间异常,给农业生产带来了不可逆的损失。

因此,气温的主周期是31年,在此主周期下气温的变化周期约为20年,但年际变化是符合一元线性回归变化的,虽然在1998年之后增幅大于之前的增幅,但其变化的波动性较小。降水的主周期是29年,在此主周期下降水的变化周期约为18年,值得注意的是,2003年正处于降水第二个转变阶段,即由旱转涝的阶段,是近50年来降水的重要时间节点,山东省大部分地区尤其是西部地区出现洪涝灾害。

5 结束语

本文处理了1973—2022年的气候数据,通过一元线性回归法、距平法和滑动平均法对气象数据定量分析,借助ArcGIS、MATLAB和Origin软件,总结分析气温和降水的时空变化特征,结果表明:

1)总体上,由于受到全球变暖和区域气候的影响,近50年山东省气温平稳升高,以冬季升温明显为主要特征;降水量比较多变,具有明显的阶段性和交替性,近两年降水有增多的趋势但仍摆脱不了干旱环境的制约;冬、春两季增温明显,夏、秋两季降水不稳定,易发生洪涝灾害。

2)山东省的气温和降水在不同区域尤其是东部地区和西部地区、鲁中地区和邻近区域,由于受到经纬度和海拔高度的影响存在明显差异,但受区域环境的影响,位置相近区域仍具有较强相关性;31年主周期下气温存在周期性,且波动周期约为20年,29年主周期下降水的周期震荡性最强,约为18年。

3)山东省属于典型季风气候,降水主要集中在夏季,根据近50年的降水结果分析,夏季降水具有很强的波动性,极易造成降水失调,影响人民生活和农业生产,在降水易突变的地区兴修水利设施、筑大坝,做到在多雨期防水储水,少雨期有水可供。